Исследование термодинамических свойств и закономерностей формирования структуры некристаллических полупроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГБ ОД

/ Н кюп 1923

На правах рукописи

БОДЯГИН НИКОЛАЙ ВИКТОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ НЕКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА, 1998 г.

Работа выполнена в Московском институте электронной техники (техническом университете).

Научные консультанты: доктор физико-математических наук профессор, чл.-корр. Академии технологических наук России доктор физико-математических наук профессор

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация - Московский энергетический институт.

Защита состоится "_"_ 1998 г. на заседании диссертационного

совета Д.053.02.02. в Московском институте электронной техники (ТУ) по адресу: 103498, Москва, Зеленоград, МИЭТ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ (ТУ).

Автореферат разослан * " ^оАг-тг. 1998 г.

Айвазов АА Вихров С.П.

Селищев С.В. Закурдаев И. В. Трусов Л.И.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Волков В .А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ч ■

Актуальность работы. За последние годы некристаллические полупроводники, благодаря своим уникальным свойствам, стали базой многих устройств и приборов. Наиболее важным и перспективным среди них является аморфный гидрогенизированный кремний (a-Si:H). Объем производства приборов на его основе, среди которых: электрофотографические слои, солнечные элементы, матрицы тонкопленочных транзисторов, значительно превышает производство других материалов этого класса. Однако, для разработки новых устройств на основе a-Si:H и других неупорядоченных полупроводников: атомных сверхрешеток, многослойных гетероструктур, необходимо решение ряда проблем технологий, среди которых наиболее важными являются:

- аномально высокая чувствительность структуры, и как следствие свойств материала, к технологическим условиям. Это, с одной стороны, приводит к слабой воспроизводимости характеристик получаемых слоев, а с другой стороны, делает невозможным определение собственных свойств a-Si:H;

- метастабильность структуры и характеристик a-Si:H, которая ограничивает возможности эксплуатации приборов на его основе, вызывает серьезные проблемы при использовании таких методов как диффузия, высокотемпературный отжиг дефектов, определяет чувствительность материала к внешним воздействиям;

- несовершенны алгоритмы оптимизации технологических режимов: нахождение оптимальной области в пространстве технологических параметров часто осуществляется путем простого перебора всех возможных вариантов режима, т.е. является следствием случайного эксперимента.

Эти проблемы связаны между собой и обусловлены тем, что до сих пор остаются не ясны закономерности формирования и последующей эволюции структуры a-S¡:H. Это выражается в отсутствии способов описания взаимосвязи между структурой, физико-химическими свойствами материалов и условиями т роста. Прежде всего, это относится к различным структурным неоднородностям, которые присутствуют даже в пленках "приборного" качества, и оказывают решающее влияние на стабильность их характеристик. Следует отметить, что аналогичная ситуация характерна для многих некристаллических материалов.

Сложность положения усугубляется тем, что возможности существуют подходов к анализу свойств неупорядоченных полупроводников, основные пол жения которых опираются на представления о гомогенной, случайной структуре решающей роли ближнего и среднего порядков в формировании физическ свойств материалов, весьма ограничены, а ряд проблем фундаментального > рактера до сих пор не решен. Это требует построения новых моделей аморфн структуры. Одним из возможных направлений является использование идей те рии нелинейных процессов. Это связано с тем, что вещество, находящееся процессе формирования твердотельной структуры, имеет свойства характера для неравновесных, самоорганизующихся систем. Такой подход открывает нов! возможности в моделировании структуры аморфных материалов, процессов роста и управления ими.

Проблемы воспроизводимого получения материалов с однородной струет рой важны и для технологий кристаллов. В частности, разнообразные струкгу ные неоднородности возникают во многих кристаллических материалах. 01 влияют на структурно-чувствительные свойства, кинетику фазовых и структура превращений, диффузионные процессы и часто ухудшают практически важш характеристики материалов.

Таким образом, указанные проблемы, обладают большой общностью обусловливают необходимость развития представлений о закономерностях фс мирования структуры некристаллических полупроводников, и особенно струкгу ных неоднородностей. Конечным итогом должна стать разработка технолога позволяющих эффективно управлять ростом материалов с заданной структуре а также программировать синтез новых материалов с уникальными свойствами

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование закон мерностей формирования структуры и термодинамических свойств некристалг ческих полупроводников и разработка принципов построения технологическ систем для воспроизводимого выращивания материалов с заданными свойсте ми.

Поставленная цель вызывала необходимость решения следующих задач:

- исследовать: структуру, термодинамические, электрофизические, оптические свойства пленок a-Si:H и их зависимость от технологических факторов, термообработок, примесей;

- рассмотреть процесс роста пленок a-Sí:H с термодинамических позиций и определить закономерности формирования структуры неупорядоченных материалов;

- разработать: методологический подход к изучению структурных особенностей некристаллических полупроводников, способы определения инвариантных характеристик динамики формирования их структуры и идентификации в ней порядка;

- выявить причины неудовлетворительной воспроизводимости структуры и свойств некристаллических полупроводников, разработать инвариантные относительно различных технологий критерии воспроизводимости и определить способы ее улучшения;

- определить принципы моделирования структуры некристаллических материалов и эффективного управления процессами ее формирования.

Научная новизна.

Совокупность результатов исследований, приведенных в диссертационной работе, может быть представлена как новое перспективное направление: порядок в структуре неупорядоченных и кристаллических полупроводников с точки зрения теории сложных нелинейных систем

Научная новизна состоит в следующем:

- исследованы термодинамические характеристики a-Si:H и влияние на них технологических параметров, примесей кислорода и азота, термообработок, обработок потоком ионов;

- впервые, методом дифференциального термического анализа (ДТА), обнаружена низкотемпературная (до 400°С) экзотермическая релаксация в аморфном кремнии (a-Si),получаемом распылением;

- обнаружены структурные особенности в a-Si:H в виде правильных спиралей, окружностей с характерными размерами до 100 мкм;

- технологии получения твердотельных материалов рассмотрены с позиц| теории самоорганизации и системного анализа на примере процесса роста a-S¡ в тлеющем разряде. Предложена модель роста a-Si:H в тлеющем разряде, рамках которой показано, что в процессе синтеза возможно возникновение ра личных, в том числе и периодических режимов;

- экспериментально доказано, что структура поверхности a-Si:H и некоторк других материалов представляет собой "замороженный" динамический хаос;

- теоретически доказано, что системы, у которых пространственная стр> тура может быть описана как "замороженный" динамический хаос, были сформ рованы на стадии пространственно-временного хаоса;

- установлена взаимосвязь между характеристикам структуры материалов инвариантными параметрами динамики ее формирования;

- впервые предложена модель роста, которая для одного вещества одн временно описывает структуры с различной степенью упорядочения: кристал аморфное состояние, различные структурные особенности аморфной матрицы.

- с позиций нелинейной динамики исследована природа невоспроизвод мости структуры материалов. Разработаны динамические критерии воспроизв димости и предложены способы их экспериментального определения;

- на примере a-Sí:H и a-Si доказано, что при условии равенства средн эффективных энергий, энтропия аморфного состояния меньше энтропии кр сталлического Si. На основании этого результата рассмотрены особенности эв люции структуры неупорядоченных материалов;

- разработана методология построения систем для воспроизводимого bi ращивания материалов с заданной структурой, основанная на принципе соотве ствия управляющих параметров внутренним свойствам вещества.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- выявлено влияние технологических факторов: температуры подпож» мощности разряда, давления в камере, отжига, добавления примесей N2 и N; на стабильность свойств a-Si:H. С этих позиций определены оптимальные те нологические режимы, которые используются при получении элементов памят спектрально-чувствительных датчиков света на основе a-Si:H;

- разработаны, изготовлены и испытаны однократногтрограммируемые элементы памяти на основе a-S¡:H (А.с.№ 1664085).

- разработаны способы идентификации порядка в струхтуре поверхности аморфных и кристаллических материалов;

- разработаны способы определения динамики роста материалов in situ и по характеристикам сформированной структуры;

- разработаны инвариантные критерии воспроизводимости, позволяющие оценивать влияние на воспроизводимость различных факторов и определять способы ее улучшения. Предложены способы экспериментального определения степени воспроизводимости;

- разработаны принципы построения технологических систем для воспроизводимого выращивания материалов с заданными свойствами, основанные на соответствии управляющих параметров технологического процесса динамике процессов формирования структуры.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Релаксационные процессы в a-S¡:H, проявляющиеся в экзотермических пиках в спектре ДТА, неравновесными эффектами на кривых температурной зависимости темновой и фотопроводимости, определяются структурно-химической неоднородностью материала.

2. Релаксационные процессы в a-Si:H до 200°С обусловлены взаимодействием молекулярного водорода со слабыми Si-Si связями.

3. Структурные неоднородности в a-Si: H, аномальная зависимость термодинамических и электрофизических характеристик, в том числе и параметров ВАХ слоев a-Si:H в сильных электрических полях, от технологических факторов, примесей, неудовлетворительная воспроизводимость характеристик материала обусловлены неустойчивым характером процессов роста, определяемым хаотической динамикой.

4. Структура поверхности a-Si:H и некоторых других материалов представляет собой "замороженный" динамический хаос.

5. Тип и инварианты динамики процессов роста некоторых материалов могут быть определены по структуре их поверхности или объема.

6. Системы, для которых пространственное распределение может быт описано как "замороженный" динамический хаос, были сформированы на стгди пространственно-временного хаоса.

7. Энтропия аморфного кремния меньше энтропии кристаллического пр условии равенства средних эффективных энергий.

8. Принципы построения технологических систем для воспроизводимог выращивания материалов с заданными свойствами, основанные на соответстви управляющих воздействий внутренним динамическим процессам формировани структуры.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международны конференциях: по аморфным и жидким полупроводникам (Эйшвилл, США, 1989 международного исследовательского общества материалов (Сан-Францискс США, 1996,1997,1998), по аморфным полупроводникам (Гармиш-Партенкирхеь ФРГ, 1991), по теории и технологии материалов на основе кремния (Сан-Диегс США, 1998), "Некристаллические полупроводники-90" (Ужгород, 1989), по эле| тротехническим материалам и компонентам (Алушта, 1995), "Критерии самоо? ганизации в физических, химических и биологических системах" (Суздаш 1995), "Математика, компьютер, образование" (Дубна, 1996, 1997), "Тонкие пле^ ки в электронике" (Харьков, 1997), на Всесоюзном научно-техническом совещани "Пути совершенствования технологии полупроводниковых и диэлектрических м< териалов" (Одесса, 1988), IV и V Всесоюзных конференциях "Термодинамика материаловедение полупроводников (Москва, 1989, 1997), III Всесоюзной конф< ренции по физике и технологии тонких полупроводниковых пленок (Иване Франковск, 1990), конференции "Тонкие пленки в производстве полупроводник« вых приборов и интегральных схем" (Махачкала, 1990), 111 Всесоюзной конф< ренции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых npi боров" (Кишинев, 1991), Всероссийской научно-технической конференци "Электроника и информатика-95" (Москва, 1995), научно-практической конфера ции "Человек, экология, здоровье" (Рязань, 1997), 1-ой Всесоюзной конференци "Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов технологии микроэле

троники" ( Ленинград, 1989), на школе передового опыта ВДНХ СССР "Применение халькогенидных стеклообразных полупроводников в электрофотографии" (Москва, 1988), на научных семинарах: Института общей и неорганической химии им.Курнакова Н.С. РАН "Средний порядок, кластеры, самоорганизация" (Москва, 1989), РГРТА (1997), МЭИ (1997), МИЭТ (1997), Института прикладной математики им. Л.М.Келдыша РАН (1997).

Публикации.

По материалам, изложенным в диссертации опубликовано 58 печатных работ, в том числе: 28 статей в международных и российских академических журналах и сборниках, 29 докладов и тезисов докладов опубликованных, в трудах международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций, 1 свидетельство на изобретение.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по диссертации, списка литературы из 216 наименований. Работа содержит 209 страниц машинописного техста, 64 рисунков, 16 таблиц.

Содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы, рассматриваются новизна и практическая ценность полученных результатов, излагаются положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Структурные особенности пленок a-Si и á-S¡:H" дан обзор известных данных и приведены результаты экспериментов и по исследованию структурно-химической неоднородности пленок a-Si:H и сплавов на его основе в зависимости от условий их получения и легирования, исследована модель роста a-Si:H в тлеющем разряде.

В п.1.2 представлены результаты экспериментального исследования структуры плгнох a-Si:H в зависимости от условий получения, получённыё с помощью оптической, просвечивающей (ПЭМ), растровой (РЭМ) электронной

микроскопии. Обнаружено, что условия осаждения не оказывают видимого вли! ния на структуру пленок в масштабе до 10 нм. Однако,на масштабах 10-100 н структура оказывается чувствительной к условиям роста.

Впервые обнаружены совершенные геометрические фигуры отслоени пленок a-Si:H от подложек различных типов в виде спиралей, дендридов, окру» ностей, а также образование пузырьковой структуры в a-Si:H и ее самоорганиз; ция в виде чередующихся колец. Приводятся результаты исследования методо комбинационного рассеяния света (КРС) локальных областей структуры, соо-ветствующих различным неоднородностям. Механизм их возникновения связь вается с эффектом снятия напряжений, возникающих между пленкой и подло> кой.

С целью определения областей технологических параметров, где возможь формирование структурно-химической неоднородности, в п.1.3 методами теору дифференциальных уравнений проведен анализ устойчивости модели роста ; Si:H в тлеющем разряде, описываемой квазихимической схемой:

К, К2

Y + A-*X + B,, X + A->X + Z + B2,

К3 «4 Ks

X + В -» Y + Z, Z + В Y, 2Y X + Bs, (1)

Ke K7

2X P, X + Y Q

где A - концентрация Si-H связей в плазме в пределах реакционного объема, о раниченного верхним споем атомов, встроенных в пленку, и непосредственно ними взаимодействующих радикалов плазмы, Х- концентрация Si-Si связей в р< акционном объеме, Y - концентрация Si-H связей в пленке в пределах реакцио» ного объема, концентрация оборванных связей в реакционном объеме, Bj - ко) центрация водорода, выделяющегося в i-ой реакции, В - общая концентрация н< связанного водорода в плазме, К, - К7 - константы скоростей реакций, Р и Q концентрации полностью сформированных узлов, удаляющихся из зоны реакци! Система (1) построена на основе известных результатов экспериментальных и< следований механизмов роста a-Si:H.

При некоторых значениях К-, - К7 в системе (1) могут возникать неустойчивые режимы. Их аттракторами являются предельные циклы (рис.1), которым соответствуют колебания X, У, Ъ в реакционном объеме (рис.2). Вероятность воз: никновения неустойчивых режимов возрастает в области низких температур подложки и высоких мощностей разряда.

У

15"

10-5 ---.—

5 10 15х

Рис.1. Аттрактор системы (1) в фазовой плоскости х-у - предельный цикл.

х, у, 10

Рис.2. Зависимости х, у, г/10 от времени.

На основании проведенных исследований в совокупности с известными экспериментальными данными о структуре а-вг.Н сделан вывод о том, что неоднородности присутствуют во всех пленках а-БШ, в том числе и в пленках приборного качества, и являются собственным свойством материала. Отмечается, что зависимость структуры а-ЭШ, концентрации и форм вхождения водорода от технологических параметров, типа и уровня легирующих примесей, носит аномальный характер - незначительные изменения условий роста приводят к резкому изменению структуры и свойств материала. Неудовлетворительная воспро-

изводимость характеристик пленок от процесса к процессу тоже проявление это го эффекта. Исходя из этого, сделан вывод о необходимости привлечения новы подходов к изучению процессов формирования структуры неупорядоченных по лупроводников. Одним на них может быть теория открытых нелинейных систе? и термодинамика неравновесных процессов.

Важным условием термодинамического рассмотрения является наличу информации о фундаментальных термодинамических (ТД) свойствах материал; Однако, к началу настоящей работы, такие данные для a-Si: H практически отсу ствовали. Поэтому, было необходимо: во-первых, изучить термодинамическк свойства методом ДТА или ДСК, во-вторых, с привлечением других экспер! ментальных методов (КРС, проводимость, инфракрасная (ИК) - спектроскопи: рассеяние протонов и др.) исследовать природу релаксационных процессов в < Si:H.

Во второй главе "Термодинамические, электрофизические и оптически свойства аморфного и аморфного гидрогенизированного кремния" приводите описание методики и техники эксперимента, результаты исследования ТД, эле» трофизических и оптических характеристик аморфного и аморфного гидрогеж зированного кремния.

В п. 2.1 описана технологическая установка для выращивания a-S¡:H. Сло а-Si.H получали методом тлеющего разряда из смеси 10%S¡H4 + 90%Н2, пр расходе смеси 100 см3/мин, при температуре подложки (Т„), изменяющейся с 25°С до 340°С, мощности разряда (W), изменяющейся от 0,1 Вт/см2 до О, Вт/см2 давлении в камере (Р), изменяющемся от 30 Па до 70 Па.

Для исследования термодинамических характеристик использовался мете ДТА. Спектры ДТА снимали на микрокаллориметре "Du Pont"' при скорости н грева 10°С/мин в атмосфере Аг. В спектре обнаружены экзотермические пики теплотами Q1 и Q2, рассчитанными на интервалах температур от 75°С 225°С от 225°С до 575°С соответственно, и температурами максимумов Т-, и Т2. Спе тры ДТА кристаллического кремния (к-Si), a-Si, a-Si:H показаны на рис.3.

экзо

эндо

100 200 300 400 500 Т°С

Рис.3. Спектры ДТА к-Si, a-S¡, a-S¡:H.

В диапазоне от -140°С до 70°С не обнаружено отклонений от хода теплоемкости характерного для к-Si.

Для оценки влияния на результаты, получаемые методом ДТА, реакции взаимодействия водорода с кислородом, агломерации порошка образца, неконтролируемых примесей азота и кислорода, взаимодействия образца с материалом измерительной ячейки, проведены дополнительные эксперименты. Их результаты:

- спектр ДТА a-Si качественно подобен спектру a-Si:H до 420°С. В нем впервые обнаружена низкотемпературная релаксация, сопровождающаяся выделением тепла;

- спектр ДТА к-Si той же дисперсности что a-Si:H и a-Si совпадает со спектром ДТА к-Si в виде пластины. В нем не обнаружено тепловых эффектов в исследованном диапазоне температур;

- примеси азота и кислорода эффективно воздействуют на ТД характеристики а-Si:H. Например, для образцов, полученных при Т„=260°С, W=0,4 Вт/см2, Р=50 Па, добавление N20/SiH4=4% уменьшает величину Q, от 0,34 кДж/моль до 0,06 кДж/моль, Q2 от 2,44 кДж/моль до 1,71 кДж/моль. При этом влияние примесей существенно зависит от температуры подложки. Так при Тл = 25°С величины Qi и Q2 увеличиваются, а форма спектра существенно изменяется. При этом, в ИК-спектрах a-Si:H при легировании азотом и кислородом обнаружены широкие по-

лосы поглощения,соответствующие связям N и О с кремнием. Интенсивность v форма полос существенно зависит от температуры подлодки;

- содержание Al в пленках a-Sí:H, определенное методом лазерной атомно-флуоресцентной спектроскопии, не зависит от мощности разряда, и остается нг уровне 1015-101ват/см3;

- спектр ДТА a-Si:H, полученный при сканировании в воздушной атмосфе ре, совпадает со спектром скорости эффузии водорода из материала и сущест венно отличается от спектра, полученного в среде Аг.

Эти данные свидетельствуют о том, что спектр ДТА, изображенный нг рис.3, отражает внутренние эволюционные процессы в a-Si:H.

Зависимость ТД данных от технологических параметров Т„, W, Р приведена в таблице 1.

Из зависимостей температур максимумов пиков Q, и Q2 от скорости скани рования определены энергии активации процессов, ответственных за пики Qi i Q2: соответственно 0,79 эВ и 2 эВ.

В качестве возможного варианта объяснения природы пика Q, предложен, модель, в которой, экзотермическая реакция, ответственная за появление этогс пика, обусловлена взаимодействием молекулярного водорода со слабыми Si-S связями, в результате которого образуются Si-H связи. При этом, движение мо пекулярного водорода приводит в равновесие аморфную матрицу кремния. Е рамках такой модели удается объяснить:

- результаты исследований методом ДТА образцов, подвергнутых изотер мическому отжигу при 200°С, в результате которого, за 20 часов величина Qi по следовательно уменьшается в 10 раз, a Q2 в 1,5 раза;

- отсутствие влияния на ТД характеристики имплантации ионов аргона < энергией 100 кэВ и дозой до 5*1015 ат/см2 проведенной при температуре 25°С;

- спектр a-Si, получаемого распылением при Т„ = 25°С, мощности 1,' Вт/см2, давлении 1-И,3»103 Па, в котором наблюдается экзотермический пик npi температуре 120°С и широкое плечо второго зкзопика максимум которого нахс дится при температуре выше 600°С (рис.3).

... Таблица 1.

Зависимость данных калориметрических исследований а-БШ от температуры подложки Тп, мощности разряда \Л/, давления Р.

Параметр Технологический параметр т,.°с Qi. кДж/моль Та, °С •а* кДж/моль

тп,°с W=0,4 Вт/см2, Р=50 Па

25 130 0,92 400 4,34

100 130 0,74 400 3,80

180 130 0,39 405 3,44

280 130 0,34 415 2,44

340 130 0,29 420 1,85

W, Вт/см2 I Т„=280 °С, Р=50 Па

0,1 | 130 ! 0,39 420 | 2,53

0,2 ! 130 0,14 420 1,59

0.3 ! 130 0,15 415 ) 1,93

0,4 130 0,34 415 ! 2,44

Р, Па Т„=280°С, W=0,4 Вт/см'

30 130 0,37 420 2,62

50 130 0,34 415 2,44

70 130 0,69 400 2,99

Показано, что предложенная модель согласуется с данными, полученными методом комбинационного рассеяния света на сбразцах;идентичных исследованным методом ДТА.

Методами ИК-спектроскопии и рассеяния протонов обнаружено уменьшение соответственно концентрации Si-H связей относительно общего содержания водорода и количества связанного водорода при уменьшении температуры подложки. Это также находится в соответствии с предложенной моделью.

Исследованы температурные зависимости темновой проводимости образцов a-Si:H, охлажденных с разными скоростями после отжига при 220°С в течение 20 минут, а также подвергнутых предварительному освещению. Типичный вид кривой температурной зависимости темновой проводимости в пленках a-Si:H показан на рис.4. Установлено, что существует температура Тв=190-200°С, при которой температурные зависимости образцов, обработанных различным обра-

зом, сходятся. Эта температура совпадает с окончанием процесса, ответственного за пик Q, в спектре ДТА. Влияние скорости охлаждения на температурную зависимость фотопроводимости не обнаружено.

Igcr, (Ом-см*1)

Предполагается, что пик <3, обусловлен экзотермическими релаксационными процессами в аморфной матрице кремния и эффузией водорода, сопровождающейся поглощением тепла. Характеристическая температура Т, отделяет область равновесной проводимости (Т>Тв) от неравновесной (Т<Т„), где электрофизические свойства определяются пред историей материала.

Следует отметить, что процесс ответственный за пик О, не приводит к кристаллизации материала. Об этом свидетельствуют данные, полученные при рентгеноструктурном анализе и КРС на образцах после их исследования методом ДТА.

Результаты исследования ТД и структурных особенностей пленок а-БкН позволили установить взаимосвязь между релаксационными процессами в материале и его структурой. Это имеет важное значение для определения допустимых условий эксплуатации приборов и устройств на его основе, а также для оценки эффективности методов улучшения стабильности характеристик а-вкН.

В п.2.3 представлены результаты исследования зависимости электриче-

ских и оптических характеристик a-Si:H (энергия активации темновой проводимости, оптическая ширина "запрещенной" зоны, ширина хвоста Урбаха) от условий роста. Измерения проводились методами постоянного фототока и оптического поглощения соответственно. Обнаружено, что за исключением ширины "запрещенной" зоны, определяемой структурой ближнего порядка, все оптические и электрофизические характеристики a-Si:H, связанные с энергетически избыточными структурными элементами - локализованными состояниями, весьма чувствительны к условиям выращивания пленок a-Si:H. Полученные результаты обсуждаются в совокупности с данными по исследованию структуры a-Si;H методами ДТА, КРС, электронной микроскопией. Установлены корреляции между особенностями структуры материала и энергетическим спектром носителей заряда.

В п.2.4 рассмотрены технология и параметры однократно программируемых элементов памяти (ЭП) на основе a-Si:H.

По сравнению с традиционными диэлектриками S¡02, Si3N4 и др., халько-генидными стеклообразными полупроводниками, аморфным кремнием, на основе a-Si:H возможно воспроизводимо получать термостабильные слои с напряжениями пробоя до 5 В.

Разработаны и исследованы тестовые ЭП на основе слоев a-S¡:H. Технология ЭП состояла из следующих основных операций: окисление пластин КДБ-1, вскрытие окон в местах расположения контактов и программируемого слоя, нанесение слоя a-Si:H толщиной 600-800 А, стравливание a-S¡:H вне окон, последовательное нанесение слоев Ti-W и Al-S¡, формирование контактов.

Исследованы характеристики ЭП в зависимости от условий получения а-S¡:H: температуры подложки, мощности разряда, давления в камере, а также площади элемента.

Далее обосновывается выбор оптимальных технологических условий получения слоя a-Si:H для ЭП. Они должны обеспечивать выполнение схемотехнических требований, стабильность характеристик к температурным и химическим воздействиям, воспроизводимость параметров ЭП от процесса х процессу. На основе измерений ТД характеристик методами ДТА и КРС, результатов, полученных при исследовании моделей (1) и (3), показано, что оптимальными являются:

Tn=260°C, W=Q,2 Вт/см2, P=50 Па. Эти технологические условия обеспечиваю-следующие характеристики ЭП: пробивное напряжение - 7,6±0,2 В, ток утечки измеренный при напряжении 3 В, в высокоомном состоянии - 0,8±0,3 нА, toi программирования -10±2 мкА, остаточное сопротивление при токе 30 мА в низ коомном состоянии - 80±8 Ом.

Отмечено, что указанный набор параметров является оптимальным тольк< для установки синтеза, использованной в настоящей работе.

Совокупность результатов по исследованию структурных, ТД, злекгрофи зических и оптических свойств a-Si:H; в зависимости от технологических парамет ров, позволяет сделать вывод о существовании сложных корреляций между уело виями роста структурой материала и его физическими свойствами. Существую щие подходы к изучению этих корреляций носят в основном эмпирический харак тер. Отсутствуют инвариантные характеристики, с помощью которых можно был« бы описывать взаимосвязь структурных и физических свойств материала с уело виями его роста. Это обуславливает необходимость разработки новых принципо! извлечения и обработки информации о процессах роста и структуре некристал лических материалов. Одним из возможных вариантов является использовани« подходов, разработанных для изучения динамики сложных нелинейных систем.

В третье главе "Проблемы технологий твердотельных материалов" приве дены результаты исследований проблем технологий полупроводниковых мате риалов и закономерностей формирования их структуры с позиций теории нели нейных систем и системного анализа. Целью является определение динамик) процессов формирования твердотельной структуры.

В п.3.2 проанализированы проблемы технологий некристаллических мате риалов, среди которых наиболее важными являются: аномально высокая чувст вительность структуры и свойств материала к технологическим условиям, их ме тастабильность, несовершенство алгоритмов оптимизации технологических ре жимов. Отмечается, что аналогичные проблемы характерны для большинств некристаллических, а также для многих кристаллических материалов.

Установлено, что указанные проблемы обусловлены несоответствие? управляющих параметров технологий внутренним коллективным свойствам es

щества, возникающим в процессе образования твердотельной структуры. В теоретическом аспекте это проявляется в том, что до сих пор не ясны закономерности формирования и последующей эволюции структуры некристаллических полупроводников, отсутствуют способы описания взаимосвязи между структурой, физико-химическими свойствами материалов и условиями их роста.

В л.3.3 на основе анализа известных экспериментальных данных определены характерные особенности динамики процесса отвердевания:

- вещество в процессе отвердевания является открытой диссипатмвной системой, находящейся в неравновесных условиях.

- образование твердой фазы представляет собой процесс скачкообразного возникновения нового состояния вещества, которое принципиально отличается от исходного как по макрохарактеристикам, так и на микроуровне, что свидетельствует о бифуркационном характере эволюции;

- процесс отвердевания приводит к уменьшению симметрии исходного состояния вещества, что, в частности, проявляется в возникновении различных структурно-химических неоднородностей.

Перечисленные особенности процесса формирования твердотельной структуры являются сущностными ингредиентами нелинейной самоорганизующейся системы.

В п.3.4 рассматриваются вопросы методологии экспериментального исследования динамики нелинейных систем. Отмечается, что применительно к ним традиционные методы исследования, основанные на Фурье анализе, оказываются неэффективными. Показана возможность использования для изучения процессов формирования твердотельной структуры известного в теории нелинейных систем метода вложения Такенса. Его суть состоит в том, что через равные промежутки времени измеряется величина какой-либо динамической характеристики системы. Полученная последовательность данных обычно обрабатывается по алгоритму Грассбергера-Прокаччиа и определяются: вид и размерность аттрактора, число степеней свободы, показатели Ляпунова и другие параметры динамики.

Поскольку вещество при отвердевании изменяет свои свойства и во времени и в пространстве, возможны два варианта исследования динамики роста:

- по какой-либо характеристике вещества in situ в соответствии с идеолог ей метода вложения Такенса. Для этого можно использовать методы рассеян! света, алипсометрию и другие. Но при этом,необходимо восстановить времени} эволюцию в различных точках структуры материала, что оказывается задачей н решаемой современными средствами;

- по структуре материала, которая хранит информацию о своей предыдущ временной эволюции. Показана возможность идентификации динамики пр странственно-временной системы по "замороженной" структуре - мгновенно! снимку процесса эволюции, которым для технологий некоторых материалов с > рошим приближением является поверхность. Кроме того отмечено, что мет вложения позволяет выявлять и качественно анализировать порядок в структу вещества.

Исходя из этого, была измерена фрактальная размерность (D) поверхь стей a-Si:H, арсенида галлия, углерода, вольфрама и других материалов по nf филю поверхности, получаемому с помощью сканирующей туннельной микроа пии и атомной силовой микроскопии. Высота профиля отсчитывалась от некой poro уровня, принятого за нулевой, и измерялась через дискретные расстоят Был обоснован выбор параметров реконструкции: времени задержки, числа то-для измерения. Затем полученные данные обрабатывались с помощью anropi ма Грассбергера-Прокаччиа и определялись: корреляционный интеграл, коррег ционная размерность D и ее зависимость от размерности вложения п. Типичн зависимость D от масштаба разрешения (г) показана на рис. 5 "а". Величина D насыщается при увеличении п. Это означает, что D определена. Однако суща вует линейный участок. При этом величина наклона на этом участке насыщает при увеличении п. В соответствии с подходом [1] это означает, что структура г верхности имеет детерминированное хаотическое распределение, в котором с" пени свободы алгебраически независимы, а корреляционная длина много мены размера системы. Кроме метода вложения Такенса,данные о профиле поверх! сти исследовались с помощью функций распределения, анализа Фурье, функи средней взаимной информации. Это позволило получить полезную дополните! ную информацию.

□

а"

•В"

п=Т

rt= П" п"

п-

-4 .$-2-10 Igr -4-3-2 -1 Û Igr

Рис.5. Зависимость корреляционной размерности от размерности встраивания.

Результаты исследований для перечисленных материалов следующие.

Поверхность a-Si:H выращенного в тлеющем разряде.

Зависимость D=f(n, In г) от температуры подложки при выращивании мате-' риала имеет сложный характер. Во всех случаях наблюдаются три различных участка в диапазонах AJn г: от -0,6 до 0, от -0,6 до -1,4, от -1,4 до -1,8. Во всех участках существуют области с линейным наклоном, который насыщается при размерности вложения п=8. При увеличении температуры подложки эти участки становятся более выраженными.

Наличие трех различных участков означает, что фрактальное множество, образуемое данными о профиле рассматриваемой поверхности, является неоднородным, в данном случае - трехмасшгабным, а формирование поверхности определяется тремя различными механизмами.

Поверхность углерода выращенного методом пиролиза.

На графике D=f(n, In г) наблюдаются два участка, которые имеют различные максимумы. Оба участка характеризуются качественно одинаковым поведением D. В обоих случаях существуют области Ain г соответственно от -2 до -1,7 и от -3,5 до -3, в которых зависимость D = f(n, In г) линейная. При п=6 наклон D = f(ln г) на этих участках насыщается.

Поверхность скола кристалла арсэнида галлия.

На графике D=f(n, In г) наблюдаются два участка, которые имеют различные максимумы. В обоих случаях существуют области Д1п г соответственно от -

0,7 до -0,4 и от -3,2 до -2,5, в которых зависимость D = f(n, In г) линейная. Для первой области насыщение наклона D = f(ln г) происходит при п=6, а для второй при п=7. Таким образом, как и в случае с углеродом,наблюдается двухмасштаб-ное фрактальное множество, каждое из которых имеет детерминированный хаотический характер и сформировано при участии двух различных механизмов.

Была также исследована зависимость D = f(n, In г) от масштаба участка, на котором проводились измерения.

При пассивации поверхности GaAs разбавленным раствором NaOH былс обнаружено, что распределение перестает быть детерминированным и носит случайный характер.

Вольфрам.

Образцы были приготовлены по следующей технологии: резка монокристалла, шлифовка и полировка поверхности с применением на конечной стадии электрополировки в растворе NaOH. Характер зависимости D=f(n, In г) свидетельствует, что структура поверхности имеет случайный характер. После очистки поверхности путем многократного сканирования острием электронного микроскопа на зависимости D = f(n, In г) наблюдается линейный участок в диапазоне Д(1п г) от -2,3 до -1,9. Наклон насыщается при п=6. Это свидетельствует о детерминистическом характере распределения и можно говорить о "проявлении" упорядоченной структуры поверхности.

В п.3.5. проводится сравнение полученных результатов с известными экспериментальными данными о значениях фрактальных размерностей поверхностей различных материалов, исследованных методами адсорбции, вторичной электронной спектроскопии, малоугпового рассеяния, а также в объемных образцах пористых и аморфных материалов. Установлено, что величина D заключена в интервале от 2 до 3 и имеет дробную часть. Предполагается, что фрактальная размерность, измеренная по физическим свойствам, представляет собой среднее значение локальной топологии структуры, для которой характерна зависимость D = f(n, In г),показанная на рис.5 "б". Таким образом, величина D является индикатором хаотического распределения, имеющего детерминистическую природу.

В п.3.6 рассматривается возможность определения вида динамики форми-

рования по структуре системы. По аналогии с показателями Ляпунова, характеризующими временную эволюцию системы для пространственной структуры вводится понятие пространственных показателей Ляпунова X,. С учетом подхода, разработанного в [1], установлено, что между ними существует следующая взаимосвязь:

= (2) где С - положительна константа, V - величина определяемая скоростью роста материала и диффузией атомов по поверхности роста. На основании этого результата, сделан вывод, что динамика роста материалов определяется детерминированным пространственно-временным хаосом. Анализ известных экспериментальных данных подтверждает этот вывод. Установлена взаимосвязь между характеристиками структуры и инвариантными параметрами динамики ее формирования.

В п.3.7 проводится анализ экспериментальных данных о свойствах областей на границе раздела фаз газообразной (жидкой) и твердой. Установлено, что процесс непосредственного образования твердотельной структуры протекает в промежуточном между (ПС) фазами слое, который имеет следующие характеристики:

- толщина ПС превышает несколько атомарных слоев:

- характеристики аномально отличаются от свойств пограничных слоев. Вещество в ПС находится в неустойчивом состоянии. Флуктуации велики и затухают медленно. В ПС поведение вещества приобретает нелинейный и неустойчивый характер и происходит последовательность бифуркаций. Возникают зародышей твердой фазы и корреляций между ними. По мере продвижении вглубь ПС корреляции усиливаются и завладевают всей системой. Число бифуркаций увеличивается и возникает режим детерминированного пространственно-временного хаоса, что подтверждается результатами, изложенными в п.3.4, и другими известными экспериментальными данными. По мере усиления корреляций между различными областями вещества он переходит в более простые режимы - предельные циклы, устойчивые точки.

В четвертой главе "Структура и закономерности эволюции неупорядоче ных полупроводников" представлены результаты экспериментального и теорет ческого исследования процессов образования аморфной структуры и ее поел дующей эволюции на примере аморфного кремния.

Отмечается, что существующие подходы к анализу свойств неупорядоче! ных материалов, в основе которых лежат представления о гомогенной, случайнс структуре и решающей роли ближнего и среднего порядков в формировании ф| зических свойств материалов, весьма ограничены. Это требует развития новь концепций аморфного состояния. Одним из возможных вариантов является И1 пользование представлений теории нелинейных систем для исследования э& люции аморфной структуры.

На основании анализа известных экспериментальных данных установлен что фрактальная размерность объемной структуры а-ЭИН имеет величину 2<0< В соответствии с результатами полученными в главе 3, это свидетельствует том, что структура а-ЭШ представляет собой "замороженный" детерминирова! ный хаос. Аналогичная ситуация имеет место и для некоторых других некристш лических материалов. На основании этого сделан вывод, о том, что структура . Б|':Н не является случайной. С этих позиций проанализированы свойства аморс ных материалов, которые не могут быть объяснены в модели случайной сетк; невоспроизводимость характеристик, наличие структурно-химических неодн! родностей, нестабильность структуры и свойств.

Для иллюстрации предлагаемого подхода в п.4.2 построена и проанализ! рована модель, которая описывает процесс образования аморфной структуры виде одномерного отображения:

Хп., = А + Ь(А-|Х„1) (;

Хл и - энергии связи соответственно п-ого и п+1-ого атомов в цепочке. Х„ является функцией отклонения от своего равновесного значения, которое об значено через А. Физической основой модели является предположение о том, чп при любых условиях роста межатомные связи стремятся к наиболее устойчивс конфигурации, соответствующей кристаллу. Из зависимости энергии связи ато\ от температуры получено, что величина X обратно пропорциональна температ ре, при которой происходит формирование цепочки.

При А.<1 последовательность {Хп}, определяемая (3), при любом начальном значении X, быстро сходится к А, образуя упорядоченную цепочку. При >.=1 в последовательности {Х„} возникают бифуркации удвоения периода. При дальнейшем увеличении X число бифуркаций увеличивается и система переходит в хаотический режим, который соответствует аморфному состоянию. Затем картина усложняется: хаос чередуется с интервалами, где есть упорядоченность (рис.6, X = 1,57). Это соответствует образованию упорядоченных областей в аморфной матрице в виде среднего порядка, колонн, пор и т.д. Установлено, что значения X, при которых наблюдается возникновение аморфной сетки и далее упорядоченности в ней, согласуются с экспериментальными данными.

Было обнаружено соответствие между изменениями в гистограммах последовательностей {Х„} при увеличивающихся значениях X и эволюцией пика ТО-моды колебаний для образцов а-бкН, выращенных при последовательно уменьшающихся температурах подложки.

Рис.6. Поведение последовательности {Х^ при различных значениях параметра X.

Показано, что при х>1 происходит образование аморфной структуры, а движение по динамической траектории становится неустойчивым. На этом основании сделан вывод, что принципиально невозможно получать аморфный материал с воспроизводимыми свойствами. Это подтверждается, в частности, тем, что гистограммы {Х„} при разных начальных значениях Х1 существенно различаются.

В п.4.2 на основании S-теоремы Климентовича [2] сравниваются значена энтропий кристалла (S,) и аморфного состояния (Sa) при условии, равенств» средних эффективных энергий. В результате расчетов получено, что энтропи! кристалла больше.чем у аморфного состояния. Аналогичный результат был по лучен из сравнения по методу S-теоремы спектров колебаний, ссответствующи: ТО-моде кристаллического и аморфного кремния.

На основании этого результата сделаны два вывода: во-первых, образов; ние аморфного состояния есть процесс самоорганизацией, и энтропия в эта процессе уменьшается, во-вторых, естественные процессы эволюции перевод! аморфную матрицу в состояние, структура которого последовательно приближ ется к кристаллу.

С этих позиций обсуждаются результаты экспериментального исследоа ния релаксационных процессов в структуре a-Si:H.

В п. 4.3 исследуется проблема невоспроизводимости структуры и свойс! аморфных материалов с целью выявления физических причин ее появлени разработки соответствующих критериев, определения способов ее устранения.

Плохая воспроизводимость структуры и свойств a-Si:H является важне проблемой технологии. Ее обычно связывают с отклонениями от нормы некот рых технологических параметров, а главным способом ее улучшения считаете увеличение точности задания параметров. Однако, такой подход часто оказыв ется неэффективным. Одной из причин этого является отсутствие критериев, ni зволяющих оценивать влияние на воспроизводимость различных факторов.

На основании вывода, что структура a-Si:H формируется на стадии пр страственно-временного хаоса, показано, что главной причиной невоспроизвод! мости является неустойчивость движения, присущая хаотической

динамике, в сочетании с неустранимыми микрофлуктуациями. С этих позице невозможность повторного воспроизведения структуры является физическс объективностью, а не проявлением незнания механизмов роста или неучета к; ких-либо факторов.

Исходя из этого были разработаны критерии воспроизводимости, связа! ные с характеристиками нелинейных, хаотических систем.

1. Энтропия Колмогорова-Синая (Э^)- Она равна сумме положительных показателей Ляпунова и характеризует скорость нарастания возмущения в системе.

2. Соотношение между временем нахождения вещества в промежуточном слое между твердой и газообразной фазами (Щ и временем, в течение которого система хранит память о своем начальном состоянии (Тт»)- Обсуждаются способы экспериментального определения величин к и Ттах.

3. Средняя взаимная информация (СВИ) - параметр, который используется для определения корреляций в нелинейных системах. Обсуждаются способы экспериментального определения СВИ по профилю поверхности материала, гистограммам функции радиального распределения, спектрам оптического поглощения.

Все приведенные критерии могут быть рассчитаны с помощью методов и алгоритмов, используемых для определения характеристик нелинейных систем. Они инвариантны относительно различных технологий и позволяют оценивать влияние на воспроизводимость различных факторов.

Следствием динамической неустойчивости процессов роста является существование фундаментального предела воспроизводимости который определяет предел точности задания параметров технологии, выше которого увеличение точности становится неэффективным. Обсуждаются методы определения ЯВт и возможности использования его при оптимизации существующих технологий а-ЭШ.

Исследована зависимость степени воспроизводимости (Я) от размеров системы (V). С учетом результатов работы [3] установлено, что

Я ~ ехр(1АЛ2) (5)

Сделан вывод, что при уменьшении размеров элемента, который необходимо получить, воспроизводимость уменьшается.

В пятой главе "Управление процессами роста твердотельных материалов" определяются принципы управления процессами роста с целью воспроизводимого получения материалов с заданной структурой.

То, что рост a-Si:H определяет детерминированный хаос позволяет поня почему существующие принципы управления процессами роста не позволяю решить ряд важных задач. Главная проблема технологий состоит в том, что в ни управление хаотической динамикой вещества осуществляется линейными мете дамид.е. управляющие воздействия не соответствуют свойствам вещества, во; никающим в процессе отвердевания. Это вызывает необходимость разработк альтернативных подходов к управлению. Они должны исходить из того, чт управляющие параметры технологии должны быть согласованы с внутренним динамическими процессами в веществе. Рассматриваются принципы построени технологических систем, основанных на этом подходе.

Принцип совместимости отражает необходимость соответствия парамет ров управляющего воздействия внутренним динамическим свойствам веществ при отвердевании. При этом достигается максимальная эффективность улраЕ ления. Ключом управления является детальное знание фазового пространства динамики системы. Эти сведения могут быть собраны из наблюдений за систе мой по методу Такенса.

При взаимодействии с системами с хаотической динамикой возможно рс шение двух различных задач: стабилизация периодических орбит,т.е. разрушени хаоса или наоборот, стохатизация системы путем подключения к другой хаотич« ской системе. Выбор метода определяется цепями технологий. Например, есл требуется вырастить, совершенную кристаллическую структуру или воспроизае сти какую-либо структурную неоднородность, то необходимо быстро преодолет стадию хаоса и стабилизовать периодическое движение. Для синтеза аморфны материалов может оказаться полезным хаотический привод. Если ставится задг ча устранения неоднородностей в структуре, то необходимо разрушение нелу нейной суперпозиции ограниченного числа мод.

Принцип иерахии. Как было показано в гл.З, структура материала и динам* ка ее образования в зависимости от масштаба могут различаться. Поэтому, пр постановке задачи управления предварительно должно быть проведено расчп« нение системы на уровни и выбран уровень, ответственный за требуемые cboí ства. Затем необходимо исследовать динамику этого уровня и выработать соот ветствующие управляющие воздействия.

Принцип локальности. Как отмечалось в гл.З., процесс отвердевания непосредственно протекает в промежуточном между фазами слое. Поэтому, воздействия, управляющие динамикой роста, должны быть направлены на ПС.

Исходя из этих принципов, предложена схема управления процессами роста материалов (рис.7).

Генератор среды создает и поддерживает неравновесные условия в технологической установке, необходимые для перехода от жидкого (газообразного) состояния вещества к твердотельному. Блок контроля предназначен для регулировки параметров процесса. Цепь генератор среды - технологическая установка -блок контроля образуют первый контур управления, который по-существу представляет собой схему традиционной технологии.

Рис.7. Схема управления ростом материалов.

Второй контур управления включает принципиально новые элементы. Динамические сигналы непосредственно от вещества, находящегося в промежуточном слое, поступают в анализатор динамики. Последний сравнивает ее со своим исходным заданием и выдает сигнал на генератор управления. Само задание формируется на основе корреляций между динамическими характеристиками роста и свойствами выращенного материала.

Основные результаты и выводы по диссертации. 1) В процессах роста а-ЗШ обнаружено спонтанное возникновение струк-

турных неоднородностей, которые проявляются в частности, в виде правильна геометрических фигур: спиралей, окружностей, пузырьхов и т.д.

2) Предложена модель роста a-Si:H из плазмы тлеющего разряда. При © исследовании методами качественной теории дифференциальных уравнена были обнаружены области технологических параметров, в которых возможна са моорганизация, выражающаяся в периодическом изменении концентраци! кремния и водорода на поверхности роста. На основе полученных результата сформулированы практические рекомендации для технологии a-Si:H.

3) Методом ДТА в диапазоне температур от -140 С до 570 С исследован! термодинамические характеристики a-Si:H, получаемого методом тлеющего ра: ряда. Обнаружены два экзотермических пика с температурами максимумов пр температурах 130°С и 410°С. Выявлены зависимости ТД характеристик от техж логических условий синтеза материала: Tn, W, Р. Показано, что введение прим« сей N20, N2/SiH4=4% значительно изменяет ТД характеристики материала. Эт влияние оказывается существенно зависящим от технологических режимов. Из< термический отжиг при 200°С значительно улучшает термостабильность a-Si:H.

4) Возникновение низкотемпературного экзотермического пика с обусло! лено квазихимическим взаимодействием молекулярного водорода со слабым Si-Si связями с образованием двух Si-H связей. Высокотемпературный пик cas зан с релаксационными процессами в аморфной матрице кремния и эффузиг водорода.

5) Разработана конструкция и исследованы параметры однократнопр! граммируемых элементов памяти на основе слоев a-Si:H. Оптимальные хара теристики элемента обеспечиваются следующим технологическим режимом: " = 260°С, W=0,2 Вт/см2, Р=50 Па. Скорость расхода смеси 10%SiH4 + 90%Н2 о ставляет 100 см3 /мин. Установлено, что одним из способов улучшения ст бильности, воспроизводимости, уменьшения разброса значений характерисп ПЗ является легирование a-Si:H добавлением в разряд N2 и N20,

6) Установлено, что процесс роста a-Si:H имеет следующие отличитель ные черты: неравновесность условий синтеза, нарушение симметрии, бифурка ционный характер изменений, существование ассимптотически устойчивых ре жимов - аттракторов. С позиций динамики это соответствует режиму самоорга

низации, который определяется ограниченным числом степеней свободы.

7) Распределение атомов по поверхности (a-S¡:H, GaAs, С), представляющее собой "замороженный" мгновенный снимок процессов роста, имеет детерминированный хаотический характер. Обработки поверхности (GaAs, W) могут приводить как к ее деградации, так и проявлению самоорганизованной структуры.

8) Процесс роста некоторых твердотельных материалов проходит через стадию пространственно-временного динамического хаоса. Установлена взаимосвязь между характеристиками структуры материалов и инвариантными параметрами динамики процесса ее формирования.

9) На границах раздела фаз в системах выращивания твердотельных материалов существуют промежуточные слои, свойства которых отличаются от свойств пограничных объемов. Вещество в ПС находится в сильнонеравновесном неустойчивом состоянии бифуркации и проходит через стадию пространственно-временного динамического хаоса.

10) Причиной невоспроизводимости структуры и характеристик твердотельных материалов является динамическая неустойчивость процессов роста, связанная с динамическим хаосом, в сочетании с неустранимыми флуктуация-ми. Разработаны динамические критерии для оценки степени воспроизводимости, основанные на характеристиках нелинейных систем, определен ее фундаментальный уровень, на который не влияет увеличение точности задания параметров технологии. Определены возможные способы увеличения воспроизводимости.

11) На основании теоремы Кпимонтовича на примере a-Si и к-Si показано, что энтропия кристалла больше, чем у аморфного состояния, при условии равенства средних эффективных энергий. Определены основные черты эволюции аморфных материалов.

12) Построена возможная модель "перехода" от кристалла к аморфному состоянию, основанная на функциональном уравнении, описывающем рост одномерной цепочки. Из сравнения результатов численного исследование модели с экспериментальными данными можно предположить, что "замороженный" динамический хаос является одной из возможных моделей структуры аморфных материалов.

13) Определены основные принципы управления процессами роста с Ц( лью воспроизводимого выращивания материалов с заданной структурой. Он основаны на соответствии динамики управляющих воздействий внутренним пр< цессам, возникающим в веществе в процессе образования твердотальнс структуры. Предложена блок-схема технологической системы, использующей за принципы.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Бодягин Н.В., Вихров С.П., Айвазов A.A. Динамика роста твердотельных мат риалов. - Известия ВУЗов. Электроника, 1997, № 3-4, с.7-10.

2. Айвазов A.A., Будагян Б.Г., Бодягин Н.В. Морфология поверхности и релакс ционные процессы в a-Si:H. - Поверхность (физика, химия, механика), 1993, № с.81-86.

3. Вихров С.П., Бодягин Н.В. Новый подход к построению технологических систе на примере роста слоев a-Si:H. - Учебное пособие. Рязань, РГРТА, 1994,108 с.

4. Aivazov A.A., Bodyagin N.V., Vikhrov S.P., Petrov S.V. Collective effects in the Si:H growth process. - J. Non-Cryst. Solids, 1989, v.114, pp.157-159.

5. Айвазов A.A., Бодягин H.B., Будагян Б.Г. Аморфный гидрогенизированнь кремний как материал электронной техники. - Зарубежная электронная техник

1989, N8, с.83-112

6. Айвазов A.A., Бодягин Н.В., Приходько Е.Л., Хашимов Р.Н., Петров С.Е Эволюция спектров ДТА и КРС аморфного и аморфного гидрогенизированног кремния. - Письма в ЖГФ, 1990, вып. 10, т. 16, с.91-96.

7. A.c. 1664085. Однократнопрограммируемый элемент памяти/ Айвазов A J Бодягин Н.В., Петров C.B., Приходько Е.Л., Щетинин Ю.И., Сулимин А.Д., Пр ходько П.С. - С приоритетом от 28.04.1989.

8. Айвазов A.A., Бодягин Н.В., Петров C.B., Белоусов B.C., Приходько Е.Л. И следование влияния технологических фактров на термодинамические свойсл аморфного гидрогенизированного кремния. - Электронная промышленная

1990, вып. 8, с.42-46.

9. Айвазов A.A., Бодягин H.В., Петров C.B., Белоусов B.C., Приходысо Е.Л. Программируемые элементы памяти на основе аморфного гидрогенизированного кремния. - Электронная промышленность, 1990, вып.8, с.24-29.

10. Айвазов A.A., Бодягин Н.В., Вихров С.П. Явления самоорганизации в технологиях твердотельных материалов. - Известия ВУЗов. Электроника, 1997, №1, с.39-44.

11. Айвазов A.A., Бодягин Н.В., Вихров С.П. Технологии получения материалов с позиций теории систем. - Электронная промышленность, 1995, № 4-5, с.39-43.

12. Бодягин Н.В., Вихров С.П., Айвазов A.A. О причинах невоспроизводимости структуры твердотельных материалов. - Известия ВУЗов.Электроника, 1997, №6, с.9-12.

13. Бодягин Н.В., Вихров С.П. Пространственно-временной хаос в процессе образования твердотельного состояния. - Письма в ЖТФ, 1997, т.23, вып. 19, с.77-80.

14. Aivazcv A.A., Bodyagin N.V., Vikhrov S.P. Intermediate layers in the a-Si:H growth processes. - 1996 Material Research Society USA Spring Meeting Proceedings, Amorphous Silicon Technology. 1996, v.420, pp.467-471.

15. Бодягин H.B. Области критического состояния вещества в технологиях твердотельных материалов. - Известия ВУЗов. Электроника, 1997, № 2, с.31-35.

16. Бодягин Н.В., Вихров С.П. Динамические критерии воспроизводимости структуры твердотельных материалов. - Письма в ЖТФ, 1997, т.23, вып. 19, с.81-84.

17. Бодягин Н.В., Вихров С.П., Айвазов A.A. Новая концепция технологий твердых материалов. - Учебное пособие. Рязань, РГРТА, 1996.64 с.

18. Айвазов A.A., Бодягин Н.В., Будагян Б.Г. Исследование стабильности пленок a-Si:H методом ДТА. - Сборник научных трудов МИЭТ. М.: МИЭТ, 1991, с.152-155.

19. Айвазов A.A., Бодягин Н.В., Вихров С.П. Промежуточные слои в технологиях получения материалов как области сложного поведения вещества. - Труды Международной конференции "Критерии самоорганизации в физических, химических и биологических системах". М.: 1995, с.14-19.

20. Бодягин Н.В., Вихров С.П., Дьяков С.Н. Экспериментальное доказательство самоорганизации при получении материалов для микроэлектроники. - Физика полупроводников и микроэлектроника: Межвуз. сб./Рязанская гос. радиотехн. акад.

Рязань, 1995, с.92-95.

21ГАйвазов A.A., Бодягин Н.В, Тарабрин A.A. Исследование переключаю^ характеристик пленок аморфного гидрогенизированного кремния. - В кн.: Сборш научных трудов МИЭТ "Технологические процессы микроэлектроники". Под ре, Айвазова АА М.: МИЭТ, 1989, с.13-18.

22. Айвазов A.A., Бодягин Н.В., Вихров С.П. Дефектные состояния в аморфно кремнии. - В кн.; Сборник научных трудов МИЭТ "Материалы и технологичесм процессы микроэлектроники" под ред Айвазов A.A. М.; МИЭТ, 1988, с.5-13.

23. Айвазов ÄА., Бодягин Н.В., Вихров С.П., Петров C.B. О возможности самоо| ганизации при получении a-Si:H. - В кн.; Материалы Международной конференф "Некристаллические полупроводники - 89". Ужгород, 1989, с.101-104.

24. Бодягин Н.В., Вихров С.П. Идеи теории сложных систем в биофизике. - Вес ник новых медицинских технологий. 1995, № 3-4, с.9-14.

25. Айвазов A.A., Бодягин Н.В., Вихров С.П. Процессы самоорганизации в техн логиях синтеза материалов. - Труды Международной конференции "Критер; самоорганизации в физических, химических и биологических системах". М., 199 с.20-25.

26. Вихров С.П., Бодягин Н.В., Уфимцев А.Г. Идентификация порядка в структур твердотельных материалов методами нелинейной динамики. - Межву сб./Рязанская гос. радиотехн. акад. Рязань, 1997, с.9-13.

27. Бодягин Н.В. Динамическое описание структуры тонких пленок. - Труды У раинского вакуумного общества. Харьков, 1997, т.З, с.329-333.

28. Aivazov A.A., Bodyagin N.V., Vikhrov S.P. Self-organization regions in the thin fiin growth process. - Труды Украинского вакуумного общества. Харьков, 1997, т. с.322-325.

29. Вихров С.П., Айвазов A.A., Бодягин Н.В. Рост твердотельных материалов в явление самоорганизации. - Вестник Рязанской государственной радиотехнич ской академии. 1996, вып.1, с.77-84.

30. Вихров С.П., Бодягин Н.В. Аморфное состояние как детерминированный хас - Межвуз. сб./Рязанская гос. радиотехн. акад. Рязань, 1997, с.3-6.

31. Бодягин Н.В., Вихров С.П. Управление процессами роста полупроводниковк материалов. - Учебное пособие. Рязань, РГРТА, 1997, 79 с.

32. Бодягин Н.В., Вихров С.П. Новый подход к построению технологических систем. - Физика полупроводников и микроэлектроника: Межвуз. сб./Рязанская гос. радиотехн. акад. Рязань, 1995, с.31-37.

33. Вихров С.П., Бодягин Н.В., Уфимцев А.Г. Определение относительной степени упорядоченности аморфного состояния и кристалла. - Межвуз. сб./Рязанская гос. радиотехн. акад. Рязань, 1997, с.7-9.

34. Айвазов А.А., Бодягин Н.В., Вихров С.П. промежуточные слои в технологиях получения аморфных и кристаллических материалов. - Тезисы докладов Международной конференции по электротехническим материалам и компонентам. М., 1995, с.46.

35. Aivazov А.А., Bodyagin N.V., Vichrov S.P. Collective effects in a-Sl:H growth proccess. - Abstracts of 13th International conference on amorphous and Liquid semiconductors. AsheviJIe, NC, USA, 1989,22 am B4.

36. Айвазов A.A., Бодягин H.B., Вихров С.П. Синергетические процессы в a-Si:H и a-Si. - В кн.: Тезисы докладов четвертой Всесоюзной конференции "Термодинамика и материаловедение полупроводников". Т.1. Москва, 1969, с.324-325.

37. Айвазов А.А., Бодягин Н.В., Вихров С.П. Экология и технологии твердых материалов. - Тезисы докладов научно-практической конференции "Человек, экология, здоровье" Рязань, 1996, с.9.

38. Айвазов А.А., Бодягин Н.В., Вихров С.П. Промежуточные слои в технологиях получения материалов как области сложного поведения вещества. - Тезисы докладов Международной конференции "Критерии самоорганизации в физических, химических и биологических системах". М.: 1995, с.8.

39. Айвазов А.А., Петров С.В., Приходько Е.Л., Бодягин Н.В. Аморфный кремний как диссипативная система. - В кн.: Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического совещания "Пути совершенствования технологии полупроводников и диэлектрических материалов электронной техники*. Одесса, 196В, с.23-24.

40. Aivazov А.А., Budaguan B.G., Bodyagin N.V. The analysis of a-Si:H Raman scattering spectra and DTA films doped with nitrogen and oxygen. - Proc. of Fourteenth International Conference on Amorphous Semiconductors - Science and Technology. Garmisch-Partenkirchen. FRG, August 19-23,1990, p.52.

41. Айвазоа А.А., Бодягин Н.В., Будагян Б.Г. Влияние примесей на свойств Si.H, полученного методом ВЧ разложения силана. - Тезисы докладов III Во юзной коференции по физике и технологии тонких полупроводниковых плено Ивано-Франковск. 9-12 октября 1990, 4.1. Ивано-Франковск, 1990, с.81.

42. Айвазов А.А., Бодягин Н.В., Вихров С.П. Новая концепция технологий м риалов микроэлектроники. - Тезисы докладов Всероссийской нау технической конференции "Электроника и информатика-95". М., 1995, с. 107.

43. Айвазов А.А., Бодягин Н.В., Вихров С.П. Аморфные материалы как следст процессов самоорганизации. - Тезисы докладов Международной конференцш электротехническим материалам и компонентам. М. 1995, с.43.

44. Bodyagin N.V., Aivazov А.А., Vikhrov S.P. Dynamical identification of the grc processes and structure of polycrystalline films. - Abstracts of 1997 Spring Mee Material Research Society USA, March 31 - April 4,1996, San Francisco, USA, p.2

45. Bodyagin N.V., Aivazov A.A., Vikhrov S.P. Dynamical description of the mat structure in macro- and mesoscales. - Abstracts of 1997 Spring Meeting Mat Research Society USA, March 31 - April 4,1996, San Francisco, USA; p.179.

46. Айвазов A.A., Бодягин H.B., Будагян Б.Г. Электрофизическиесвойства a-S полученного методом разложения силана. - Тезисы докладов коферен "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и интеграль схем". Махачкала, 20-23 ноября, 1990, Махачкала, 1990, с.20.

47. Айвазов А.А., Будагян Б.Г., Бодягин Н.В. Влияние примесей азота и кисл< да на метастабильные состояния в аморфном гидрогенизированном кремни Тезисы докладов III Всесоюзной конференции "Физические основы надежное деградации полупроводниковых приборов". Кишинев. 27-29 мая, 1991, Киши! 1991, с.115.

48. Aivazov А.А., Bodyagin N.V., Vikhrov S.P. Intermediate layers in the a-Si:H grc processes. - Abstracts of 1996 Spring Meeting Material Research Society USA, I 8-12,1996, San Francisco, USA, p.244.

49. Aivazov A.A., Bodyagin N.V. The new principles of the solid artificial mate simulation. - Abstracts of 3-d International conference "Mathematics, cornpi education", Dubna, 29 January - 3 February, 1996, Russia, p.152.

50. Айвазов A.A., Бодягин Н.В., Вихров С.П. Процессы самоорганизации в технологиях синтеза материалов. - Тезисы докладов Международной конференции "Критерии самоорганизации в физических, химических и биологических системах". 1995, с.7.

51. Айвазов A.A., Бодягин Н.В., Вихров С.П. Методологические аспекты построения технологий некристаллических материалов на синергетических принципах. - Тезисы докладов Международной конференции по электротехническим материалам и компонентам. М., 1995,. с.42.

52. Aivazov A.A., Bodyagin N.V., Vîkhrov S.P. The new principles of the solid artificial materials simulation. - Abstracts of 1996 Spring Meeting Material Research Society USA, April 8-12,1996, San Francisco, USA, p.376.

53. Бодягин Н.В. Динамическое моделирование структуры твердых тел. - Тезисы Четвертой международной конференции "Математика, компьютер, образование". М.: 1996, с.45.

54. Aivazov A.A., Bodyagin N.V., Smith К., Tolan С. The intermediate layers and the controlling process in the FZ-Si technology. - Abstracts of eighth international symposium on silicon materials science and technology, May 4-8, 1998, San Diego, USA, p.32.

55. Айвазов A.A., Бодягин H.B., Вихров С.П. О существовании аттрактора в неравновесных фазовых переходах образования твердой фазы вещества. - Тезисы докладов V Медународной конференции "Термодинамика и материаловедение полупроводников. Июнь, июль 1997, Москва 1997, с. 13.

56. Айвазов A.A., Бодягин Н.В., Вихров С.П. Моделирование аморфного состояния одномерными отображениями. - Тезисы докладов V Медународной конференции "Термодинамика и материаловедение полупроводников. Июнь, июль 1997. Москва 1997, с. 14.

57. Айвазов A.A., Бодягин Н.В., Вихров С.П. Определение относительной степени упорядоченности аморфного и кристаллического состояний на основании S-теоремы Климонтовича. - Тезисы докладов V Медународной конференции "Термодинамика и материаловедение полупроводников. Июнь, июль 1997. Москва, 1997, с. 12.

-58; Aivazov A.A.,: Bodyagin N.V., Vikhrov S.P. Direct method for model -tnicrostructure. ^Abstracts of 1998 Spring Meeting Material Research Society Ul April 12-17,1998, San Francisco, USA, p.343.

Цитируемая литература.

1. Корзинов Л.Н., Рабинович М.И. Диагностика пространственно-временного б порядка. - Известия вузов. Прикладная и нелинейная динамика. Т.2. N.1. с.59-<

2. Климонтович Ю.Л. Статистическая теория открытых систем. М.:ТОО "Янг 1995,622 с.

3. Grassberger P. Information content and predictability of lumped and distribu dynamical systems. - Physica Scripta. V.40. PP.346-353.

Заказ 45. Тираж 100 экз. Объем 1,18 л.

Отпечатано в МУП "Информационно-кадастровый центр по землеустройстиву и градостроительству" 390046 г.Рязань, ул. Введенская, д. 107



, „ //

1 О

А-

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

^езждмум ВАК Р-осс

На правах рукописи || Экз. № 1

судил ученую степень,

Л

гт"1 1

1 Огг1.г;

Начальник управленйяВА^ ^

__-— ^^ - -

У? 13О ТТЛ-т/7 х- ~ ~ " "

"ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ НЕКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ"

Специальность 01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научные консультанты: проф., д.ф.-м.н, АЙВАЗОВ А.А., проф., д.ф.-м.н., ВИХРОВ С.П.

МОСКВА, 1998 г.

С л! / Л

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПЛЕНОК a-Si:H И a-Si. 16

1.1 Современные представления о структуре пленок a-Si:H. 16

1.2. Морфология поверхности пленок a-Si:H. 18

1.3. Исследование модели роста a-Si:H. 30 Результаты и выводы по главе 1. 41 ГЛАВА 2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АМОРФНОГО 42 И АМОРФНОГО ГИДРОГЕНИЗИРОВАННОГО КРЕМНИЯ

И ТЕХНОЛОГИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПАМЯТИ НА ОСНОВЕ a-Si:H.

2.1. Методики, оборудование, используемое для исследований. 42 Получение и подготовка образцов.

2.2. Зависимость термодинамических характеристик a-Si:H 49 от условий получения и термообработок.

2.3.Механизмы релаксационных процессов в a-Si:H. 66

2.4. Технология получения однократно программируемых элементов 80 памяти на основе аморфного гидрогенизированного кремния.

2.4.1. Введение. Эффект переключения в аморфных 80 полупроводниках.

2.4.2. Технология получения элементов памяти на основе a-Si:H. 88

2.4.3. Исследование зависимости параметров ПЭ от режимов 84

- з -

осаждения пленок a-Si:H.

2.4.4. Температурная зависимость ВАХ и влияние повторных 90 термообработок на изменение параметров ВАХ.

2.4.5. Выбор оптимальных технологических условий получения 93 ПЭ на основе a-Si:H.

Основные результаты и выводы по главе 2. 96

ГЛАВА 3. ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ 99 МАТЕРИАЛОВ.

3.1. Закономерности эволюции технологий материалов. 99

3.1.1. Элементы технологий. 99

3.1.2. Эволюция технологий. 100

3.1.3. Кризис и будущее технологий материалов. 101

3.2. Проблемы технологий. 105

3.2.1. Понятие проблем технологий материалов. 105

3.2.2. Проблемы технологий как конфликты. 106

3.2.3. Локализация проблем технологий. 112

3.3. Закономерности процессов роста твердотельных материалов. 119

3.3.1. Динамические особенности процессов образования 119 твердотельного состояния.

3.3.2. Аттракторы процессов перехода: газ (расплав) - твердое тело. 121

3.4. Исследование динамики формирования структуры 140 твердотельных материалов.

3.4.1. Методологический подход к изучения эволюции 140

вещества при отвердевании.

3.4.2. Определение фрактальной размерности по результатам 148 измерений.

3.4.3. Особенности определения фрактальной размерности 153 аттракторов распределеных систем.

3.4.4. Экспериментальное исследование поверхности материалов 157 с помощью метода вложения.

3.5. О природе фрактальной размерности структуры материалов. 188

3.6. Реконструкция динамики роста твердотельных материалов 193 по их структуре.

3.7. Промежуточные слои на границах газ (расплав) - твердое 206 тело как области сложного поведения вещества.

3.7.1. Общие соображения. 206

3.7.2. Эволюция вещества в промежуточном слое. 208

3.7.3. Пространственные и временные масштабы ПС. 212

3.7.4. Информация и ПС. 213

3.7.5. Вычислительная сложность. 218

3.7.6. Экспериментальные доказательства существования ПС. 222 Результаты и выводы по главе 3. 226 ГЛАВА 4. СТРУКТУРА И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЭВОЛЮЦИИ 227 НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ.

4.1. Динамическая модель структуры аморфных материалов. 228

4.1.1. Построение модели. 229

4.1.2. Численное моделирование и сравнение с экспериментом. 231

4.2. Эволюция неупорядоченных систем и релаксационные 238 процессы в аморфных материалах на основе кремния.

4.3. О причинах невоспроизводимости структуры и свойств 247 некристаллических материалов.

4.3.1. Невоспроизводимость структуры и свойств полупроводников 247 как технологическая проблема.

4.3.2. Динамические причины невоспроизводимости. 249

4.3.3. Динамические критерии невоспроизводимости. 252

4.3.4. Пути увеличения воспроизводимости в технологиях 260 полупроводниковых материалов.

Результаты и выводы по главе 4. 262 ГЛАВА 5. УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ РОСТА ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ 263 МАТЕРИАЛОВ.

5.1. Основные принципы управления поведением вещества в 265 процессе образования твердотельной структуры.

5.2. Дополнительные замечания. 270

5.3. Схема управления процессами роста. 272 Результаты и выводы по главе 5. 274 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ. 275 ЛИТЕРАТУРА. 279 Приложения. 305

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность работы. За последние годы некристаллические полупроводники, благодаря своим уникальным свойствам, стали базой многих устройств и приборов. Наиболее важным и перспективным среди них является аморфный гидрогенизированный кремний. Объем производства приборов на его основе, среди которых: электрофотографические слои, солнечные элементы, матрицы тонкопленочных транзисторов, значительно превышает производство других материалов этого класса. Однако, для разработки новых устройств на основе a-Si:H и Других неупорядоченных полупроводников: атомных сверхрешеток, многослойных гетероструктур, необходимо решение ряда проблем технологий, среди которых наиболее важными являются:

- аномально высокая чувствительность структуры, и как следствие свойств материала, к технологическим условиям. Это, с одной стороны приводит к слабой воспроизводимости характеристик получаемых слоев, а с другой стороны, делает невозможным определение собственных свойств a-Si:H;

- метастабильность структуры и характеристик a-Si:H, которая ограничивает возможности эксплуатации приборов на его основе, вызывает серьезные проблемы при использовании таких методов как диффузия, высокотемпературный отжиг дефектов, определяет чувствительность материала к внешним воздействиям;

- несовершенны алгоритмы оптимизации технологических режимов: нахождение оптимальной области в пространстве технологических параметров часто осуществляется путем простого перебора всех возможных вариантов ре-

жима, т.е. является следствие случайного эксперимента.

Эти проблемы связаны между собой и обусловлены тем, что до сих пор остаются не ясны закономерности формирования и последующей эволюции структуры а-8кН. Это выражается в отсутствии способов описания взаимосвязи между структурой, физико-химическими свойствами материалов и условиями их роста. Прежде всего это относится к различным структурным неодно-родностям, которые присутствуют даже в пленках "приборного" качества, и оказывают решающее влияние на стабильность их характеристик. Следует отметить, что аналогичная ситуация характерна для многих некристаллических материалов.

Сложность положения усугубляется тем, что возможности существующих подходов к анализу свойств неупорядоченных полупроводников, основные положения которых опираются на представления о гомогенной, случайной структуре и решающей роли ближнего и среднего порядков в формировании физических свойств материалов, весьма ограничены, а ряд проблем фундаментального характера до сих пор не решены. Это требует развития принципиально новых концепций аморфного состояния. Одним из возможных направлений является использование идей теории нелинейных процессов. Это связано с тем, что вещество, находящееся в процессе формирования твердотельной структуры имеет свойства характерные для неравновесных, самоорганизующихся систем. Такой подход открывает новые возможности в моделировании структуры аморфных материалов, процессов их роста и управления ими.

Проблемы воспроизводимого получения материалов с однородной струк-

турой важны и для технологий кристаллов. В частности, разнообразные структурные неоднородности от макро- до наноразмеров возникают во многих кристаллических материалах, выращиваемых по различным технологиям. Они влияют на структурно-чувствительные свойства, кинетику фазовых и структурных превращений, диффузионных процессов и часто ухудшают практически важные характеристики материалов.

Таким образом, указанные проблемы, обладают большой общностью и обуславливают необходимость развития представлений о закономерностях формирования структуры некристаллических полупроводников, и особенно структурных неоднородностях. Конечным итогом должно стать формирование технологий, позволяющих эффективно управлять ростом материалов с заданной структурой, а также программировать синтез новых материалов с уникальными свойствами.

Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей формирования структуры и термодинамических свойств некристаллических полупроводников и разработка принципов построения технологических систем для воспроизводимого выращивания материалов с заданными свойствами.

/

Поставленная цель вызывала необходимость решения следующих задач:

- исследовать структуру и термодинамические, электрофизические, оптические свойства пленок а-БШ, влияние на них технологических факторов, тер-

мообработок, примесей;

- рассмотреть процесс роста пленок a-Si:H с термодинамических позиций и определить закономерности формирования структуры неупорядоченных материалов;

- разработать; методологический подход к изучению структурных особенностей некристаллических полупроводников, способы определения инвариантных характеристик динамики формирования их структуры и идентификации в ней порядка;

- выявить основные причины неудовлетворительной воспроизводимости структуры и свойств некристаллических полупроводников, разработать инвариантные относительно различных технологий критерии воспроизводимости и определить способы ее улучшения;

- определить принципы моделирования структуры аморфных материалов и эффективного управления процессами ее образования.

Научная новизна.

Совокупность результатов исследований, приведенных в диссертационной работе, может быть представлена как новое перспективное направление: порядок и неоднородности в структуре неупорядоченных и кристаллических полупроводников с точки зрения теории сложных нелинейных систем

Научная новизна состоит в следующем:

- исследованы термодинамические характеристики a-Si:H и влияние на них технологических параметров, примесей кислорода и азота, термообрабо-

ток, обработок потоком ионов;

- впервые методом дифференциального термического анализа (ДТА) обнаружена низкотемпературная (до 400°С) экзотермическая релаксация в аморфном кремнии (a-Si) получаемом распылением;

- обнаружены структурные особенности в a-Si:H в виде правильных спиралей, окружностей с характерными размерами до 100 мкм;

- технологий получения твердотельных материалов рассмотрены с позиций теории самоорганизации и системного анализа на примере процесса роста a-Si:H в тлеющем разряде. Предложена модель роста a-Si;H в тлеющем разряде, в рамках которой показано, что в процессе синтеза возможно возникновение различных, в том числе и периодических режимов;

- экспериментально доказано, что структура поверхности a-Si:H и некоторых других материалов представляет собой "замороженный" динамический хаос;

- теоретически доказано, что системы, для которых пространственное распределение может быть описано как "замороженный" динамический хаос, были сформированы на стадии пространственно-временного хаоса;

- установлена взаимосвязь между характеристикам структуры материалов и инвариантными параметрами динамики ее формирования;

- впервые предложена модель роста, которая для одного вещества одновременно описывает структуры с различной степенью упорядочения: кристалл, аморфное состояние, различные структурные особенности аморфной матрицы;

- выявлены физические причины невоспроизводимости структуры мате-

риалов. Разработаны динамические критерии воспроизводимости и предложены способы их экспериментального определения;

- на примере a-Si:H и a-Si доказано, что при условии равенства средних эффективных энергий, энтропия аморфного состояния меньше энтропии кристаллического Si. На основании этого результата рассмотрены особенности эволюции структуры неупорядоченных материалов;

- разработаны принципы построения технологических систем для воспроизводимого выращивания материалов с заданными свойствами, основанные на знании динамики процессов формирования структуры.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- выявлено влияние технологических факторов: температуры подложки, мощности разряда, давления в камере, отжига, добавления примесей N2 и N20 на стабильность свойств a-Si:H. С этих позиций определены оптимальные технологические режимы, которые используются при получении элементов памяти, спектрально-чувствительных датчиков света на основе a-Si:H;

- разработаны, изготовлены и испытаны однократнопрограммируемые элементы памяти на основе a-Si:H (А.с.№ 1664085).

- разработаны способы идентификации порядка в структуре поверхности аморфных и кристаллических материалов;

- разработаны способы определения динамики роста материалов in situ и по характеристикам структуры материалов;

- разработаны динамические критерии воспроизводимости инвариантные

относительно технологических режимов и позволяющие оценивать влияние на воспроизводимость различных факторов и определять способы ее улучшения. Предложены экспериментального способы определения степени воспроизводимости;

- разработана методология построения технологических систем для воспроизводимого выращивания материалов с заданной структурой, основанная на принципе соответствия управляющих воздействий внутренним свойствам вещества.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Релаксационные процессы в a-Si:H, проявляющиеся в экзотермических пиках в спектре ДТА, неравновесными эффектами на кривых температурной зависимости темновой и фотопроводимости, определяются структурно-химической неоднородностью материала.

2. Релаксационные процессы в a-Si: H до 200°С обусловлены взаимодействием молекулярного водорода со слабыми Si-Si связями.

3. Структурные неоднородности в a-Si: H, аномальная зависимость термодинамических и электрофизических характеристик, в том числе и параметров ВАХ слоев a-Si:H в сильных электрических полях, от технологических факторов, примесей, неудовлетворительная воспроизводимость характеристик материала обусловлены неустойчивым характером процессов роста, определяемым хаотической динамикой.

4. Структура поверхности a-Si: H и некоторых других материалов пред-

ставляет собой "замороженный" динамический хаос;

5. Тип и некоторые инварианты динамики процессов роста материалов могут быть определены по структуре "замороженной" границы роста.

6. Системы, для которых пространственное распределение может быть описано как "замороженный" динамический хаос, были сформированы на стадии пространственно-временного хаоса.

7. Энтропия аморфного кремния меньше энтропии кристаллического при условии равенства средних эффективных энергий.

8. Принципы построения технологических систем для воспроизводимого выращивания материалов с заданными свойствами, основанные на соответствии управляющих воздействий внутренним динамическим процессам формирования структуры.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: по аморфным и жидким полупроводникам (Эйшвилл, США, 1989), международного исследовательского общества материалов (Сан-Франциско, США, 1996, 1997), по аморфным полупроводникам (Гармиш-Партенкирхен, ФРГ, 1991), "Некристаллические полупроводники-90" (Ужгород, 1989), по электротехническим материалам и компонентам (Алушта, 1995), "Критерии самоорганизации в физических, химических и биологических системах" (Суздаль, 1995), "Математика, компьютер, образование" (Дубна, 1996, 1997), "Тонкие пленки в электронике" (Харьков, 1997), на Всесоюзном научно-

техническом совещании "Пути совершенствования технологии полупроводниковых и диэлектрических материалов" (Одесса, 1988), IV и V Всесоюзных конференциях "Термодинамика и материаловедение полупроводников (Москва, 1989, 1997), III Всесоюзной конференции по физике и технологии тонких полупроводниковых пленок (Ивано-Франковск, 1990), конференции "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем" (Махачкала, 1990), III Всесоюзной конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов" (Кишинев, 1991), Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика-95" (Москва, 1995), научно-практической конференции "Человек, экология, здоровье" (Рязань, 1997), 1-ой Всесоюзной конференции "Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов технологии микроэлектроники" (Ленинград, 1989), на школе передового опыта ВДНХ СССР "Применение халькогенидных стеклообразных полупроводников в электрофотографии" (Москва, 1988)