WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 6 02;05;06;07;11;12 Получение методом ионно-лучевого распыления кислородом и оптические свойства ультратонких пленок золота © А.И. Стогний, Н.Н. Новицкий, С.Д. Тушина, С.В. Калинников Институт физики твердого тела и полупроводников НАН Белоруссии, 220072 Минск, Белоруссия e-mail: stognij@ifttp.bas-net.by (Поcтупило в Редакцию 10 ноября 2002 г.) Исследована зависимость оптических и электрических свойств золотых пленок толщиной от менее 1 до 8 nm, полученных методом ионно-лучевого распыления с использованием ионов аргона и кислорода.

Показано, что свойства пленок не зависят от типа применявшихся для распыления ионов. Установлено, что пленки толщиной от 1 до 5 nm являются сплошными и обладают высокой прозрачностью. Получены методом ионно-лучевого распыления ионами кислорода омические контакты NiOx/Au к p-GaN.

Известно, что на поверхности золота не образуется для распыления мишени и модифицированный вариант слоя естественного окисла [1], и ультратонкие пленки источника ионов Кауфмана с открытым торцом для золота толщиной в единицы нанометров способны про- подготовки поверхности подложки перед осаждением пускать более половины падающего оптического излу- пленки и подробно описана ранее в [9,10]. Распыление чения при поглощении в 10... 20% [2,3]. Эти свойства мишени производилось пучком ионов аргона или кислопредопределяют перспективность использования ультра- рода с энергией 0.8 keV и плотностью тока 0.3 mA/cm2.

тонких пленок золота в качестве прозрачных защитных Пластинка из золота чистотой не хуже 99.99% испольслоев для многослойных металлических структур [4] зовалась в качестве мишени. Источник ионов Кауфмана или в качестве прозрачных омических контактов для све- во время осаждения пленки отключался, подача аргона тоизлучающих полупроводниковых структур на основе через него прекращалась, а термокатод оставался вклюнитрида галлия [3,5]. ченным для поддержания температуры поверхности раОднако при нанесении ультратонких пленок золота бочей подложки около 120C. Предельное давление в с использованием методов испарения в вакууме возни- установке составляло менее 10-3 Pa, а рабочее давление кают проблемы с контролем толщины, обусловленные во время осаждения пленки не превышало 10-2 Pa.

относительно высокой скоростью осаждения, которая Морфология поверхности подложек и пленок золосоставляет порядка 0.1... 1 µm/min [6]. Более перспек- та анализировалась методом атомно-силовой микроскотивным представляется использование метода ионно-лу- пии (АСМ) при помощи атомно-силового микроскопа чевого распыления [6]. Здесь скорость осаждения пленок Фемтоскан-001 (центр перспективных технологий, МГУ, управляется посредством изменения параметров ионно- Москва) с полем сканирования 5 5 µm, работающего в го источника и может поддерживаться на уровне 1 nm/s. контактном режиме с использованием кремниевых канНо ионно-лучевое распыление обычно производится тилеверов, имеющих радиус закругления острия 10 nm, в относительно невысоком вакууме 10-2 Pa, когда угол расхождения конуса 20 и длину 50 µm, изгосущественно возрастает роль неконтролируемых при- товленных фирмой MicroMash (www.spmtips.com). Помесей органической природы в пленках, оказывающих верхностное сопротивление пленок ( / ) опредеотрицательное влияние на оптические и электрические ляли четырехзондовым методом на серийном прибосвойства [7]. Известным способом уменьшения кон- ре ИУС-3. Спектры пропускания пленок в интервале центрации органических примесей в пленках является длин волн 280-550 nm измеряли после осаждения на использование кислородной плазмы [8] или распыление спектрофотометре „HITACHI-340“ с погрешностью не мишеней ионами кислорода в атмосфере кислорода [9]. более 0.3%. Измерение потерь излучения в пленке (A)% В настоящей работе метод распыления мишени золота проводилось на стенде, включающем He-Ne лазер ионами кислорода предлагается использовать для по- ( = 632.8nm), поворотный стол с исследуемыми образлучения прозрачных пленок золота с высокой электри- цами и систему фотометрического контроля.

ческой проводимостью.

Результаты и их обсуждение Экспериментальное оборудование На рис. 1 показано АСМ изображение исходной поУстановка ионно-лучевого распыления содержала ис- верхности кварцевой подложки. Поверхность подложки точник ионов на основе двухкаскадного самостоятельно- является гладкой, причем размах высот на характерном го разряда низкого давления с холодным полым катодом рельефе поверхности длиной до 4 µm не превышает 2 nm Получение методом ионно-лучевого распыления кислородом и оптические свойства... (вдоль линии на рис. 1), а среднеквадратическая шероховатость составляет менее 1 nm. На рис. приведены характерные АСМ изображения пленок золота толщиной 0.4 (a) и 1.2 nm (b), полученных распылением с использованием ионов аргона. Согласно АСМ изображениям, приведенным на рис. 2, и результатам измерений поверхностного сопротивления, приведенным на рис. 3, свойства пленок, расчетная толщина которых составляет менее 1 nm, сильно отличаются от свойств более толстых образцов.

Пленки (рис. 3) характеризуются очень высоким поверхностным сопротивлением, которое резко падает с ростом толщины пленки, а их поверхность характеризуется высокой среднеквадратической шероховатостью (более 3 nm) и размахом высот на характерном сечении рельефа поверхности, в несколько раз превышающем размах высот на характерном сечении рельефа поверхности подложки.

Это позволяет предположить, что пленки такой толщины не являются сплошными, а состоят из гранул с поперечным размером около 50 nm и высотой до 6 nm, хаотически расположенных на поверхности подложки (рис. 2, a). Поверхность более толстых образцов (рис. 2, b) характеризуется меньшим значением среднеквадратической шероховатости (менее 1 nm), которое слабо изменяется с дальнейшим ростом Рис. 1. АСМ изображение поверхности кварцевой подложки.

толщины пленок (рис. 4). Поверхностное сопротивление Рис. 2. АСМ изображения пленок золота толщиной 0.4 nm (a) и 1.2 nm(b).

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 88 А.И. Стогний, Н.Н. Новицкий, С.Д. Тушина, С.В. Калинников пленок, величина поверхностного сопротивления и спектры пропускания которых близки к значениям для образцов такой же толщины, но полученных распылением ионами аргона. Однако в близких экспериментальных условиях (одинаковых значениях давления, плотности тока пучка ионов и их энергий) скорость осаждения пленок при использовании кислорода в качестве рабочего газа примерно в 2 раза ниже, чем при использовании аргона. Морфология поверхности пленок, полученных в случае использования кислорода, мало отличалась от поверхности образцов, полученных с использованием аргона, но неоднородности рельефа поверхности приобретали более гладкие формы, а среднеквадратичРис. 3. Зависимость значений поверхностного сопротивления ная шероховатость имела несколько меньшую величину и пропускания света ( = 400 nm) от толщины ультратонких (рис. 4). Для объяснения причины примерно в два пленок золота, напыленных с использованием ионов аргона.

раза меньшей скорости осаждения пленки золота при использовании ионов кислорода по сравнению с применением для распыления ионов аргона можно воспользоваться известными представлениями о взаимодействии молекулярных ионов O+ с поверхностью мишени [6].

Считается, что при столкновении с мишенью молекула распадается на два атома, а начальная энергия распределения поровну между атомами. В использованном источнике ионов кислорода доля ионов O+ составляет более 60%, а доля ионов O+ — более 25% [11]. Поэтому суммарный вклад энергии в процессы распыления от пучка ионов кислорода более чем на 30% меньше, чем при использовании ионов аргона при прочих равных условиях и с учетом того, что масса атома кислорода в 2.5 раза меньше массы атома аргона.

Спектры пропускания света с длиной волны от до 550 nm для пленок золота толщиной до 5 nm, напыРис. 4. Зависимость среднеквадратичной шероховатости поленных с использованием ионов аргона или кислорода, верхности золотых пленок от толщины.

приведены на рис. 5. Видно, что значение пропускания света определяется толщиной пленки, а не типом ионов для распыления мишени. Причем пленки толщиной этих пленок уменьшается до 5 / с увеличением от 1 до 4 nm обладают прозрачностью более 40% и толщины до 4 nm, а оптическое пропускание составляет одновременно являются сплошными с поверхностным более 40% (рис. 3). Пропускание света уменьшается сопротивлением от 25 до 5 /.

с ростом толщины пленок, причем происходит это в основном за счет увеличения поглощения света и отличается от поведения серебряных пленок, где пропускание света изменяется в основном за счет роста отражения света в сравнимом интервале толщин, а поглощение остается практически постоянным [2]. Так, для пленок толщиной 4 nm пропускание составляет 46%, а поглощение — 21%. Слабая зависимость значения среднеквадратической шероховатости поверхности от толщины пленки (рис. 4) свидетельствует о том, что после образования на поверхности подложки сплошного слоя золота начинается равномерный рост пленки по толщине и происходит формирование пленочной структуры с гладкими границами, рельеф которых повторяет рельеф поверхности подложки, что видно из сравнения рис. 1 и 2, b.

Рис. 5. Спектры пропускания пленок золота, осажденных с исИспользование ионов кислорода для напыления плепользованием ионов кислорода (1, 4) и ионов аргона (2, 3, 5).

нок золота позволило получить образцы ультратонких Толщина пленки, nm: 1 —3, 2 —0.4, 3 —3.6, 4 —4, 5 —4.8.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Получение методом ионно-лучевого распыления кислородом и оптические свойства... толщиной менее 1 nm не являются сплошными, а состоят из отдельных гранул, хаотически расположенных на поверхности подложки и электрически плохо связанных друг с другом. Пленки толщиной до 5 nm являются сплошными, обладают высокой прозрачностью и представляют интерес как омические контакты к светоизлучающим структурам на основе GaN. Пленки могут также использоваться в качестве защитных покрытий при получении многослойных наноразмерных структур, которые деградируют при контакте с поверхностью подложек и атмосферой.

В заключение выражаем благодарность вице-президенту AIXTRON AG M. Heuken за предоставленные образцы нитрида галлия, О.М. Стукалову за помощь в проведении АСМ исследований, Г.П. Яблонскому и Е.В. Луценко из Института физики Национальной академии наук Беларуси за дискуссии и результативную критику.

Работа получила частичную финансовую поддержку в рамках проекта B-176 ISTC.

Список литературы Рис. 6. Вольт-амперные характеристики контактов.

1 — p-GaN/NiOx (2nm) / Au(4nm) / SiO2 и 2 — [1] Thin films — Interdiffusion and Reactions / Ed. J.M. Poate, p-GaN/NiOx (4nm) / Au(4nm) / SiO2.

K.N. Tu, J.V. Mayer. A Willey-Interscience Publication. John Wiley and Sons Inc., 1978.

[2] Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976. 928 с.

[3] Sheu J.K., Su Y.K., Chi G.C. et al. // Appl. Phys. Lett. 1999.

Полученное соответствие между свойствами пленок, Vol. 74. N 16. P. 2340–2342.

осажденных с использованием ионов аргона или кис[4] Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Стукалов О.М. // Новые лорода, указывает на перспективность использования магнитные материалы микроэлектроники. Сб. тр. XVIII кислорода в качестве рабочего газа для напыления Междунар. школы-семинара. М., 2002. С. 303–305.

пленок золота, особенно в тех случаях, когда они [5] Jin-Kuo Ho, Chang-Shyang Jong, Chien C.Chiu et al. // Appl.

используются в качестве омических контактов к p-слою Phys. Lett. 1999. Vol. 74. N 9. P. 1275–1277.

полупроводников A(III)B(V), а сам контакт представ- [6] Распыление твердых тел ионной бомбардировкой.

ляет собой бислойную структуру из оксида метал- Вып. III. Распыления сплавов и соединений, распыление под действием электронов и нейтронов, рельеф поверхнола нанометровой толщиной с проводимостью p-типа сти. Пер. с англ. / Под ред. Р. Бериш, К. Виттмака. М.:

и верхнего слоя золота толщиной менее 10 nm [5].

Мир, 1986. 488 с. (Sputtering by Particle Bombardment III / В этом случае появляется возможность, например, Ed. R. Behrisch, K. Wittmaack).

в едином вакуумном цикле последовательно нано[7] High Vacuum Production in the Microelectronics Industry / сить на поверхность слоя p-GaN слой оксида ниP. Duval. Elsevier, 1988. 263 p.

келя посредством распыления мишени никеля иона[8] Tada S., Sakamoto Y., Suzuki T. et al. // Vacuum. 1999.

ми кислорода, а затем пленки золота толщиной меVol. 53. P. 321–352.

нее 6 nm. Таким образом, были получены контактные [9] Стогний А.И., Свирин В.Т., Тушина С.Д. и др. // ПТЭ.

пленочные структуры p-GaN/NiOx (2nm)/Au (4nm)/SiO2001. № 3. С. 151–154.

и p-GaN/NiOx (4nm)/Au (4nm)/SiO2 на нитриде галлия с [10] Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Стукалов О.М. // Письма прозрачностью более 50% в диапазоне длин волн от 290 в ЖТФ. 2002. Т. 28. Вып. 1. С. 39–48.

[11] Стогний А.И., Токарев В.В. // ПТЭ. 1990. № 3. С. 142–144.

до 550 nm, спектры пропускания которых аналогичны спектрам, представленным на рис. 5, и обладают омическим характером проводимости (рис. 6).




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.