https://doi.org/10.15407/iopt.2021.56.097

Optoelectron. Semicond. Tech. 56, 97-107 (2021)

M. S. Zayats, V. G. Boyko, B. M. Romanyuk, P. M. Lytvyn

LOW-TEMPERATURE ION-PLASMA DEPOSITION TECHNOLOGY OF NANOSTRUCTURED FILMS OF ALUMINUM AND BORON NITRIDES

A low-temperature (substrate heating temperature up to 400 °C) ion-plasma technology for the formation of nanostructured AlN and BN films by the method of high-frequency reactive magnetron sputtering of the corresponding targets has been developed (the modernized installation "Cathode-1M"), which has in its technological cycle the means of physical and chemical modification, which allow to purposefully control the phase composition, surface morphology, size and texture of nanocrystalline films.

The possibility of using the method of high-frequency magnetron sputtering for deposition of transparent hexagonal BN films in the nanoscale state on quartz and silicon substrates is shown.

Atomic force microscopy (AFM) has shown that AlN films can have an amorphous or polycrystalline surface with grain sizes of approximately 20-100 nm, with the height of the nanoparticles varying from 3 to 10 nm and the degree of surface roughness from 1 to 10 nm. It was found that the dielectric penetration of polycrystalline AlN films decreases from 10 to 3.5 at increased frequencies from 25 Hz to 1 MHz, and the peak tangent of the dielectric loss angle reaches 0.2 at 10 kHz. Such features indicate the existence of spontaneous polarization of dipoles in the obtained AlN films. Interest in dielectric properties in AlN / Si structures it is also due to the fact that there are point defects, such as nitrogen vacancies and silicon atoms, which diffuse from the silicon substrate during synthesis and play an important role in the dielectric properties of AlN during the formation of dipoles.

The technology makes it possible, in a single technological cycle, to produce multilayer structures modified for specific functional tasks with specified characteristics necessary for the manufacture of modern electronics, optoelectronics and sensorics devices. It should also be noted that the technology of magnetron sputtering (installation "Cathode-1M") is highly productive, energetically efficient and environmentally friendly in comparison with other known technologies for creating semiconductor structures and allows them to be obtained with minimal changes in the technological cycle.

Keywords: high-frequency reactive magnetron sputtering, installation "Cathode-1M", films of aluminum nitride and boron nitride, structural, morphological, optical and electrophysical properties of hexagonal AlN and BN films.

PDF

М. С. Заяць, В. Г. Бойко, Б. М. Романюк, П. М. Литвин

НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНА ІОННО-ПЛАЗМОВА ТЕХНОЛОГІЯ ОСАДЖЕННЯ НАНОСТРУКТУРОВАНИХ ПЛІВОК НІТРИДУ АЛЮМІНІЮ ТА БОРУ

Розроблена низькотемпературна (температура нагріву підкладки до 400°С) іонно-плазмова технологія формування наноструктурованих плівок AlN та BN методом високочастотного реактивного магнетронного розпилення відповідних мішеней (модернізована установка «Катод-1М»), що має в своєму технологічному циклі засоби фізичної та хімічної модифікації, які дозволяють цілеспрямовано керувати фазовим складом, морфологією поверхні, розміром та текстурою нанокристалічних плівок.

Показана можливість використання методу високочастотного магнетронного розпилення для осадження на кварцових і кремнієвих підкладках прозорих плівок гексагонального BN в нанорозмірному стані.

Методом атомно-силової мікроскопії (АСМ) показано, що плівки AlN можуть мати аморфну або полікристалічну поверхню з розмірами зерен приблизно 20 – 100 нм, при цьому висота нановиступів змінюється від 3 до 10 нм, а ступінь шорсткості поверхні- від 1 до 10 нм. Встановлено, що діелектрична проникність полікристалічних плівок AlN зменшується від 10 до 3,5 при збільшенні частоти електромагнітного поля від 25 Гц до 1 МГц, пік тангенса кута діелектричних втрат досягає 0,2 при 10 кГц. Такі особливості вказують на факт існування спонтанної поляризації диполів в отриманих плівках AlN. Інтерес до діелектричних властивостей в структурах AlN / Si обумовлений ще й тим, що існують точкові дефекти, такі як вакансії азоту і атоми кремнію, які дифундують з кремнієвої підкладки при синтезі і відіграють важливу роль в діелектричних властивостях AlN при формуванні диполів.

Технологія дозволяє в єдиному технологічному циклі випускати багатошарові структури, що модифіковані під певні функціональні задачі із заданими характеристиками, необхідними для виготовлення пристроїв сучасної електроніки, оптоелектроніки та сенсорики. Слід також зауважити, що технологія магнетронного розпилення (установка «Катод-1М») є високопродуктивною, енергетично ефективною та екологічно чистою у порівнянні з іншими відомими технологіями створення напівпровідникових структур та дозволяє їх отримання з мінімальними змінами у технологічному циклі.

Ключові слова : високочастотне реактивне магнетронне розпилення, установка «Катод-1М», плівки нітриду алюмінію та нітриду бора, структурно морфологічні, оптичні та електрофізичні властивості гексагональних плівок AlN та BN.

Back / Повернутися