Способ получения черни для поглотителей излучения

 

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧЕРНИ ДЛЯ ПОГЛОТИТЕЛЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ, включающий ионную бомбардировку поверхности полупроводниковой подложки, о т л №чающийся тем, что, с целью ;улучшения качества поглощаницей поверхности , в качестве материала подложки используют кремний, а бомбардировку проводят ионами переходных 3d-элементов с энергией ионов 20- 200 кэВ дозой 8« 4-10® ион/cijt и плотностью потока ионов 2, - 1,5Ю ион/см, с.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (191 (И) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3701725/24-25 (22) 17.02.84 (46) 15.12.85. Бюл. И 46 (71) Казанский физико-технический институт Казанского филиала АН СССР (72) В.Ю. Петухов, И.Б. Хайбуллин и М.М. Зарипов (53) 621.382.002(088.8) (56) Gilbert L.R. et al> Synchrotron stady of the structure of silicon, Thin solid Films, 1978, ч. 54, р. 149-157.

Авторское свидетельство СССР

Ф 782610, кл. Н 01 Ь 21/265, 1981. (59 у Н 01 L 21/265 .. (54) (57) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧЕРНИ ДЛЯ

ПОГЛОТИТЕЛЕИ ИЗЛУЧЕНИЯ, включающий ионную бомбардировку поверхности полупроводниковой подложки, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью улучшения качества поглощающей поверхности, в качестве материала под" ложки используют кремний, а бомбардировку проводят ионами переходных

3d-элементов с энергией ионов 20200 кэВ дозой 8 10 - 4 "1О ион/см

Щ е

I+ и плотностью потока ионов 2 5 !О

1,5"10 ион/см . с.

1 11

Изобретение относится к способам получения покрытий с низким коэффициентом отражения и высокой поглощательной способностью и может быть использовано для создания полупровод" никовых фототермических преобразователей солнечной энергии в видимой и ближней инфракрасной (ИК) областях электромагнитного изЛучения.

Для получения высокоэффективных фотометрических преобразователей энергии необходимо, чтобы поглощающая поверхность имела возможно низкий коэффициент отражения, высокий коэффициент поглощения и возможно низкий коэффициент. излучения. Полупроводники обычно. имеют высокую селективную поглощательную способность и, нанесенные на подходящие.металлические подложки, низкий коэффициент излучения. Однако из-за высокого коэффициента преломпения отражение в видимом и ИК диапазонах для большинства полупроводников велико (507.).

Дпя уменьшения такого высокого коэффициента отражения существует два основных метода. Первый метод— это нанесение просветляющих пленок из материала, у которого коэффициент преломления и равен геометрическому среднему от коэффициентов преломления подложки и и среды, в которой находится преобразователь, и,. Однако такие просветляющие пленки эффективны только в узком диапазоне длин волн. Другой метод — на- несение на поверхность полупроводника пленок с плавным уменьшением коэффициента преломления от величины и < до значения п . Пленки с изменяемым коэффициентом преломления можно получать из многокомпонентных мелкодисперсных соецинений.

Практически это можно осуществить, сформировав на поверхности полупроводника колончатую структуру„

Дпя эффективной "работы" TGKQH IIo верхности необходимо, чтобы размеры колонн в плоскости пленки были порядка или меньше, чем длина волны падающего излучения, а. толщина переходного слоя (т.е. высота колонн) должна быть, по крайней мере, не менее четверти длины волны.

Известен способ получения черни

Ъ лпя поглотителей излучения, вкпючаю-

623С41

10 !

З5

50 щий химическое травление аморфного германия.

Суть этого способа заключается в формировании на поверхности полупроводника неоднородного покрытия (маски) с переменным по площади поверхности коэффициентом травления и последующем селективном травлении поверхности образца. Недостатками известного способа является сложность осуществления и многостадийность процесса. Кроме того, поглотители на основе Ge имеют низкие рабочие температуры и низкие механические характеристики (механическая прочность на истирание, твердость).

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ получения черни для поглотителей излучения, включающий ионную бомбардировку поверхности полупроводниковой подложки.

Способ заключается в том, что поверхность пластины из германия бомбардируют в вакуумной камере ионно-лучевого ускорителя ионами с массой М > 55 (например, j:++ ) при дозах облучения Д 7 3 -1О ион/см плотности ионного тока,j 6 1 мкА/см и температуре мишени Т «100 С. жиы

В результате на поверхности пластины образуется ионнолегированный слой с низким коэффициентом отражения в видимой и ближней ИК областях спектра.

Этот способ имеет ряд преимуществ перед другими известными способами, а именно: высокую адгезию между черным слоем и подложкой, относительно простую технологию получения, возможность контроля режимов технологических операций.

Однако этот способ имеет и существенные недостатки: относительно низкую максимальную рабочую температуру, малую механическую прочность на истирание и невысокую твердость поглощающей поверхности.

Цель изобретения — улучшение качества поглощающей поверхности.

Цель достигается тем, что по способу получения черни для поглотителей излучения, включающему ионную бомбардировку поверхности полупроводниковой подложки, в качестве материала подложки используют кремний, а бомбардировку проводят ионами переходных 3d-элементов с энергией ио1162341 ющими условиями.

3 нов 20-200 кэй дозой 8.10 —

4 10 ион/cM и плотностью потока е г ионов 2,5 10 — 1,5-10 ион/см с.

)4 (5 г

Выбор материала полупроводниковой подложки обусловлен тем, что из всех известных и широко доступных полупроводников кремний обладает наиболее высокими термическими и механическими свойствами, Тип бомбардирующего иона и режи- 10 мы ионной бомбардировки определяются механизмом формирования колончатого микрорельефа поверхности образца. ю Известно, что при ионной бомбардировке полупроводника большими доза- 15 ми концентрация бомбардирующего элемента может достигать значений, соответствующих стехиометрическим .соот ношениям для соединений. Кроме того, если растворимость легирующих атомов 20 в полупроводнике мала, а скорость их диффузии велика, то внедряемые в подложку атомы либо выпадают в осадок, либо образуют соединения. Причем так как в процессе ионной бомбардировки 25 образуются также микропоры.и выделение вторичных фаз происходит на них (в общем случае на всех протяженных дефектах структуры), то вторичные фазы образуются в мелкодисперсном у виде. При этом максимум распределения по глубине находится примерно на расстоянии среднего проецированного пробега от поверхности. Одновременно с процессом синтеза при ионной бомбардировке происходит интенсивное распыление поверхности, При больших дозах бомбардировки поверхностный слой распыляется, и вторичные фазы

"выходят" на поверхность. Коэффициент распыления после этого становится существенно неоднородным по площади поверхности образца, и распыление далее идет селективно: коэффициент распыления у кремния вьппе, чем у силицидов. Таким образом на поверх" ности образца формируется колончатый микрорельеф.

Условиям, накладываемым на бомбар50 дирующий элемент 1малая растворимость и высокий коэффициент диффузии в подложке Si), удовлетворяют Зс1-элементы (например, Fe Со, Ni, Mn, V

Cr).

Режимы ионной бомбардировки указанных элементов определяются следуЭнергия определяет, во-первых, глубину образования вторичных фаз, и, во-вторых, необходимый (максимальный) коэффициент распыления бомбардируемого вещества. Максимум коэффициента распыпения для Si находится в диапазоне 10-100 кэВ. Кроме того, минимальное значение энергии должно обеспечивать накопление концентрации бомбардирующего элемента для образования вторичных фаз до того, как последние вследствие распыления "выйдут" на поверхность. Экспериментально это значение определено в 20 кэВ. Максимальное значение энергии (200 кэВ) обусловлено тем

/ что при больших значениях энергии глубина образования вторичных фаз значительно увеличивается (» 2000 А), что приводит к необоснованному увеличению дозы облучения для формирования неоднородного слоя.

Плотность потока ионов ) влияет на образование требуемой структуры как за счет увеличения коэффициента распыления при возрастании j так и посредством увеличения температуры поверхности образца с ростом j.

Минимальное экспериментально найденное значение j при котором образуется колончатая структура, равно

2,5 10 ион/см: с. При увеличении j

11 г выше 1,5 10 ион/см . с температура !

5 образца может возрасти более чем до

600 С. Известно, что при Т » 600 С о о в Si отжигаются все радиационные нарушения и, таким образом, не образуются центры образования мелкодисперсных вторичных фаз. Кроме того, Ю при Т > 1000 С распадается большинство силицидов Зй-элементов.

Доза облучения Д должна, во-первых, обеспечивать концентрацию внедряемого компонента, необходимую для синтеза силицида. Во-вторых, необходимо, чтобы с поверхности образца распылился слой, достаточный для образования требуемой структуры. Оба эти фактора ограничивают минимальр ное значение Д величиной 8 10 ион/

/см . Сверху величина Д в принципе

2 . не ограничена. Однако, учитывая тот факт, что увеличение дозы облучения вьппе некоторого значения практически не влияет на коэффициент отражения поглотителя и, кроме того, необоснованно увеличивает время ионной бомбардировки, верхнее значение

25 Таким образом, предложенный способ получения черни для поглотителей излучения в видимом и ближнем ИК диапазоне, сохраняя преимущества преобразователей солнечной энергии на основе германия (по прототипу), а именно . высокую адгезию между черным слоем и подложкой, относительно простую технологию и точный контроль режимов технологических операций, имеет также дополнительные пре,имущества: широкий диапазон рабочих температур и более высокую механическую прочность и твердость., Составитель !О. Кондратьев

Редактор О. Юркова Техред M.Ãåðãåëü Корректор M. Самборская

Эаказ 8128/2 Тираж 678 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий !

13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4!5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

116234 дозы обпучения составляет 4 1О ион/

/см г

Пример ы.

Полированные механически и химически монокристаллические пластины кремния р-типа ЭКДБ-10 и и-типа

ЭКЭФ-!О бомбардируются в вакуумной камере ионно-лучевого ускорителя

ИЛУ-3 ионами Ге, Со, Ni, Р, As

+ + .+ + +

Sb . Энергия ионов составляет 20- !и а

200 кэВ, доза изменялась от 2 10

В -Х до 4,0 10 см . Плотность ионного тока варьировалась в пределах (0,6-15,0) 10 см с

Оптические спектры записывались на спектрофотометре ИКС-14А со стандартной приставкой ИПО-22 до и после термического нагрева в потоке сухого азота.

Измерение механической прочности 2О черни на истирание производится метоцом скользящего нагруженного резинового индентора путем многократного прохождения. Степень прочности на истирание оценивалось числом прохождений И до появления следов подложки при одинаковой нагрузке на индентор (200 r).

Полученные в ходе испытаний результаты сводятся к следующему.

Чернь образуется при указанных ниже режимах бомбардировки кремния ионами Fe, Со, Ni и не образуют+ ф ° + сз при бомбардировке кремния ионами

Р . Аз, Hb

Образование черни практически не зависит от типа бомбардирующих Зйэлементов (Fe, Со, Ni).! б

Образование черни зависит от режимов ионной бомбардировки: энергии, дозы, плотности ионного тока, При энергии выше 20 кэВ и дозе 1,25

ie -г

410 см чернь появляется при плотl4 -2 -f ности ионного тока выше 2 10 см с

Коэффициент отражения R при плотносС4 -2 — ти ионного тока 2,5 IO см с уменьшается с увеличением дозы бом17 -2 бардировки до 9 ° О см, достигая уровня 27 (при A = мкм); при дозе 8"IO см II= IOX (при A — 1 мкм).

Спектр отражения образца, подвергнутого термическому отжигу при о

Т = 1000 С в течение 30 мин, практически идентичен спектру отражения образца до отжига.

Образцы черни, полученные по предлагаемому способу, обладают большей механической прочностью на истирание относительно образцов, полученных по прототипу.