Лабораторные работы №3 и 4

Раздел 2. НАНЕСЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК В ВАКУУМЕ

Тонкие пленки – это твердые слои толщиной не свыше 1-3 мкм.

Тонкие пленки различаются по материалу, структуре, характеру распределения вещества в слое. Их физические свойства могут значительно отличаться от соответствующих свойств массивных материалов. Это связано с размерными эффектами, влиянием поверхности пленок и подложки, иной, нежели у массивных материалов, структурой. Для тонких пленок становится важным такой обычно не существенный для массивных материалов фактор, как шероховатость поверхности, поскольку от неё зависит коэффициент зеркальности отражения электронов поверхностью, определяющий проводимость и другие кинетические характеристики пленки. Размеры структурных дефектов в тонких пленках могут быть сравнимыми с их толщиной и поэтому существенно влиять на их свойства. В пленках возможны механизмы прохождения тока, отсутствующие в массивных образцах, например, туннелирование электронов в островковых плёнках. Отношение площади поверхности к объёму у тонких пленок намного больше, чем у массивных тел. В результате их поверхностная энергия оказывается сравнимой с полной свободной энергией. Это проявляется в изменении, по сравнению с массивными материалами, равновесной концентрации вакансий и других термодинамических характеристик и в конечном счёте сказывается на механических, тепловых и других свойствах тонких пленок.

Электрофизические и эксплуатационные характеристики тонких пленок зависят от структуры и состава пленок (размера зерна, количества загрязняющих примесей), адгезии пленки к подложке, механических напряжений, окисляемости пленки и т.д. Наибольшее влияние на эти факторы оказывают чистота подложки и исходного материала, температура подложки и скорость осаждения, давление и состав остаточных газов вакуумной камеры, способ генерации осаждаемых атомов и молекул, сродство материала пленки и кислорода, привносимые дефекты и т.п.

Тонкие пленки широко и многообразно применяются в электронике (активные и пассивные элементы, межсоединения), архитектуре и строительстве (энергосберегающие и светозащитные покрытия на стекла), машиностроении (износостойкие покрытия на инструмент, твердосмазочные покрытия на детали узлов трения), оптике (просветляющие покрытия), медицине (антисептические покрытия) и многих других областях.

Для получения тонких пленок используют различные физические и химические процессы: термическое вакуумное испарение, ионное распыление, осаждение ионным распылением, электролиз, пиролиз, термическое окисление и ряд других.

Технологический процесс нанесения тонких пленок на поверхность включает в себя следующие основные операции: а) подготовка подложек (очистка и отмывка), б) загрузка подложек в камеру, в) создание в объеме камеры технологической среды и обеспечение режимов, необходимых для нанесения пленки, г) непосредственно нанесение пленки, д) выгрузка подложек, е) контроль параметров тонкой пленки.

Нужная конфигурация тонкопленочных элементов (их рисунок) создается осаждением через маски, фотолитографией, электронолитографией и другими способами.

Установка УВН-1, используемая при проведении лабораторных работ - установка вакуумного нанесения тонких пленок периодического действия. Установка предназначена для исследовательских работ в области технологии нанесения тонких пленок в вакууме. Схема установки приведена на рис. 13.

Рабочая камера установки, представляющая собой изготовленный из тугоплавкого стекла цилиндр, оснащена сменными фланцами, что позволяет производить нанесение пленок различными методами.

Вакуумная система установки снабжена диффузионным насосом с воздушным охлаждением и механическим насосом. Управление форвакуумной и высоковакуумной магистралями производится оператором при помощи электромагнитных клапанов. Напуск воздуха в вакуумную камеру осуществляется электромагнитным натекателем. Управление питанием клапанов, диффузионным и механическим насосами производится при помощи блока управления.

Для напуска рабочего газа в камеру установка оснащена натекателем и резервуаром для реагента. Для осуществления процесса нанесения пленок установка может комплектоваться двумя вариантами устройств: диодной распылительной системой и магнетроном, работающем на постоянном токе.

Р
ис. 13. Установка УВН-1: 1 – рабочая камера, 2 - сменный фланец, 3 – датчик давления, 4 – натекатель для напуска рабочего газа, 5 – натекатель для напуска атмосферного воздуха в камеру, 6 – система клапанов системы откачки, 7 – диффузионный насос, 8 – механический насос, 9 – резервуары для реагентов, 11 – клапаны.

Измерение толщины пленки производится интерференционным методом с помощью микроскопа МИИ-4. Интерференционный метод позволяет оценить толщину прозрачных и непрозрачных пленок, нанесенных на подложке. Диапазон находится в пределах от 0,3 до 1,0 мкм. Реализуется интерференционный метод с помощью микроскопа МИИ-4 (рис. 14). Действие прибора основано на многолучевой интерференции света, получаемой разделением пучка лучей, исходящего из одной точки источника света на два пучка (рис. 15). В точках поля, где разность хода кратна половине длины волны, в результате сложения двух систем волн в фокальной плоскости окуляра наблюдаются интерференционные полосы в виде темных линий. Пучок интерферируемого света, попадая на прозрачный слой, приводит к. появлению двух групп полос, а попадая на ступеньку из непрозрачного слоя, в ызывает искривление системы полос (рис.16).

Р ис. 14. Внешний вид интерференционного микроскопа МИИ-4.

Рис. 15. Схема измерения толщины прозрачных (а) и непрозрачных (б) пленок.

Рис. 16. Поле зрения окуляра микроскопа МИИ-4 при измерении толщины прозрачных (а) и непрозрачных (б) пленок.

Для прозрачного слоя толщина определяется из следующего соотношения:

D = k * A/B * 1/n, (14)

где – А – расстояние между двумя системами полос, В – расстояние между отдельными полосами, k – коэффициент, зависящий от длины волны света, n – показатель преломления пленки.

Для непрозрачного:

D = k * A/B, (15)

где – А – величина искривлени системы полос, В – расстояние между отдельными полосами, k – коэффициент, зависящий от длины волны света. Коэффициент k равен 0,27 для белого света, 0,295 – для желтого, 0,265 – для зеленого.

Лабораторная работа № 3. Изучение процесса нанесения тонких пленок методом термовакуумного испарения.

1. Основные сведения о физических закономерностях процесса нанесения тонких пленок методом термовакуумного испарения

В настоящей работе осаждение тонких пленок в вакууме осуществляется методом термического испарения, а энергия к испаряемому веществу подводится резистивным нагревом (рис. 17).

Рис. 17. Нанесение пленок методом термовакуумного испарения (а). Схема резистивного нагрева (б).

Процесс термовакуумного нанесения можно разбить на четыре этапа:

а) Термовакуумное испарение вещества. Вещества переходят в пар при любой температуре выше абсолютного нуля, но чтобы увеличить интенсивность парообразования их нагревают. С увеличением температуры повышается средняя кинетическая энергия атомов и вероятность разрывов межатомных связей. Атомы отрываются от поверхности и распространяются в свободном пространстве, образуя пар.

Давление пара p_нас, соответствующее равновесному состоянию системы, когда число атомов, покидающих поверхность вещества, равно числу возвращающихся атомов, называют давлением насыщенного пара. Давление насыщенного пара сильно зависит от температуры. Приращения температуры на каждые 5…10% сверх температуры испарения приводят к увеличению давления насыщенного пара, а следовательно, и скорости испарения на один порядок.

Скорость термического испарения чистого металла (т.е. количество вещества в килограмах, покидающее 1 м² поверхности за 1 с) можно рассчитать по формуле:

(16)

или в нм/с:

(17)

где p_нас – давление пара испаряемого вещества при температуре испарения, Па, М_м – молекулярная масса испаряемого материала, кг/кмоль, Т_и – температура испарения, К, - плотность.

б) Распространение молекулярного потока испаряемых частиц от испарителя к подложке. Молекулярный поток испаряемых частиц на своем пути встречает молекулы остаточного газа. Возникающие при этом неблагоприятные столкновения, изменяя траектории частиц пара, оказывают влияние на физико-механические свойства осаждаемых пленок, приводят к потерям испаряемого материала за счет нанесения на внутрикамерную оснастку и стенки камеры, уменьшают скорость нанесения пленки. Такие столкновения не происходят, если длина свободного пробега молекул пара  превышает расстояние испаритель-подложка d:

(18)

(19)

где p – давление остаточного газа, Па.

Начиная с давления p10-3 Па средняя длина свободного пробега частиц газа становится больше расстояния от источника до подложки, которое в промышленных установках не превышает 30 см. С этого давления вероятность столкновений в пролетном пространстве с молекулами остаточных газов невелика. Можно считать, что частицы напыляемого вещества беспрепятственно распространяются прямолинейно направленным молекулярным потоком, сохраняя свою энергию до встречи с подложкой.

в) Конденсация пара на поверхности подложки зависит от температуры подложки и плотности атомарного потока. Молекулы (атомы) пара, достигшие подложки, могут мгновенно отразиться от нее (упругое столкновение), адсорбироваться и через некоторое время отразиться от подложки (реиспарение), адсорбироваться и после кратковременного мигрирования по поверхности окончательно остаться на ней (конденсация).

Конденсация молекул (атомов) происходит, если их энергия связи с подложкой больше средней энергии атомов подложки, в противном случае молекулы отражаются. Если подложка нагрета, энергия ее атомов выше, вероятность конденсации пара ниже.

Температура, выше которой при данной плотности потока пара все молекулы отражаются от подложки и пленка не образуется, называется критической температурой конденсации. Критическая температура зависит от природы материала пленки и подложки и от состояния поверхности подложки.

При определенной температуре подложки, меньшей критической, конденсация пара возможна только при условии пересышения пара, то есть для конденсации существует критическая плотность потока. Критической плотностью потока для данной температуры подложки называется наименьшая плотность, при которой молекулы конденсируются на подложке.

г) Образование зародышей происходит в результате нахождения молекулами мест сильной связи (сил Ван-дер-Ваальса) с подложкой, соответствующих минимуму свободной энергии системы молекула-подложка. Если же на пути своего движения обладающая избытком энергии молекула встречает место слабой связи с подложкой, то происходит реиспарение. Рост зародышей продолжается за счет присоединения новых молекул, мигрирующих по поверхности или попадающих в зародыши непосредственно из пролетного промежутка источник-подложка.

д) Рост пленки. По мере конденсации зародыши растут, между ними образуются соединяющиеся мостики, зародыши сливаются в крупные островки. После этого наступает стадия слияния островков с образованием единой сетки. Сетка переходит в сплошную пленку, которая начинает расти в толщину. С этого момента влияние подложки исключается и частицы пара от поверхности пленки практически не отражаются.

Скорость осаждения пленки v_o зависит от скорости испарения, площади испарителя S_и, расстояния r между испарителем и подложкой и углов испарения  и конденсации: