ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

Технология получения пленок a-Si:H и модифицирование их структуры

6.1.1. Технологический комплекс для получения пленок a-Si:H

и его модернизация

Нанесение пленок a-Si:H производилось методом плазмохимического осаждения (ПХО) на основе однокамерного технологического комплекса, представляющего собой адаптированную к поставленной задаче установ­ку магнетронного распыления «КОНТ» с модулем безмасляной откачки МО-500-1 [73], [74]. Конструктивно он включает в себя вакуумный агрегат, шкаф управления и ВЧ-генератор с двухканальным согласующим устройст­вом (рис. 6.2).

Водоохлаждаемая вакуумная камера диаметром 600 мм и высотой 350 мм имеет на боковой поверхности шесть унифицированных посадочных мест для установки магнетронных распылительных систем и фланец для под­соединения к системе откачки. В центре нижней крышки камеры располо­жен опорный вал вращения с электроприводом (2-20 об/мин), на который установлен съемный барабан-подложкодержатель. Там же размещены элек­трические вводы для подсоединения ВЧ-электрода ПХО, нагревателя и тер­мопары. На верхней крышке камеры находятся окна для визуального кон-

троля процессов распыления и манометрическая лампа. Верхняя крышка поднимается с помощью пневмопривода и сдвигается в сторону, что позво­ляет производить съем и установку подложкодержателя.

Геометрические размеры квазицилиндрической электродной системы, образованной вращающимся барабаном-подложкодержателем и ВЧ-электро-
дом с зазором между ними 40-50 мм, определяются отношением времени осаждения пленок к периоду одного оборота барабана, которое для системы ПХО составляет 1/4.

Предложенная конструкция установки позволяет получить высокую производительность и равномерность осаждаемых пленок по толщине и предусматривает возможность формирования интегральных модулей фото­преобразователей с различной структурой за один вакуумный цикл [74].

Система ИК-нагрева выполнена на основе нагревательного кабеля КНМ (ТЭНа), расположенного с внутренней стороны подложкодержателя, задает и стабилизирует его температуру в диапазоне от 100 до 350 °С.

Вакуумная система на основе турбомолекулярного ТМН-500 и форва­куумного НВР-16Д насосов обеспечивает в камере предельное остаточное давление 2-10-4 Па. Контроль предельного вакуума и давления технологи­ческих газов осуществляется с помощью тепловых и ионизационных пре­образователей.

При реализации ПХО дросселирование потока откачиваемых газов выполняется с помощью специальной магистрали с диафрагмой. Это обес­печивает малые расходы газовой смеси (0,5-1 л/ч) и устраняет необходи­мость установки скруббера на выходе форвакуумного насоса. Подвод ра­бочих газов осуществляется с помощью газораспределительных систем, соединяющихся через запорные клапаны с единым газоколлектором, к ко­торому подведены пять внешних газовых магистралей Ar, SiH4, H2, N2, O2. На каждой магистрали установлены натекатели, запорные клапаны, фильт­ры и стабилизаторы давления. В качестве источника водорода используется электролизный генератор с твердым полимерным электролитом на основе катионно-обменной мембраны.

6.1.2. Получение пленок a-Si:Hметодом плазмохимического осаждения

Нелегированные пленки а-SrH осаждались методом ПХО в диодной ВЧ-системе из смеси 80 %Ar + 20 %SiH4 на ситалловые, поликоровые, квар­цевые и кремниевые подложки. Осаждение осуществлялось на вращающий­ся (скорость вращения 4-10 об/мин) и неподвижный барабан-подложко­держатель. При оптимизации условий осаждения пленок a-Si:H варьирова­лась температура подложки (150-350 °С), удельная мощность ВЧ-разряда (27,5-55 мВт/см2) и давление газовой смеси (20-25 Па). Основным варьи­руемым параметром была выбрана температура подложки, а критерием ка­чества получаемых пленок являлась фоточувствительность, т. е. отношение фотопроводимости к темновой проводимости Орфо^-

Полученные температурные зависимости отношения фотопроводимо­сти к темновой проводимости для различных режимов осаждения пленок представлены на рис. 6.4. В качестве оптимального может быть выбран режим 1 [75].

Рис. 6.4. Зависимость отношения фотопроводимости Oph
к темновой проводимости Od при освещенности 100 мВт/см2
от температуры подложки для пленок а-Бі:Н, полученных
при скорости вращения барабана 4 об/мин и различных
режимах осаждения: 1 — w = 55 мВт/см2, P = 25 Па;

2 — w = 55 мВт/см2, P = 20 Па; 3 — w = 27,5 мВт/см2, P = 25 Па

Спад фоточувствительности пленок а-Бі:Н, осажденных при темпера­турах 300-350 °С обусловлен уменьшением фотопроводимости oph, и уве­личением Od [76], что, по-видимому, связано с возрастанием плотности ло­кализованных состояний в щели подвижности, вызванный малым содер­жанием водорода при этих температурах подложек.

Изменение скорости вращения барабана-подложкодержателя не ока­зывает заметного влияния на электрофизические параметры получаемых пленок [73]. Однако при осаждении на неподвижный подложкодержатель ухудшается качество осаждаемых пленок: возникла макроструктура и фо­точувствительность понизилась до 104.

Полученные результаты подтверждают возможность получения мето­дом ПХО на вращающийся барабан-подложкодержатель пленок а-Бі:Н

приборного качества с отношением проводимостей oph/^d, равным 3-106, при относительно низких температурах.

Структурные свойства пленок гидрогенизированного кремния изуча­лись с помощью методов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и дифракции быстрых электронов. Исследование с помощью ПЭМ проводились для пленок a-Si:H толщиной порядка 0,5 мкм на кремниевых подложках и для свободных пленок a-Si:H толщиной 30-50 нм, осаждае­мых на подложки из NaCl.

Электронно-микроскопические исследования пленок a-Si:H толщиной 0,5 мкм на кремниевых подложках осуществлялись на электронном микро­скопе EM-420 (Philips) при ускоряющем напряжении 100 кВ. Для получения изображения в плоскости поверхности пленки кремниевая подложка трави­лась с обратной стороны низкоэнергетическим ионным пучком [77]. Иссле­дования структуры свободных пленок гидрогенизированного кремния тол­щиной 30-50 нм производились методами просвечивающей электронной микроскопии и микродифракции на электронном микроскопе ЭМ-125 при ус­коряющем напряжении 100 кВ. Пленки осаждались на монокристаллический NaCl, затем переносились на медную сеточку в дистиллированной воде [78].

Согласно результатам электронной микро­скопии пленки a-Si:H, полученные при опти­мальных условиях осаждения, структурно одно­родны. На рис. 6.5 представлена микрофотогра­фия просвечивающей электронной микроскопии в светлопольном контрасте среза пленки a-Si:H толщиной 0,5 мкм на кремниевой подложке [77]. Пленка однородна по толщине и не имеет столб­чатой структуры. Это является дополнительным подтверждением приборного качества получае­мых пленок (см. рис. 6.5).

Микрофотография ПЭМ поверхности в свет­лопольном контрасте (рис. 6.6, а) была получена для пленки a-Si:H толщиной 40 нм, осажденной в том же режиме на подлож­ку из NaCl. Пленка однородна и в плоскости, параллельной подложке, ее микродифрактограмма «на просвет» представлена на рис. 6.6, б. Дифракци­онная картина имеет размытые кольца, характерные для аморфного кремния, что позволяет говорить о подавляющей доле аморфной фазы в пленке a-Si:H.

72

а

Рис. 6.6. Просвечивающая электронная микроскопия поверхности (а)
пленки a-Si:H толщиной 40 нм, полученной в постоянной газовой смеси
и соответствующая ей электронограмма (б)

О структурной однородности пленок также свидетельствуют радиальная функция распределения полученная на основе данных по дифракции быстрых электронов «на отражение» [77]. На рис. 6.7 представлен график радиальной функции распределения, полученный для пленки a-Si:H толщиной 40 нм. На графике четко выражена первая координационная сфера для связи Si-Si с дли­ной связи 0,235 нм и вторая координационная сфера связи Si-Si с длиной связи 0,384 нм, третья координационная сфера Si-Si с длиной связи 0,45 нм выраже­на не четко, что говорит о полном отсутствии дальнего порядка в пленке a-Si:H. В пленке имеется SiO2 (видна связь Si-O — 0,18 и 0,3 нм), по-види­

мому, это оксидный слой образованный на поверхности пленки (см. рис. 6.7).

Таким образом, на основании совокупности полученных данных, можно утверждать, что пленки a-Si:H, осажденные на вращающийся подложкодер­жатель в постоянной газовой смеси, являются однородными и аморфными.