ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΕΡΓΙΝΑ Ι. ΦΑΡΣΑΡΗ ΠΑΤΡΑ, ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2015

ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΓΙΑ ΟΠΤΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Υποβληθείσα στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών Υπό Εργίνας Ι. Φαρσάρη Για την απόκτηση του τίτλου της Διδάκτορα του Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΤΡΑ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2015

Πρόλογος Η παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Τεχνολογίας Πλάσματος του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Καθώς η προσπάθεια αυτή ολοκληρώνεται, θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσοι συνέβαλαν σε αυτήν. Αρχικά, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντά μου, καθηγητή Δημήτριο Ματαρά. Αν και μου είναι δύσκολο να περιγράψω σε δύο γραμμές τη μακροχρόνια συνεργασία μας, αυτή την στιγμή δεν μπορώ παρά να τον ευχαριστήσω για την επιμονή του να ξεκινήσω αυτήν την προσπάθεια. Πάνω από όλα όμως, τον ευχαριστώ για την ελευθερία και τις ευκαιρίες που μου έδωσε να κινηθώ σε ένα ευρύτερο πεδίο από αυτό της παρούσας διατριβής. Ιδιαίτερη αναφορά θα ήθελα να κάνω στη συμβολή του επίκουρου καθηγητή Ελευθέριου Αμανατίδη. Η διακριτική του καθοδήγηση, η απλόχερη μεταφορά γνώσης και εμπειρίας καθώς και η αισιοδοξία του μπροστά στις αναποδιές που συναντήσαμε συνετέλεσαν καθοριστικά στην ολοκλήρωση της εργασίας αυτής. Τις θερμές μου ευχαριστίες θα ήθελα να εκφράσω στα μέλη της τριμελούς συμβουλευτικής μου επιτροπής, τον καθηγητή Γεώργιο Αγγελόπουλο και τη Δρ. Αγγελική Τσερέπη, ερευνήτρια Α του ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, τόσο για τις πολύτιμες συμβουλές και υποδείξεις τους όσο και για τη συνολικότερη υποστήριξη τους. Επίσης, ευχαριστώ τον καθηγητή Κωνσταντίνο Γαλιώτη, τον επίκουρο καθηγητή Φίλιππο Φαρμάκη και τον λέκτορα Νικόλαο Σπηλιόπουλο τόσο για την προθυμία τους να συμμετάσχουν στην επταμελή επιτροπή όσο και για τις υποδείξεις και τις συμβουλές τους στα διάφορα στάδια εξέλιξης αυτής της εργασίας. Ευχαριστώ θερμά τον επίκουρο καθηγητή Άγγελο Καλαμπούνια για τη στενή μας συνεργασία και τη λήψη των φασμάτων laser - Raman. Χωρίς την ουσιαστική του προσφορά το περιεχόμενο αυτής της εργασίας θα ήταν σαφώς φτωχότερο. Ευχαριστώ, επίσης, τον καθηγητή Δημήτριο Αναστασόπουλο και την κα Αναστασία Χριστουλάκη του Εργαστηρίου Φυσικής Στερεάς Κατάστασης και Φυσικής των Πολυμερών του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών για την παραχώρηση του εξοπλισμού για τις μετρήσεις IR. Ένα μεγάλο ευχαριστώ οφείλω σε όλους τους ανθρώπους με τους οποίους συνυπήρξαμε στο Εργαστηρίου Τεχνολογίας Πλάσματος. Πιο συγκεκριμένα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους διδάκτορες Σπύρο Σφήκα, Μαρία Κωστοπούλου, [1]

Παναγιώτη Δημητρακέλλη και Στέλιο Βογιατζή και τους υποψήφιους διδάκτορες Γιάννη Τσιγάρα, Γιάννη Αλεξίου και Βίλλυ Βρακατσέλη για τη φιλική τους διάθεση, τη συμπαράστασή τους και την προθυμία τους να δώσουν ένα χέρι βοήθειας σε κάθε πρόβλημα, τεχνικό ή μη. Τόσο σε αυτούς, όσο και στα νεότερους μεταπτυχιακούς φοιτητές Παναγιώτη Ιωάννου, Σταύρο Σταυρογιαννόπουλο, Νίκη Σωτηρίου και Αγγελική Καραβιώτη εύχομαι κάθε επιτυχία στους στόχους τους. Παράλληλα, ευχαριστώ θερμά τις κυρίες Χριστιάνα Αλεξανδρίδου και Ευγενία Αντωνοπούλου για τη φιλία τους και τη φροντίδα τους όλα αυτά τα χρόνια. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους διπλωματούχους του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών Νίκο Λούκο, Γιάννη Γκόνη και Στάθη Μαργαρίτη και τον διπλωματούχο Ηλεκτρολόγο Μηχανικό του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου Θράκης Στέλιο Κουλίδη οι οποίοι, στα πλαίσια των διπλωματικών τους εργασιών, με βοήθησαν ουσιαστικά. Κλείνοντας, θα ήθελα να απευθύνω το μεγαλύτερο ευχαριστώ στην οικογένειά μου, τους γονείς μου Γιάννη και Μαρία, την αδελφή μου Ρένια αλλά και τους θείους μου Γιάννα Λυράκη και Νικηφόρο Κοϊνάκη για την πολύπλευρη υποστήριξή τους. [2]

Περίληψη Το νανοδομημένο υδρογονωμένο πυρίτιο αποτελεί ένα από τα βασικότερα υλικά των οπτοηλεκτρονικών διατάξεων λεπτών υμενίων (φωτοβολταϊκά κελιά λεπτών υμενίων, TFT, αισθητήρες). Η κύρια τεχνική που χρησιμοποιείται βιομηχανικά για την παραγωγή υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου, είναι η χημική εναπόθεση ατμών υποβοηθούμενη με πλάσμα (PECVD). Η διεργασία λαμβάνει χώρα σε χωρητικά συζευγμένους αντιδραστήρες (CCP) χρησιμοποιώντας ως πρόδρομο αέριο το σιλάνιο ή μίγματά του με υδρογόνο. Το κύριο πλεονέκτημα της τεχνική αυτής είναι ότι με μικρές μεταβολές στις παραμέτρους της διεργασίας, είναι δυνατή η εναπόθεση τόσο άμορφων όσο και μικροκρυσταλλικών υμενίων. Ωστόσο, ένα από τα κύρια προβλήματα που παρουσιάζονται στη χρήση των CCP πηγών, είναι ο ιδιαίτερα χαμηλός ρυθμός εναπόθεσης των μικροκρυσταλλικών υλικών, ο οποίος δεν υπερβαίνει τα 5 Å/sec. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση της δυνατότητας χρήσης πηγών πλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων για την ενίσχυση του ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων μικροκρυσταλλικού πυριτίου, κατάλληλων για την ενσωμάτωσή τους σε οπτοηλεκτρονικές διατάξεις. Συγκεκριμένα, η διεργασία εξετάζεται σε δύο πηγές πλάσματος συντονισμού κύματος ηλεκτρονιακού κυκλότρου (ECWR) και σε μια επαγωγικά συζευγμένη πηγή (ICP). Σε κάθε περίπτωση, μελετάται η επίδραση των παραμέτρων της διεργασίας στον ρυθμό εναπόθεσης και στις φυσικοχημικές ιδιότητες των υλικών, αναζητώντας συνθήκες που εξασφαλίζουν ρυθμούς μεγαλύτερους των 5 Å/sec, αλλά και υλικά των οποίων οι ιδιότητες πληρούν τις προδιαγραφές για την ενσωμάτωσή τους σε οπτοηλεκτρονικές διατάξεις. Βάσει των αποτελεσμάτων προκύπτει ότι και οι τρεις πηγές παρέχουν ένα μεγάλο εύρος συνθηκών στις οποίες ο ρυθμός εναπόθεσης μικροκρυσταλλικών υλικών είναι πολλαπλάσιος του βιομηχανικού ρυθμού. Ο φυσικοχημικό χαρακτηρισμό των υλικών καταδεικνύει ότι υλικά που εναποτίθενται με ρυθμούς υψηλότερους των 13 Å/sec παρουσιάζουν αυξημένο αριθμό νανο-πόρων με αποτέλεσμα να οξειδώνονται τάχιστα κατά την έκθεσή τους στην ατμόσφαιρα. Η μελέτη της διεργασίας στην ICP πηγή υποδεικνύει ότι ο περιορισμός του ρυθμού εναπόθεσης στα 12 Å/sec οδηγεί σε περισσότερο συνεκτικά υλικά τα οποία οξειδώνονται βραδύτερα και παρουσιάζουν υψηλή φωτοευαισθησία για μακρά χρονικά διαστήματα. [3]

Abstract Nanostructured hydrogenated silicon thin films are widely applied in a variety of optoelectronic devices such as thin films solar cells, thin film transistors and photo detectors. Industrially, amorphous and microcrystalline silicon thin films are deposited through SiH 4 H 2 discharges in Capacitively Coupled Plasma reactors. Nevertheless, the low deposition rate (~ 5 Å/sec) achieved for microcrystalline silicon remains the main disadvantage of the process. In order to increase the growth rate several deposition techniques have been proposed such as high pressure depletion method (HPD), very high frequency method (VHD) and use of alternative precursors. Moreover, high density methods such as Inductively Coupled Plasmas (ICP), Electron Cyclotron Wave Resonance discharges, microwave plasmas, Electron Cyclotron Reactors and Hollow cathode discharges have been suggested. The aim of this work is to use high density plasma sources in order to deposit Si:H thin films and determine the process parameters leading to high deposition rates and device grade materials. Precisely, two Electron Cyclotron Wave Resonance sources and one Inductively Coupled Plasma source were used and the effect of process parameters on the growth rate and the materials properties was examined. The experimental results show that high rate growth of microcrystalline silicon can be achieved in all cases. However, materials characterization revealed that films deposited at rates higher than 13 Å/sec are porous and thus very sensitive to post oxidation. Keeping the rate lower than 12 Å/sec resulted in more dense materials which show low oxidation rates and sustain high photosensitivity in ambient conditions. [5]

Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1... 11 Εισαγωγή... 11 1.1. Νανοδομημένο /Υδρογονωμένο πυρίτιο... 13 1.2. Ιδιότητες υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου... 14 1.3. Εναπόθεση υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου... 19 1.4. Επαγωγικά Συζευγμένες Εκκενώσεις... 20 1.5. Ηλεκτρικές Εκκενώσεις Συντονισμού Κύματος Ηλεκτρονιακού Κυκλότρου (ECWR)... 23 1.6. Χημικές και φυσικές διεργασίες στις ηλεκτρικές εκκενώσεις SiH 4 H 2... 26 1.7. Στόχος της διατριβής και διάρθρωση... 30 Κεφάλαιο 2... 33 Σύστημα εναπόθεσης και τεχνικές χαρακτηρισμού υμενίων... 33 2.1 Αντιδραστήρας Επαγωγικής Σύζευξης... 35 2.2. Τεχνικές χαρακτηρισμού υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου... 40 2.2.1. Φασματοσκοσπία laser Raman... 41 2.2.2. Φασματοσκοπία απορρόφησης υπέρυθρου... 43 2.2.3. Φασματοφωτομετρία UV- Vis nir... 47 2.2.4. Περιθλασιομετρία ακτίνων x.... 51 2.2.5. Μικροσκοπία ατομικών δυνάμεων... 52 2.2.6. Ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των υλικών... 55 Κεφάλαιο 3... 57 Εναπόθεση υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου από εκκενώσεις ECWR... 57 3.1. Εισαγωγή... 59 3.2. Επίδραση των παραμέτρων της διεργασίας στον ρυθμό εναπόθεσης... 60 3.3. Φαινόμενη διάσπαση σιλανίου... 66 3.4. Απόδοση της διεργασίας... 70 [7]

3.5. Επίδραση των παραμέτρων της διεργασίας στην κρυσταλλικότητα των υμενίων... 73 3.6. Μελέτη της ομοιομορφίας των υλικών... 82 3.7. Μελέτη υμενίων με φασματοσκοπία απορρόφησης υπέρυθρου.... 86 3.8. Μελέτη υμενίων με μικροσκοπία ατομικών δυνάμεων.... 89 3.9. Συμπεράσματα... 90 Κεφάλαιο 4... 93 Εναπόθεση υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου στην τροποποιημένη ECWR πηγή. 93 4.1. Εισαγωγή... 95 4.2. Επίδραση των παραμέτρων της διεργασίας στον ρυθμό εναπόθεσης... 96 4.3. Παραμετρική μελέτη της αέριας φάσης... 98 4.4. Επίδραση των παραμέτρων της διεργασίας στην κρυσταλλικότητα των υμενίων... 107 4.5. Μελέτη υμενίων με φασματοσκοπία απορρόφησης υπέρυθρου... 109 4.6. Μελέτη υμενίων με φασματοφωτομετρία υπεριώδους ορατού έγγυς υπέρυθρου... 114 4.7. Μορφολογία υμενίων... 116 4.8. Συμπεράσματα... 121 Κεφάλαιο 5... 123 Εναπόθεση υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου από ICP εκκενώσεις SiH 4 -H 2... 123 5.1. Εισαγωγή... 125 5.2. Επίδραση των παραμέτρων της διεργασίας στον ρυθμό εναπόθεσης... 126 5.3. Επίδραση των παραμέτρων της διεργασίας στην κρυσταλλικότητα των υλικών... 129 5.4. Μελέτη υμενίων με φασματοσκοπία απορρόφησης υπέρυθρου... 132 5.5. Μελέτη υμενίων με φασματοφωτομετρία UV-Vis-nIR... 141 5.6. Μελέτη υμενίων με περιθλασιομετρία ακτίνων-x... 145 5.7. Μορφολογία Υμενίων... 147 [8]

5.8. Μελέτη ηλεκτρικών ιδιοτήτων υμενίων μικροκρυσταλλικού πυριτίου... 150 5.9. Συμπεράσματα... 154 Κεφάλαιο 6... 157 Συμπεράσματα και προτάσεις... 157 6.1. Συμπεράσματα... 159 6.2 Προτάσεις για μελλοντική έρευνα... 165 Αναφορές... 167 [9]

Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή [11]

1.1. Νανοδομημένο /Υδρογονωμένο πυρίτιο Οι πρώτες εναποθέσεις υδρογονωμένου πυριτίου εντοπίζονται ήδη από τη δεκαετία του 1960, όταν οι Sterling et al το 1965 [1] και Chitting et al [2] το 1969 παρασκεύασαν υμένια άμορφου πυριτίου από ηλεκτρικές εκκενώσεις σιλανίου. Αν και η συμμετοχή του υδρογόνου στα υμένια αποτέλεσε θέμα έντονης αντιπαράθεσης μεταξύ των ερευνητών, η οποία έληξε στα τέλη της δεκαετίας του 1970 [3,4], η μελέτη των Spear και LeCombert το 1975 [5] για τη δυνατότητα εμπλουτισμού των υμενίων άμορφου πυριτίου με προσθήκη φωσφίνης ή διβοράνης σε εκκενώσεις σιλανίου - υδρογόνου, έδωσε τεράστια ώθηση στην έρευνα και παρασκευή οπτοηλεκτρονικών διατάξεων. Ήδη από το 1976, οι Carlson & Wronski [6] ξεκίνησαν να μελετούν την ανάπτυξη φωτοβολταϊκών κελιών βασισμένων στο a-si:h, ενώ τα πρώτα φωτοβολταϊκά κελιά p i n ζεύξης παρουσιάστηκαν από τους Η. Okamoto et al. το 1980 [7]. Την ίδια περίοδο, οι Le Combert et al [8] πρότειναν τη χρήση του άμορφου πυριτίου για την κατασκευή τρανζίστορ λεπτών υμενίων (TFT). Από το 1980, οπότε και η Sanyo παρουσίασε στην αγορά τα πρώτα φωτοβολταϊκά κελιά για αριθμομηχανές τσέπης [9], το άμορφο υδρογονωμένο πυρίτιο χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενός μεγάλου εύρους διατάξεων από φωτοβολταϊκά κελιά μεγάλης επιφάνειας, έως αισθητήρες, οθόνες και εκτυπωτές [10]. Σχεδόν ταυτόχρονα με τις πρώτες μελέτες πάνω στο άμορφο υδρογονωμένο πυρίτιο, οι Veprek και Marecek το 1968 παρασκεύασαν υδρογονωμένο μικροκρυσταλλικό πυρίτιο χρησιμοποιώντας πλάσμα υδρογόνου και χημική μεταφορά του πρόδρομου αερίου (σιλανίου) στη ζώνη ανάπτυξης σε θερμοκρασίες 600 ο [11]. Ως μικροκρυσταλλικό χαρακτηρίζεται ένα μικτό υλικό στο οποίο κρύσταλλοι διαφορετικών διαστάσεων και προσανατολισμών αναπτύσσονται σε μια άμορφη μήτρα ατόμων πυριτίου. Αν και από τα τέλη της δεκαετίας του 1970 οι Usui και Kikuchi το 1977 [12] πέτυχαν τον εμπλουτισμό υμενίων μικροκρυσταλλικού πυριτίου, η χρήση του σε οπτοηλεκτρονικές διατάξεις άρχισε να εξετάζεται μόλις τη δεκαετία του 1990. Μέχρι τότε ο n χαρακτήρας που είχε παρατηρηθεί για τα μη εμπλουτισμένα υμένια μc-si:h, θεωρούταν ένδειξη υψηλής πυκνότητας ατελειών με αποτέλεσμα να μην εξετάζεται η χρήση του ως ενδογενής ημιαγωγός. [13]

Αρχικά, λόγω της υψηλής αγωγιμότητας του μικροκρυσταλλικού πυριτίου, οι ερευνητές που ασχολούνταν με φωτοβολταϊκά κελιά λεπτών υμενίων, πρότειναν την αντικατάσταση της p στοιβάδας στα p -i n κελιά άμορφου πυριτίου με p- τύπου μc- Si:H ώστε να μειωθούν οι ωμικές απώλειες στην p- τύπου επαφή [13]. Από τις αρχές της δεκαετίας του 1990, στο Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής του Neuchatel, ξεκίνησαν οι πρώτες μελέτες για την κατασκευή φωτοβολταϊκών κελιών μικροκρυσταλλικού πυριτίου p-i-n ζεύξης, ενώ παράλληλα κατασκευάστηκε μια νέα δομή φωτοβολταϊκών κελιών ( γνωστά σήμερα με την εμπορική τους ονομασία ως micromorph κελιά) στην οποία ένα p-i-n κελί άμορφου πυριτίου συνδέεται σε σειρά με ένα κελί μικροκρυσταλλικού πυριτίου [14-17]. Την ίδια περίοδο ξεκινά και μια σειρά μελετών που αφορούν στη χρήση του μικροκρυσταλλικού πυριτίου σε TFTs και αισθητήτρες [18-20]. 1.2. Ιδιότητες υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου Το κύριο χαρακτηριστικό των υμενίων του πυριτίου είναι η απουσία της τρισδιάστατης περιοδικότητας που παρατηρείται στην κρυσταλλική φάση, γεγονός που καθορίζει σημαντικά τις οπτοηλεκτρονικές τους ιδιότητες. Στο άμορφο πυρίτιο, τα άτομα του πυριτίου σχηματίζουν τέσσερις ομοιοπολικούς δεσμούς με τα γειτονικά τους άτομα όπως στην περίπτωση του κρυσταλλικού πυριτίου. Ωστόσο, οι γωνίες και τα μήκη των δεσμών Si-Si διαφέρουν από αυτά της ιδανικής τετραεδρικής δομής. Οι Williamson et al [21] προσδιόρισαν ότι στο άμορφο πυρίτιο η μέση τιμή της γωνίας του δεσμού Si-Si αποκλίνει κατά 11.4 ο, ενώ το μέσο μήκος του κατά 1.98% από τις τιμές που αντιστοιχούν στην ιδανική τετραεδρική δομή. Παράλληλα, στο άμορφο πυρίτιο εμφανίζεται μεγάλος αριθμός αιωρούμενων- σπασμένων δεσμών (dangling bonds). Οι διαταραχές που εμφανίζονται στις γωνίες και στα μήκη των δεσμών καθώς και η παρουσία των αιωρούμενων δεσμών στο άμορφο πυρίτιο οδηγούν στην εμφάνιση εντοπισμένων καταστάσεων μέσα στο ενεργειακό χάσμα του υλικού (σχήμα 1.1.). Συγκεκριμένα, οι παραμορφωμένοι δεσμοί δίνουν μια ομάδα ενεργειακών καταστάσεων στα άκρα των ζωνών σθένους και αγωγιμότητας ( ουρές των ζωνών), ενώ οι αιωρούμενοι δεσμοί εισάγουν εντοπισμένες καταστάσεις σχεδόν στο μέσο του ενεργειακού χάσματος. Στις ουρές των ζωνών, τα ηλεκτρόνια ή οι οπές είναι εντοπισμένα στον χώρο και δεν θεωρείται ότι μετέχουν στην αγωγιμότητα του [14]

υλικού. Γενικά, στο άμορφο πυρίτιο, η αγωγιμότητα θεωρείται ότι λαμβάνει χώρα στην ακμή ευκινησίας της ζώνη αγωγιμότητας και σε συνθήκες περιβάλλοντος λαμβάνει τιμές μικρότερες του 1x10-10 S/cm. Σχήμα 1. 1. Πυκνότητα καταστάσεων στο άμορφο υδρογονωμένο πυρίτιο. Από τη θερμοκρασιακή εξάρτηση της αγωγιμότητας : (1.1) όπου Ea είναι η ενέργεια ενεργοποίησης, η οποία είναι η διαφορά μεταξύ της αιχμής ευκινησίας (E c ) με τη στάθμη Fermi (Ε F ), είναι δυνατόν να εκτιμηθεί η παρουσία προσμίξεων στο υλικό. Στο a-si:h η ενέργεια ενεργοποίησης είναι περίπου 0.8 ev και το ενεργειακό χάσμα 1.6 ev (η στάθμη Fermi βρίσκεται στο κέντρο του ενεργειακού χάσματος). Παρουσία προσμίξεων, είτε εσκεμμένα για τον εμπλουτισμό του υλικού είτε λόγω μόλυνσης (π.χ. με οξυγόνο ή άζωτο), η στάθμη Fermi μετατοπίζεται προς τη ζώνη αγωγιμότητας ή σθένους οδηγώντας σε μικρότερες ή μεγαλύτερες τιμές της ενέργειας ενεργοποίησης. Η απουσία μακράς εμβέλειας περιοδικότητας καθορίζει επίσης τις οπτικές ιδιότητες του άμορφου πυριτίου. Όπως στη γενική περίπτωση των άμορφων ημιαγωγών, η απορρόφηση μπορεί να διακριθεί σε τρεις περιοχές: Για συντελεστή απορρόφησης α > 10 3 /cm -1 όπου η απορρόφηση λαμβάνει χώρα μεταξύ των εκτεταμένων καταστάσεων. Στη συγκεκριμένη περιοχή ικανοποιείται η σχέση : (1.2) [15]

Όπου hv η ενέργεια των φωτονίων, E g το οπτικό χάσμα και C μια σταθερά. To n για το άμορφο υδρογονωμένο πυρίτιο θεωρείται ότι είναι 2. Για συντελεστή απορρόφησης 10 < α < 10 3 /cm -1 όπου η απορρόφηση λαμβάνει χώρα μεταξύ των ζωνών και της ουράς των ζωνών. Στην περιοχή αυτή, ο συντελεστής απορρόφησης θεωρείται ότι μεταβάλλεται εκθετικά με την ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας: (1.3) Όπου Ε 0 η ενέργεια Urbach, η οποία εξαρτάται από τη θερμοκρασία και τον βαθμό αταξίας του υλικού και α 0 προεκθετικός παράγοντας Για συντελεστή απορρόφησης α < 10 cm -1, όπου η απορρόφηση λαμβάνει χώρα μεταξύ των ενεργειακών καταστάσεων των ατελειών και των ζωνών. Το οπτικό χάσμα στο άμορφο υδρογονωμένο πυρίτιο κυμαίνεται μεταξύ των 1.6 1.7 ev. Αξίζει να σημειωθεί ότι στην περιοχή του ορατού, το άμορφο υδρογονωμένο πυρίτιο, λόγω του άμεσου ενεργειακού του χάσματος, παρουσιάζει υψηλότερους συντελεστές απορρόφησης από το κρυσταλλικό πυρίτιο, με αποτέλεσμα τα απαιτούμενα υμένια για την κατασκευή φωτοβολταϊκών κελιών να είναι πολύ λεπτά (0.2-0.4 μm). Το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, είναι ένα μικτό υλικό στο οποίο συνυπάρχουν η άμορφη και η κρυσταλλική φάση. Έτσι, στη δομή των υλικών θα εντοπίζονται τόσο οι διαταραχές της άμορφης φάσης όσο και διαταραχές που άπτονται του μεγέθους των κρυσταλλιτών. Στην περίπτωση της κρυσταλλικής φάσης διακρίνονται δύο χαρακτηριστικά μήκη διαταραχής: σε επίπεδο νανομέτρων λόγω της παρουσίας νανοκρυσταλλων διαφορετικών προσανατολισμών και διαστάσεων μερικών δεκάδων νανομέτρων μεταξύ των οποίων παρεμβάλλεται άμορφη φάση σε επίπεδο μικρομέτρων λόγω της παρουσίας μικροκρυστάλλων (διαστάσεων έως μερικών εκατοντάδων νανομέτρων) οι οποίο δημιουργούνται από τη συνένωση των νανοκρυστάλλων. Μεταξύ των μικροκρυστάλλων επίσης παρεμβάλλεται άμορφος ιστός. Οι διαταραχές στη νάνο- και μίκρο-κλίμακα μπορούν εύκολα να εντοπιστούν στην επιφάνεια των υλικών με μετρήσεις μικροσκοπίας ατομικών δυνάμεων. Στο σχήμα [16]

1.2 παρουσιάζονται οι εικόνες AFM δύο υμενίων μικροκρυσταλλικού πυριτίου που εναποτέθηκαν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. Και στις δύο εικόνες, ο σχηματισμός των μικρο-δομών από τη συνένωση νανο-δομών είναι ευδιάκριτος. Σχήμα 1. 2. Μορφολογία υμενίων μικροκρυσταλλικού πυριτίου. Η συνύπαρξη των δύο φάσεων στο μικροκρυσταλλικό πυρίτιο εγείρει αρκετά ερωτηματικά για το ποια από τις δύο φάσεις καθορίζει τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των υλικών. Το πρόβλημα περιπλέκεται περισσότερο καθώς ο όρος μικροκρυσταλλικό πυρίτιο περιγράφει μια μεγάλη κατηγορία υλικών όπου το ποσοστό της κρυσταλλικής φάσης κυμαίνεται μεταξύ 40 και 100%. Στην περίπτωση που το υλικό αποτελείται από νανοκρυστάλλους διασκορπισμένους στην άμορφη φάση, η αγωγιμότητα θεωρείται ότι λαμβάνει χώρα σε καταστάσεις λίγο πάνω από την αιχμή ευκινησίας της ζώνης αγωγιμότητας, ενώ η αύξηση του αριθμού των νανοκρυστάλλων οδηγεί σε μετατόπιση της στάθμης Fermi προς τη ζώνη αγωγιμότητας [22]. Για υλικά υψηλής κρυσταλλικότητας (> 70%), οι Ram et al.[23] συσχέτισαν τις μεταβολές της ενέργειας ενεργοποίησης με τις εντοπισμένες καταστάσεις στη στάθμη Fermi στα όρια των κρυστάλλων. Για τα υλικά ενδιάμεσης κρυσταλλικότητας, τα οποία συνήθως χρησιμοποιούνται σε οπτοηλεκτρονικές διατάξεις, τα όρια των μικροκρυστάλλων φαίνεται να παίζουν σημαντικό ρόλο στην αγωγιμότητα των υλικών. Ωστόσο, διαφορετικές προσεγγίσεις έχουν παρουσιαστεί για τη συμβολή τους στις ιδιότητες των υλικών: άλλοτε τα όρια των κρυστάλλων θεωρείται ότι λειτουργούν ως φράγμα δυναμικού [22,24,25] ενώ υπάρχουν μελέτες που δείχνουν ότι είναι αγώγιμα [27,28]. Ανεξάρτητα από τους επιμέρους μηχανισμούς που έχουν προταθεί για τα φαινόμενα μεταφοράς, η αγωγιμότητα των υμενίων μικροκρυσταλλικού πυριτίου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι πολύ μεγαλύτερη του άμορφου υδρογονωμένου πυριτίου και αυξάνει καθώς ο αριθμός των κρυστάλλων (ανεξάρτητα από το μέγεθος ή τον προσανατολισμό τους) αυξάνει. Η ενέργεια ενεργοποίησης του [17]

μικροκρυσταλλικού πυριτίου, όπως υπολογίζεται από την (1.1) είναι μικρότερη από αυτήν του άμορφου (οι μέγιστες τιμές που έχουν αναφερθεί είναι 0.7 [22]), ενώ η παρουσία των μικροκρυστάλλων οδηγεί σε τιμές μικρότερες των 0.5 ev [25-27]. Οι οπτικές ιδιότητες του μικροκρυσταλλικού πυριτίου καθορίζονται κατά κύριο λόγο από την κρυσταλλική φάση του υλικού. Οι Vanecek et al [28] προσδιόρισαν το οπτικό χάσμα του υλικού ίσο με 1.12 ev, πολύ κοντά σε αυτό του κρυσταλλικού πυριτίου. Στο σχήμα 1.2 παρουσιάζονται συγκριτικά οι συντελεστές απορρόφησης του άμορφου, του μικροκρυσταλλικού και του κρυσταλλικού πυριτίου όπως προσδιορίστηκαν από τους Meier et al [15] από μετρήσεις PDS (Photothermal Deflection Spectroscopy). Το μc-si:h, στην περιοχή του ορατού, εξαιτίας του έμμεσου ενεργειακού του χάσματος, παρουσιάζει μικρότερη απορρόφηση από το a:si-h. Στην περιοχή του υπέρυθρου, όπου το a:si-h δεν απορροφά, ο συντελεστής απορρόφησης του μc-si;h είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με αυτόν του κρυσταλλικού πυριτίου. Οι υψηλότεροι, σε σχέση με το c-si, συντελεστές απορρόφησης του μc- Si:H οφείλονται σε φαινόμενα σκέδασης του φωτός στην επιφάνεια του υλικού εξαιτίας της τραχύτητάς τους. Τέλος αξίζει να σημειωθεί, ότι η απορρόφηση του μc- Si:H για ενέργειες μικρότερες του 1 ev, οφείλεται στις ατέλειες του υλικού και μάλιστα αποτελεί ένα κριτήριο για την ποιότητά του. Σχήμα 1. 3. Συντελεστής απορρόφησης υμενίου μικροκρυσταλλικού πυριτίου πάχους 1.8 μm, υμενίου άμορφου πυριτίου και κρυσταλλικού πυριτίου. Τα δεδομένα έχουν ληφθεί από την [15]. [18]

1.3. Εναπόθεση υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου Η κύρια τεχνική που χρησιμοποιείται βιομηχανικά για την εναπόθεση υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου είναι η χημική εναπόθεση ατμών υποβοηθούμενη με πλάσμα (PECVD). Η διεργασία λαμβάνει χώρα σε χωρητικά συζευγμένους αντιδραστήρες πλάσματος (CCP) χρησιμοποιώντας ως πρόδρομο αέριο το σιλάνιο ή μίγματά του με υδρογόνο. Το κύριο πλεονέκτημα της τεχνικής αυτής είναι ότι με μικρές αλλαγές στις παραμέτρους της διεργασίας (π.χ. στη σύσταση του μίγματος ή στην παρεχόμενη στο πλάσμα ισχύ) είναι δυνατή η εναπόθεση υλικών διαφορετικών ιδιοτήτων. Στο σχήμα 1.4 παρουσιάζεται ενδεικτικά το διάγραμμα φάσεων του υλικού συναρτήσει της αραίωσης του υδρογόνου σε χωρητικά συζευγμένους αντιδραστήρες. Κατά την αύξηση του ποσοστού το υδρογόνου, το υλικό μεταβαίνει από την άμορφη στη μικροκρυσταλλική κατάσταση και μάλιστα για υψηλές αραιώσεις η άμορφη φάση σχεδόν εξαφανίζεται. Η εναπόθεση άμορφων και μικροκρυσταλλικών υλικών στον ίδιο αντιδραστήρα είναι ιδιαίτερα επωφελής κυρίως για την παραγωγή διατάξεων που απαιτούν διαδοχικές επιστρώσεις άμορφου και μικροκρυσταλλικού πυριτίου, όπως για παράδειγμα στην παραγωγή Micromorph φωτοβολταϊκών κελιών. Σχήμα 1. 4. Διάγραμμα φάσεων υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου. Ένα από τα κύρια, ωστόσο, προβλήματα που παρουσιάζονται στη χρήση των χωρητικά συζευγμένων πηγών είναι οι ιδιαίτερα χαμηλοί ρυθμοί εναπόθεσης των μικροκρυσταλλικών υλικών. Στους υπάρχοντες βιομηχανικούς αντιδραστήρες, ο ρυθμός εναπόθεσης δεν υπερβαίνει τα 5 Å/sec, γεγονός που καθιστά τη διεργασία χρονοβόρα και κατ επέκταση κοστοβόρα. Για παράδειγμα, στην περίπτωση των φωτοβολταϊκών κελίων, όπου το πάχος της ενδογενούς στιβάδας του μc-si:h είναι [19]

1.8-2 μm, ο χρόνος που απαιτείται για την εναπόθεση μόνο της στιβάδας αυτής είναι περίπου 1h. Η ενίσχυση του ρυθμού εναπόθεσης του μικροκρυσταλλικού πυριτίου έχει υπάρξει αντικείμενο πολλών μελετών τα τελευταία χρόνια. Οι μελέτες αυτές προτείνουν είτε την τροποποίηση της διεργασίας στους ήδη υπάρχοντες αντιδραστήρες χωρητικής σύζευξης, είτε τη χρήση πηγών πλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων. Για την τροποποίηση της διεργασίας στους CCP αντιδραστήρες έχει προταθεί η προσθήκη δισιλανίου στο πρόδρομο μίγμα [29,30], η αύξηση της πίεσης της διεργασίας (HDM) [31], η αλλαγή της συχνότητας διέγερσης από τα 13.56 MHz σε υψηλότερες συχνότητες (VHF) [32,33] και ο συνδυασμός των δύο τελευταίων [34-36]. Οι εναλλακτικές πηγές πλάσματος που έχουν κυρίως προταθεί είναι οι πηγές πλάσματος καθοδικών κοιλοτήτων (Hollow Cathode sources) [37,38], οι πηγές πλάσματος συντονισμού ηλεκτρονιακού κυκλότρου (Electron Cyclotron Resonance) [39-42] και οι επαγωγικά συζευγμένες εκκενώσεις (Inductively Coupled Plasmas) [43-46]. Στην παρούσα εργασία, εξετάζεται η δυνατότητα χρήσης τριών πηγών πλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων ( > 10 10 cm -3 ) για την ενίσχυση του ρυθμού εναπόθεσης υμενίων υδρογονωμένου μικροκρυσταλλικού πυριτίου. Ως πηγές πλάσματος χρησιμοποιούνται δύο πηγές πλάσματος συντονισμού κύματος ηλεκτρονιακού κυκλότρου (Electron Cyclotron Wave Resonance) και μια επαγωγικά συζευγμένη πηγή (ICP). Οι ECWR πηγές αποτελούν μια ιδιαίτερη κατηγορία επαγωγικά συζευγμένων πηγών, οι οποίες, αν και ανήκουν στην κατηγορίας των πηγών υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων, έχουν ελάχιστα μελετηθεί για την εναπόθεση υμενίου υδρογονωμένου πυριτίου. 1.4. Επαγωγικά Συζευγμένες Εκκενώσεις Η γένεση και η συντήρηση των ηλεκτρικών εκκενώσεων σε έναν αντιδραστήρα πλάσματος στηρίζεται στη μεταφορά ενέργειας από ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα στα ελεύθερα ηλεκτρόνια του αερίου και στον πολλαπλασιασμό τους μέσω ιονιστικών συγκρούσεων με τα μόρια/άτομα του αερίου. Όταν ο ρυθμός παραγωγής φορτίων στην εκκένωση είναι ίσος με τις απώλειες αυτών στα τοιχώματα του αντιδραστήρα, αποκαθίσταται αυτοσυντηρούμενη εκκένωση. Στις επαγωγικά συζευγμένες εκκενώσεις, η συντήρηση του πλάσματος πραγματοποιείται μέσω της εφαρμογής εναλλασσόμενης ( συνήθως rf ) τάσης σε [20]

ένα πηνίο. Το πηνίο είτε περιβάλλει τον χώρο ανάπτυξης του πλάσματος (κυλινδρική διαμόρφωση, σχήμα 1.5 a), είτε βρίσκεται τοποθετημένο στην ελεύθερη επιφάνεια του αντιδραστήρα (επίπεδη διαμόρφωση, σχήμα 1.5 b). Και στις δύο περιπτώσεις, το εναλλασσόμενο ρεύμα που διαρρέει το πηνίο δημιουργεί αξονικά του αντιδραστήρα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, Β (t), το οποίο επάγει εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο, Ε (t), ακτινικά του θαλάμου σύμφωνα με το νόμο του Faraday : (1.4) a) b) Σχήμα 1. 5. Τυπικές διατάξεις επαγωγικά συζευγμένων αντιδραστήρων: a) κυλινδρική διαμόρφωση και b) επίπεδη διαμόρφωση. Το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο διεισδύει στο πλάσμα σε μια απόσταση δ από την επιφάνειά του, γνωστή και ως βάθος επιδερμικής διείσδυσης (skin depth), επιτρέποντας τη θέρμανση των ηλεκτρονίων εντός αυτής της περιοχής. Το μήκος του δ καθορίζεται από τη συχνότητα διέγερσης του πλάσματος ω, τη συχνότητα πλάσματος των ηλεκτρονίων ω 1 pe, η οποία εκφράζει την απόκριση των ηλεκτρονίων σε μια ηλεκτρομαγνητική διαταραχή, και τη συχνότητα συγκρούσεων των ηλεκτρονίων με τα μόρια/άτομα της εκκένωσης v m [47,48]. Συνήθως, η τιμή του δ για τις αναμενόμενες πυκνότητες ηλεκτρονίων ( 10 15 10 17 m -3 ) κυμαίνεται μεταξύ 1 και 3 cm [48]. Τα ηλεκτρόνια στην επιδερμική στοιβάδα κερδίζουν ενέργεια μέσω ωμικής και στοχαστικής θέρμανσης. Στην πρώτη περίπτωση, τα ηλεκτρόνια που ταλαντώνονται εντός του εναλλασσόμενου πεδίου κερδίζουν ενέργεια μεταξύ διαδοχικών ελαστικών συγκρούσεών τους με τα μόρια/άτομα του αερίου. Στη δεύτερη περίπτωση, τα 1, όπου n e η πυκνότητα των ηλεκτρονίων, q e και m e το φορτίο και η μάζα του ηλεκτρονίου και ε 0 η διαπερατότητα στο κενό [21]

ηλεκτρόνια συγκρούονται με το διαδιδόμενο ηλεκτρικό πεδίο και μεταφέρονται, μέσω μιας επαγωγικής κίνησης προς τον κύριο όγκο του πλάσματος με τυχαίες ταχύτητες. Οι δύο αυτοί μηχανισμοί συνυπάρχουν στις ICP εκκενώσεις, ωστόσο η πίεση της διεργασίας καθορίζει τον κύριο μηχανισμό θέρμανσης των ηλεκτρονίων. Σε ιδιαίτερα χαμηλή πίεση (<1 mtorr), η στοχαστική θέρμανση των ηλεκτρονίων αναμένεται να υπερτερεί της ωμικής, ενώ το αντίστροφο αναμένεται σε υψηλότερη πίεση. Ενδεικτικά, στο σχήμα 1.5 παρουσιάζεται ο λόγος της συνολικής ενέργειας που κερδίζεται από τα ηλεκτρόνια προς την ενέργεια που κερδίζεται λόγω ωμικής θέρμανσης σε εκκενώσεις Ar συναρτήσει της πίεσης και για διαφορετικές συχνότητες διέγερσης όπως προσδιορίστηκε από τον V. Godyak στην [48]. Σχήμα 1. 6. Συνολική απορρόφηση ενέργειας προς την ενέργεια που κερδίζεται μέσω ωμικής θέρμανσης των ηλεκτρονίων συναρτήσει της πίεσης και της συχνότητας διέγερσης [49]. Τα κύρια πλεονεκτήματα των ICP εκκενώσεων έναντι των CCP εκκενώσεων θεωρούνται : η υψηλότερη πυκνότητα των ηλεκτρονίων η οποία κυμαίνεται μεταξύ 10 10-10 13 cm 3 [49] η αύξηση της ροής των φορτίων προς τις επιφάνειας και η ελάττωση της ενέργειας σύγκρουσής τους με τις επιφάνειες (βομβαρδισμός ιόντων) η δυνατότητα λειτουργίας σε πολύ χαμηλή πίεση η σχετική ευκολία στην κατασκευή, αφού αρκεί η περιέλιξη ενός πηνίου περιμετρικά ενός διηλεκτρικού κυλίνδρου. [22]

1.5. Ηλεκτρικές Εκκενώσεις Συντονισμού Κύματος Ηλεκτρονιακού Κυκλότρου (ECWR) Οι εκκενώσεις συντονισμού κύματος ηλεκτρονιακού κυκλότρου (Electron Cyclotron Wave Resonance) είναι επαγωγικά συζευγμένες εκκενώσεις εντός ασθενούς στατικού μαγνητικού πεδίου (B st < 200 Gauß), ικανές να παράγουν πλάσμα χαμηλής πίεσης και υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων. Ένα τυπικό διάγραμμα των πηγών πλάσματος ECWR παρουσιάζεται στο σχήμα 1.7. Οι ECWR πηγές αποτελούνται από ένα πηνίο μιας σπείρας το οποίο περιβάλλει τον χώρο στον οποίο αναπτύσσεται η εκκένωση και τροφοδοτείται από γεννήτρια ραδιοσυχνότητας. Εξωτερικά του rf πηνίου, πηνία Helmholtz επιτρέπουν την δημιουργία στατικού μαγνητικού πεδίου κάθετα στον άξονα του rf πηνίου. Σχήμα 1. 7. Τυπικό διάγραμμα ECWR πηγών. Ήδη από το 1948, ο Neuret [50] είχε ανακαλύψει την έντονη αύξηση της πυκνότητας των ηλεκτρονίων σε ηλεκτρικές εκκενώσεις εντός ασθενούς στατικού μαγνητικού πεδίου. Το 1966 δόθηκε μια πρώτη ερμηνεία του φαινομένου από τον B. Pfeiffer [51,52] ως ειδική περίπτωση της αλληλεπίδρασης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων με ένα ηλεκτρικά ανισότροπο μέσο όπως το πλάσμα εντός ασθενούς μαγνητικού πεδίου. Σύμφωνα με την ερμηνεία του Pfeiffer, όταν ένα κύμα, το οποίο διαδίδεται παράλληλα με το ασθενές στατικό μαγνητικό πεδίο, προσπίπτει στην επιφάνεια του πλάσματος, μπορεί να διαχωριστεί σε δύο επί μέρους κύματα, ένα δεξιόστροφα και ένα αριστερόστροφα πολωμένο κύμα. Η διάδοση των κυμάτων αυτών στο πλάσμα διαφοροποιείται σημαντικά όπως φαίνεται στο σχήμα 1.8 όπου απεικονίζεται το τετράγωνο του δείκτη διάθλασης συναρτήσει της συχνότητας για τα δύο κύματα. Τόσο για το αριστερόστροφο όσο και για το δεξιόστροφο κύμα εντοπίζεται μια [23]

χαρακτηριστική συχνότητα αποκοπής (ω L και ω R αντίστοιχα) για την οποία ο δείκτης διάθλασης λαμβάνει την τιμή μηδέν. Οι τιμές των συχνοτήτων αποκοπής εξαρτώνται 2 από τη συχνότητα κυκλότρου ηλεκτρονίων, ω ce, που αντιστοιχεί στο εφαρμοζόμενο στατικό μαγνητική πεδίο και από τη συχνότητα πλάσματος των ηλεκτρονίων ω pl. Όταν η συχνότητα λαμβάνει τιμές μικρότερες της ω L, ο δείκτης διάθλασης για το αριστερόστροφο κύμα είναι φανταστικός αριθμός, με αποτέλεσμα το κύμα να μην διαδίδεται στο πλάσμα. Η κατάσταση ωστόσο για το δεξιόστροφο κύμα διαφοροποιείται σημαντικά. Αν και ο δείκτης διάθλασης του δεξιόστροφου κύματος λαμβάνει φανταστικές τιμές για μια περιοχή συχνοτήτων μεταξύ της ω ce και της ω R, όταν η συχνότητα λάβει τιμές μικρότερες της ω ce,, ο δείκτης διάθλασης λαμβάνει τιμές μεγαλύτερες της μονάδας με αποτέλεσμα αυτό να διαδίδεται στο πλάσμα. Σχήμα 1. 8. Δείκτης διάθλασης για το δεξιόστροφο (άνω διάγραμμα) και για το αριστερόστροφο κύμα (κάτω διάγραμμα) [53]. Τα δεξιόστροφα πολωμένα κύματα με συχνότητες μικρότερες της ω ce, τα οποία διαδίδονται στο πλάσμα παράλληλα στο στατικό μαγνητικό πεδίο, καλούνται κύματα ηλεκτρονιακού κυκλότρου (Εlectron Cyclotron Waves). Η αλληλεπίδραση των ECW με τα ηλεκτρόνια του πλάσματος επιτρέπει τη μεταφορά ενέργειας στον κύριο όγκο του πλάσματος με αποτέλεσμα η πυκνότητα των ηλεκτρονίων στις ECWR 2, όπου B st η ένταση του στατικού μαγνητικού πεδίου. [24]

εκκενώσεις να είναι έως και μια τάξη μεγέθους υψηλότερη από τις αμιγώς ICP εκκενώσεις. Η βέλτιστη μεταφοράς ενέργειας από το κύμα στο πλάσμα και κατ επέκταση η αύξηση της πυκνότητας των ηλεκτρονίων, καθορίζεται από την ένταση του εφαρμοζόμενου στατικού μαγνητικού πεδίου. Συγκεκριμένα, η πυκνότητα των ηλεκτρονίων παρουσιάζει φαινόμενα συντονισμού κατά τα οποία αυτή μεγιστοποιείται για διακριτές τιμές του στατικού μαγνητικού πεδίου. Ο Pfeiffer [51] ερμήνευσε τα φαινόμενα του συντονισμού συνδυάζοντας τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της εκκένωσης με το μήκος κύματος και κατέληξε στην εξίσωση συντονισμού για διάκενο πλάσματος: (1.5) όπου d η διάσταση του πλάσματος κατά τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος και k= 0,1,., Σύμφωνα με την παραπάνω εξίσωση, η μεγιστοποίηση της πυκνότητας των ηλεκτρονίων λαμβάνει χώρα όταν η διάσταση του πλάσματος κατά τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος είναι περιττό πολλαπλάσιου του μισού του μήκους. Μάλιστα για το θεμελιώδη συντονισμό (k=0), η πυκνότητα των ηλεκτρονίων μπορεί να υπολογιστεί από την: (1.6) Ο O.Sager [54] επέκτεινε τη θεωρία του Pfeiffer σε πλάσμα ορθογωνικής διατομής. Λαμβάνοντας υπ όψιν τη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων και θεωρώντας ανομοιογενή πυκνότητα ηλεκτρονίων, κατέληξε στην παρακάτω εξίσωση για τη συνθήκη συντονισμού : (1.7) με (1.8) [25]

Όπου : η διάσταση του πλάσματος παράλληλα στη διεύθυνση του κύματος, η διάσταση του πλάσματος κάθετα στη διεύθυνση του κύματος, p 2 μια γεωμετρική παράμετρος η οποία λαμβάνει την τιμή 1.47 όταν η μέση ελεύθερη διαδρομή των ιόντων (λ i ) είναι μεγαλύτερη και από τις δύο διαστάσεις του πλάσματος και την τιμή 2.09 όταν το λ i είναι μικρότερο από τις διαστάσεις του πλάσματος και β res = ω ce /ω rf η αδιάστατη συχνότητα συντονισμού. Για κυλινδρική γεωμετρία ο E. Szuszczewicz [55] πρότεινε την παρακάτω σχέση μεταξύ της διαμέτρου του κυλίνδρου (d) και των και : (1.9) την οποία επιβεβαίωσε με πειραματικές μετρήσεις. Πέραν των θεωρητικών μελετών, η μεταβολή της πυκνότητας των ηλεκτρονίων, κατά την εφαρμογή στατικού μαγνητικού, έχει μελετηθεί πειραματικά στις εργασίες [52, 55-57]. Στο σύνολο των εργασιών η πυκνότητα των ηλεκτρονίων αυξάνει όταν η αδιάστατη συχνότητα β= ω ce /ω rf είναι μεγαλύτερη της μονάδας, ενώ η συχνότητα συντονισμού βρίσκεται μεταξύ 2-4. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι η εμφάνιση του ECWR φαινομένου προϋποθέτει μια ελάχιστη πυκνότητα ηλεκτρονίων στον αντιδραστήρα (ο δείκτη διάθλασης για το ECW εξαρτάται από τη συχνότητα πλάσματος των ηλεκτρονίων, σχήμα 1.8). Έτσι, η αύξηση της πυκνότητας των ηλεκτρονίων μπορεί να πραγματοποιηθεί πειραματικά μέσω δύο οδών : i) έναυση της εκκένωσης απουσία στατικού μαγνητικού πεδίου και σταδιακή αύξηση της έντασης του στατικού μαγνητικού πεδίου και ii) έναυση της εκκένωσης με δεδομένο στατικό μαγνητικό πεδίο και αύξηση της παρεχόμενης στο πλάσμα ισχύος. 1.6. Χημικές και φυσικές διεργασίες στις ηλεκτρικές εκκενώσεις SiH 4 H 2 Όπως αναφέρθηκε στην ενότητα 1.3, η εναπόθεση υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου πραγματοποιείται μέσω ηλεκτρικών εκκενώσεων μιγμάτων σιλανίου υδρογόνου. Στην παρούσα ενότητα παρουσιάζονται οι επί μέρους χημικές και φυσικές διεργασίες που οδηγούν στην παραγωγή τόσο άμορφων όσο και μικροκρυσταλλικών υλικών. Συνοπτικά αυτές αποτυπώνονται στο σχήμα 1.9. και μπορούν να διακριθούν στις διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στην αέρια φάση και αυτές που λαμβάνουν χώρα στη ζώνη ανάπτυξης του υμενίου. [26]

Σχήμα 1. 9. Φυσικές και χημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα κατά την εναπόθεση λεπτών υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου από εκκενώσεις σιλανίου υδρογόνου. Διεργασίες στην αέρια φάση Το πρώτο βήμα για την εναπόθεση υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου είναι η διάσπαση των αερίων του πρόδρομου μίγματος μέσω συγκρούσεών τους με ηλεκτρόνια. Η διάσπαση του σιλανίου οδηγεί στην παραγωγή ριζών SiH x,x<4, μοριακού και ατομικού υδρογόνου σύμφωνα με τις παρακάτω αντιδράσεις [58] : (D.1) (D.2) (D.3) (D.4) Οι ρίζες SiH x διαχεόμενες προς την επιφάνεια του υποστρώματος αποτελούν τους δομικούς λίθους των υμενίων. Οι ρίζες SiH x με x< 3 παρουσιάζουν υψηλή χημική δραστικότητα, με αποτέλεσμα κατά την παραμονή τους στην αέρια φάση να αντιδρούν με τα μη διασπασμένα μόρια του πρόδρομου μίγματος οδηγώντας είτε σε ανώτερα σιλάνια είτε σε λιγότερο [27]

δραστικές ρίζες. Οι πλέον αντιπροσωπευτικές δευτερογενείς αντιδράσεις κατανάλωσης των ριζών είναι οι : (R1) (R2) (R3) (R4) (R5) (R6) Τα προϊόντα των αντιδράσεων (R1-R6) ακολουθούν μια παράλληλη πορεία με τις SiH x, δηλαδή είτε διαχέονται προς το υπόστρωμα συμμετέχοντας στην ανάπτυξη του υμενίου είτε αντιδρούν στην αέρια φάση μετατρεπόμενα σε ανώτερες ρίζες ή ανώτερα σιλάνια κ.ο.κ. [58,59]. Ο ρυθμός των δευτερογενών αντιδράσεων εξαρτάται σημαντικά από την πίεση της διεργασίας με αποτέλεσμα, σε υψηλές πιέσεις, να αποκαθίστανται εκκενώσεις πλουσιότερες σε ρίζες Si n H 2n+1. Ανάλογα με τις συνθήκες της διεργασίας ο πολυμερισμός του σιλανίου μπορεί να οδηγήσει ακόμα και σε σχηματισμό σκόνης στην αέρια φάση. Τα ανιόντα, τα οποία παράγονται στην εκκένωση, παραμένουν στον κύριο όγκο του πλάσματος όπου και αντιδρούν με τις SiH x ρίζες καθώς και το σιλάνιο. Οι αντιδράσεις αυτές θεωρούνται ως ο κύριος μηχανισμός παραγωγής σκόνης στην αέρια φάση [59-60]. Τα κατιόντα που παράγονται κατά τον ιονισμό των αερίων, στην αέρια φάση συμμετέχουν κυρίως σε αντιδράσεις ανταλλαγής φορτίου, ωστόσο, κατευθυνόμενα προς τη ζώνη ανάπτυξης των υμενίων, επιταχύνονται στην περιοχή του περιβλήματος και μεταφέρουν ενέργεια στο υπό διαμόρφωση υμένιο (ion bombardment). Διεργασίες στη ζώνη ανάπτυξης του υμενίου Στη ζώνη ανάπτυξης του υμενίου, οι ρίζες μπορούν: 1. Να χημειοροφηθούν άμεσα 2. Να φυσιοροφηθούν, να διαχυθούν στην επιφάνεια και είτε να προσδεθούν σε ένα ενεργό κέντρο είτε να αντιδράσουν με μια ομάδα του υμενίου και να εκροφηθούν. [28]

3. Να ανακλαστούν πίσω στην αέρια φάση χωρίς να αντιδράσουν Η διαδρομή που θα ακολουθήσει η κάθε ρίζα στην επιφάνεια, εξαρτάται από τη χημική της δραστικότητα. Έτσι οι ισχυρά δραστικές ρίζες SiH x, x<3 αναμένεται να ενσωματώνονται άμεσα στο υμένιο. Η SiH 3, ωστόσο, παρουσιάζει μικρότερη χημική δραστικότητα και θεωρείται ότι ακολουθεί τη δεύτερη διαδρομή με αποτέλεσμα μόνο ένα μέρος των ριζών SiH 3 που φτάνουν στην επιφάνεια να ενσωματώνονται στο υμένιο. Στο σχήμα 1.10 παρουσιάζεται συνοπτικά ο μηχανισμός που προτάθηκε από τους Matsuda et al [61] για τη συμμετοχή της SiH 3 στην εναπόθεση υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου. Σύμφωνα με τον μηχανισμό αυτό, ένα μέρος των ριζών SiH 3 που φτάνει στην επιφάνεια επιστρέφει πίσω (ανακλάται) ενώ το υπόλοιπο διαχέεται στην επιφάνεια. Οι ρίζες που διαχέονται στην επιφάνεια μπορούν να μετατραπούν σε δισιλάνιο αντιδρώντας μεταξύ τους, είτε σε σιλάνιο αποσπώντας άτομα υδρογόνου από το υμένιο, δημιουργώντας παράλληλα νέα ενεργά κέντρα στην επιφάνεια. Στην ανάπτυξη του υμενίου, τελικά, συμμετέχουν μόνο όσες ρίζες καταφέρνουν να φτάσουν στα ενεργά κέντρα της επιφάνειας. Ανάλογη συμπεριφορά με την SiH 3 ακολουθούν και όλες οι ρίζες της οικογένειας Si n H 2n+1 [58]. Σχήμα 1. 10. Μηχανισμός εναπόθεσης υμενίων άμορφου υδρογονωμένου πυριτίου [62]. Ιδιαίτερη σημασία στην εναπόθεση υμενίων μικροκρυσταλλικού πυριτίου έχει η ροή του ατομικού υδρογόνου στην επιφάνεια, καθώς συμβάλλει στην κρυστάλλωση των υλικών. Για τη συμβολή του ατομικού υδρογόνου στην ανάπτυξη υμενίων μικροκρυσταλλικού πυριτίου έχουν προταθεί τρεις διαφορετικοί μηχανισμοί: 1) το μοντέλο της επιφανειακής διάχυσης [63], 2) το μοντέλο εγχάραξης [64] και 3) το μοντέλο χημικής ανόπτησης [65]. [29]

Σύμφωνα με το μοντέλο επιφανειακής διάχυσης (surface diffusion model), σε εκκενώσεις πλούσιες σε ατομικό υδρογόνο, οι μεγάλες ποσότητες Η που φτάνουν στη ζώνη ανάπτυξης του υλικού επιτρέπουν αφ ενός την υδρογόνωση της επιφάνειάς του και αφ ετέρου την αύξηση της θερμοκρασίας του (μέσω εξώθερμων αντιδράσεων του Η με την επιφάνεια). Τα δύο αυτά φαινόμενα ενισχύουν τη διάχυση των ριζών στην επιφάνεια με αποτέλεσμα αυτές να μπορούν να βρουν τις ευνοϊκότερες ενεργειακά θέσεις. Έπειτα από τον σχηματισμό των πρώτων πυρήνων, το υλικό αναπτύσσεται επιταξιακά. Σύμφωνα με το μοντέλο εγχάραξης (etching model), το ατομικό υδρογόνο θεωρείται ότι σπάει του ασθενείς δεσμούς Si-Si απομακρύνοντας το ασθενέστερο άτομο του πυριτίου από το υμένιο. Στη συνέχεια, οι ρίζες που εξακολουθούν να φτάνουν στην επιφάνεια μπορούν να προσδεθούν στις κενές θέσεις στο πλέγμα δίνοντας ισχυρότερους δεσμούς. Το μοντέλο χημικής ανόπτησης (chemical annealing model) χρησιμοποιήθηκε για να ερμηνεύσει την κρυστάλλωση των υλικών όταν μονοστιβάδες άμορφου πυριτίου εναποτίθενται με ενδιάμεση έκθεση σε πλάσμα υδρογόνου (layer by layer). Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, το ατομικό υδρογόνο διαχέεται κάτω από την επιφάνεια του υμενίου μετατρέποντας το άμορφο υλικό σε κρυσταλλικό μέσω μιας εύκαμπτης δομής πλούσιας σε υδρογόνο χωρίς απαραίτητα την απομάκρυνση ατόμων πυριτίου. 1.7. Στόχος της διατριβής και διάρθρωση Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση της δυνατότητας χρήσης πηγών πλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων για την ενίσχυση του ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων μικροκρυσταλλικού πυριτίου κατάλληλων για την ενσωμάτωσή τους σε οπτοηλεκτρονικές διατάξεις. Συγκεκριμένα, η διεργασία εξετάζεται σε δύο πηγές πλάσματος συντονισμού κύματος ηλεκτρονιακού κυκλότρου (ECWR) και σε μια αμιγώς επαγωγικά συζευγμένη πηγή (ICP). Σε κάθε περίπτωση εξετάζεται η επίδραση των παραμέτρων της διεργασίας τόσο στον ρυθμό εναπόθεσης όσο στις φυσικοχημικές ιδιότητες των υλικών, αναζητώντας συνθήκες που εξασφαλίζουν ρυθμούς εναπόθεσης μεγαλύτερους των 5 Å/sec αλλά και υλικά των οποίων οι ιδιότητες πληρούν τις προδιαγραφές για την ενσωμάτωσή τους σε οπτοηλεκτρονικές διατάξεις. [30]

Πιο αναλυτικά, η εργασία χωρίζεται σε 6 κεφάλαια, εκ των οποίων το πρώτο είναι η εισαγωγή. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται το σύστημα εναπόθεσης καθώς και οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν για τον φυσικοχημικό και οπτοηλεκτρονικό χαρακτηρισμό των υμενίων. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που αφορούν στην εναπόθεση υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου από τυπικές ECWR εκκενώσεις σιλανίου - υδρογόνου. Οι παράμετροι της διεργασίας που εξετάζονται είναι η πίεση της διεργασίας, η σύσταση του πρόδρομου μίγματος και η παρεχόμενη στο πλάσμα ισχύς. Ιδιαίτερη έμφαση σε αυτό το στάδιο δίνεται στον ρυθμό εναπόθεσης και την κρυσταλλικότητα των υλικών. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την τροποποίηση της ECWR πηγής. Κατά τη μελέτη της διεργασίας στην τροποποιημένη πηγή, ελήφθησαν υπ όψιν τα κύρια συμπεράσματα που προέκυψαν από τη χρήση της τυπικής πηγής και οι παράμετροι της διεργασίας περιορίζονται στη σύσταση του μίγματος και στην παρεχόμενη στο πλάσμα ισχύ. Επίσης, επιχειρείται μια πρώτη εκτίμηση των πυριτικών ειδών που συμμετέχουν στην ανάπτυξη των υμενίων εξετάζοντας παραμετρικά τις δευτερογενείς αντιδράσεις στην αέρια φάση. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη χρήση της αμιγώς επαγωγικά συζευγμένης πηγής (ICP). Πέραν των παραμέτρων που εξετάσθηκαν στις ECWR πηγές, ιδιαίτερη έμφαση έχει δοθεί στην επίδραση της απόστασης μεταξύ πηγής και υποστρωμάτων τόσο στον ρυθμό εναπόθεσης όσο και στις φυσικοχημικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υλικών. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε μελέτη της σταθερότητας των φυσικοχημικών και οπτοηλεκτρονικών ιδιοτήτων των υμενίων κατά την έκθεσή τους στην ατμόσφαιρα για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο συνοψίζονται τα κύρια συμπεράσματα που προέκυψαν από τη μελέτη της διεργασίας στις τρεις πηγές και διατυπώνονται προτάσεις για μελλοντική ερευνητική δραστηριότητα. [31]

Κεφάλαιο 2 Σύστημα εναπόθεσης και τεχνικές χαρακτηρισμού υμενίων [33]

2.1 Αντιδραστήρας Επαγωγικής Σύζευξης Οι εναποθέσεις λεπτών υμενίων υδρογονωμένου πυριτίου πραγματοποιήθηκαν σε έναν αντιδραστήρα υψηλού κενού (σχήμα 2.1) ο οποίος σχεδιάστηκε και εγκαταστάθηκε από τα μέλη του Εργαστηρίου Τεχνολογίας Πλάσματος την περίοδο 2007-2008. H2 line Dc line Rf line (13.56 MHz) Matching network Quartz liner Rf coil Helmholtz coil SiH4 line grid SiH4 line? Turbomolecular pump Rotary pump Roots pump Σχήμα 2. 1. ICP αντιδραστήρας. Ο αντιδραστήρας περιλαμβάνει τρεις επιμέρους θαλάμους από ανοξείδωτο χάλυβα: τον κύριο θάλαμο διαμέτρου 30 cm και ύψους 30cm στον οποίο λαμβάνει χώρα η εναπόθεση, τον θάλαμο της πηγής και έναν βοηθητικό θάλαμο ο οποίος συνδέει τον κύριο θάλαμο με το σύστημα άντλησης. Ο κύριος θάλαμος συνδέεται με τον θάλαμο της πηγής μέσω ενός πτυσσόμενου κυλίνδρου ο οποίος, με τη βοήθεια τριών κοχλιών, επιτρέπει τη μεταβολή της απόστασης μεταξύ της πηγής και της βάσης στήριξης των υποστρωμάτων. Η βάση στήριξης των υποστρωμάτων έχει διάμετρο 15 cm και είναι πακτωμένη στον κύριο θάλαμο. Στην περιφέρεια του κύριου θαλάμου, βρίσκονται ένα παράθυρο ορθογωνικής διατομής για την οπτική [35]

παρατήρηση της εκκένωσης και μια θύρα για την εισαγωγή των υποστρωμάτων στο θάλαμο (σχήμα 2.2). Σχήμα 2. 2. Απεικόνιση του αντιδραστήρα κατά τη λειτουργία του. Ως ICP πηγή, χρησιμοποιείται μια πηγή Copra DN250 της εταιρείας CCR Technology (σχημα 2.3 a). Η συγκεκριμένη πηγή είναι μια πηγή πλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων αφού, βάσει τον κατασκευαστή, η πυκνότητα των ηλεκτρονίων λαμβάνει τιμές μεγαλύτερες του 10 12 /cm 3 και λειτουργεί επαγωγικά σε ένα μεγάλο εύρος τιμών πίεσης (5x10-5 mbar-0.1 mbar) [66]. Η πηγή αποτελείται από ένα υδρόψυκτο χάλκινο πηνίο μιας σπείρας, διαμέτρου 15 cm και ύψους 7.5 cm το οποίο βρίσκεται τοποθετημένο εσωτερικά του κυλινδρικού της θαλάμου. Εσωτερικά του πηνίου είναι δυνατή η προσαρμογή ενός χαλαζιακού κυλίνδρου ο οποίος λειτουργεί ως διηλεκτρικό και διαχωρίζει τον χώρο της εκκένωσης από το πηνίο. Στην ελεύθερη επιφάνεια του θαλάμου, είναι δυνατή η προσαρμογή ενός πλέγματος το οποίο υποβοηθά την ομοιόμορφη ροή των αερίων από τον χώρο της πηγής προς τον κύριο θάλαμο της εναπόθεσης. Εξωτερικά του θαλάμου και περιμετρικά του χάλκινου πηνίου, είναι τοποθετημένα πηνία Helmholtz (σχήμα 2.3 b) τα οποία δημιουργούν ασθενές στατικό μαγνητικό πεδίο επιτρέποντας στην πηγή να λειτουργεί ως πηγή πλάσματος συντονισμού ηλεκτρονιακού κυκλότρου (ECWR). [36]

a) b) Σχήμα 2. 3. Πηγή Copra. Ο αντιδραστήρας περιλαμβάνει επίσης τέσσερα περιφερειακά συστήματα τα οποία είναι: το σύστημα ηλεκτρικής τροφοδοσίας της πηγής, το σύστημα τροφοδοσίας των αερίων, το σύστημα κενού και ρύθμισης πίεσης και το σύστημα θέρμανσης των υποστρωμάτων. Το σύστημα ηλεκτρικής τροφοδοσίας του αντιδραστήρα διαχωρίζεται στο σύστημα τροφοδοσίας ραδιοσυχνότητας του χάλκινου πηνίου και στο σύστημα τροφοδοσίας των πηνίων Helmholtz. Για την τροφοδοσία του χάλκινου πηνίου χρησιμοποιήθηκε γεννήτρια ραδιοσυχνότητας (13.56 MHz) με εύρος ισχύος 0 2000 W. Η ζεύξη της γεννήτριας με την πηγή πραγματοποιείται μέσω ενός προσαρμοστή εμπέδησης, ο οποίος κατασκευάστηκε από την CCR Technology και είναι τοποθετημένος πάνω από τον θάλαμο της πηγής (σχήμα 2.3.b). Ο προσαρμοστής εμπέδησης είναι κατάλληλα κατασκευασμένος ώστε να επιτρέπει τη βέλτιστη μεταφορά ενέργειας τόσο όταν η πηγή λειτουργεί ως συμβατική ICP πηγή όσο και παρουσία στατικού μαγνητικού πεδίου. Τα πηνία Helmholtz τροφοδοτούνται από γεννήτρια συνεχούς ρεύματος. Η ένταση του στατικού μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό της πηγής μεταβάλλεται γραμμικά με την εφαρμοζόμενη τάση στα πηνία όπως φαίνεται στο σχήμα 2.4. [37]

B st (Gauss) 30 25 20 15 10 5 B st = 1.7867*V - 0.643 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Voltage (V) Σχήμα 2. 4. Ένταση στατικού μαγνητικού πεδίου συναρτήσει της τάσης. Το σύστημα τροφοδοσίας αερίων του αντιδραστήρα ικανοποιεί την παροχή τριών αερίων: 1) του σιλανίου που χρησιμοποιείται ως πρόδρομο αέριο για τη διεργασία εναπόθεσης, 2) του υδρογόνου που είναι απαραίτητο για τη διεργασία και χρησιμοποιείται για την αραίωση του σιλανίου σε διάφορες αναλογίες και 3) του αργού που χρησιμοποιείται είτε για το καθαρισμό της γραμμής παροχής (purge) του σιλανίου, είτε για την αραίωση των υπόλοιπων αερίων. Η διάταξη των γραμμών έχει σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να προβλέπει την παρουσία τριών bypass για λόγους ασφαλείας: δύο στη γραμμή του σιλανίου και ένα στη γραμμή του υδρογόνου. Ο έλεγχος των παροχών των αερίων πραγματοποιείται από τρία ροόμετρα μάζας και μια συστάδα βαλβίδων. Οι βαλβίδες που χρησιμοποιούνται στις γραμμές τροφοδοσίας είναι ηλεκτροπνευματικές, πλην των βαλβίδων που χρησιμοποιούνται στη γραμμή του σιλανίου. Η γραμμή του σιλανίου αφού περάσει από ένα φίλτρο καθαρισμού διακλαδίζεται και το αέριο εισέρχεται στον αντιδραστήρα στον χώρο μεταξύ της πηγής και της βάσης στήριξης των υποστρωμάτων. Το υδρογόνο εισέρχεται από την κορυφή του αντιδραστήρα στο κέντρο της πηγής. Το σύστημα άντλησης του αντιδραστήρα αποτελείται από τρεις αντλίες: μια περιστροφική, μια roots και μια τουρμπομοριακή, οι οποίες είναι συνδεδεμένες σε σειρά και λειτουργούν ταυτόχρονα. Η υψηλή αντλητική ικανότητα του παραπάνω συστήματος επιτρέπει τη χρήση του όχι μόνο για την επίτευξη υψηλού κενού (<10-7 mbar) πριν την εναπόθεση, αλλά και κατά τη διάρκεια αυτής. Τέλος, μια βαλβίδα [38]

πύλης (gate valve), η οποία παρεμβάλλεται μεταξύ της τουρμποριακής αντλίας και του βοηθητικού θαλάμου, δίνει τη δυνατότητα ελέγχου της πίεσης της διεργασίας ανεξάρτητα από τις παροχές των αερίων. Στο σχήμα 2.5 παρουσιάζεται το διάγραμμα ροής του αντιδραστήρα το οποίο περιλαμβάνει τόσο το σύστημα άντλησης όσο και το σύστημα τροφοδοσίας των αερίων. P-5 P-7 V-4 P-1 P-2 P-6 P-4 P-7 P-8 Ar valve H2 plasma V-3 I-2 H2 bottle P-21 P-22 P-12 P-13 P-14 Turbomolecular Roots Rotary P-30 SiH4 side2 E-1 SiH4 side1 P-28 P-12 P-11 P-15 P-14 P-27 V-12 Purifier P-17 P-17 P-29 P-26 P-26 V-11 V-8 P-24 P-24 P-25 SIH4 reactor V-10 SiH4 bottle P-11 P-11 P-19 P-18 P-16 P-18 P-20 V-9 I-3 Ar bottle Σχήμα 2. 5. Διάγραμμα ροής του συστήματος εναπόθεσης [67]. Το σύστημα θέρμανσης των υποστρωμάτων, το οποίο κατασκευάστηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, εφάπτεται στη βάση στήριξης των υποστρωμάτων εξωτερικά του θαλάμου. Το σύστημα περιλαμβάνει μια ηλεκτρική αντίσταση η οποία τροφοδοτείται μέσω ενός ροοστάτη με a.c. ρεύμα και ένα θερμοζεύγος το οποίο καταγράφει τη θερμοκρασία. Επειδή η θερμοκρασία καταγράφεται εξωτερικά του θαλάμου, πραγματοποιήθηκε βαθμονόμηση του συστήματος ώστε οι μετρούμενες θερμοκρασίες να αντιστοιχηθούν στις πραγματικές τιμές στην επιφάνεια υποστρώματος γυαλιού πάχους 3 mm. Στο σχήμα 2.6 παρουσιάζεται ενδεικτικά η τιμή της θερμοκρασίας στο σημείο μέτρησής της και στην επιφάνεια του γυαλιού [39]