Лабораторные работы №3 и 4, страница 2

(20)

где  - угол между направлением пучка паров и нормалью к поверхности испарителя,  - угол между направлением потока паров и нормалью к поверхности подложки.

Скорость осаждения пленки и давление остаточных газов в рабочей камере определяют такие параметры пленок, как размер зерна, пористость, удельное сопротивление, оптические свойства и т.п.

2. Порядок выполнения работ

Перед проведением практической части лабораторной работы студенты должны изучить правила техники безопасности и расписаться в журнале.

Выполнять работу необходимо в следующем порядке:

1. Ознакомиться с физическими основами процесса нанесения тонких пленок методом термовакуумного напыления,

2. Ознакомиться с принципом работы интерференционного микроскопа МИИ-4,

3. Получить у преподавателя задание и таблицу с физическими параметрами испаряемых материалов,

4. Установить в рабочую камеру установки испарители, испаряемые материалы и предварительно очищенные подложки с закрепленными на них масками,

5. Произвести осаждение пленки, замерить время осаждения.

6. Разгерметизировать камеру и вынуть образцы,

7. На основании выражения (7) произвести расчет толщины осажденной пленки,

8. Измерить толщину пленки с помощью микроскопа МИИ-4, сравнить расчетную и измеренную толщины пленок,

9. Подготовить отчет (см. Приложение 3).

3. Контрольные вопросы

1. В чем заключается сущность метода термовакуумного испарения?

2. Перечислите этапы нанесения пленки на поверхность термовакуумным методом.

3. Каким образом обеспечивается беспрепятственное попадание потока испаряемого вещества на подложку?

4. От чего зависит скорость осаждения пленки?

5. В чем заключается принцип действия интерференционного микроскопа?

Лабораторная работа № 4. Изучение процесса нанесения тонких пленок методом химического осаждения из газовой фазы

1. Основные сведения о процессе нанесения тонких пленок методом химического осаждения из газовой фазы

М
етод химического осаждения тонких пленок осуществляется при напуске в рабочую камеру (реактор) смеси газов, содержащей компоненты получаемой пленки. Существуют методы непосредственно химического осаждения атомов и молекул из газовой фазы (CVD-методы: Chemical Vapour Deposition), газофазная эпитаксия, термическое окисление, методы плазмо-химического осаждения. Химическое осаждение пленки из газовой фазы подразумевает собой процесс, при котором химическая реакция, происходящая в газовой фазе над поверхностью подложки, вызывает рост пленки на этой поверхности (рис. 18).

Рис. 18. Нанесение пленок CVD-методом.

Процесс CVD нанесения пленок можно разбить на следующие этапы:

а) Подача исходных реагентов в зону осаждения к подложкам.

б) Взаимодействие исходных реагентов и образование промежуточных продуктов. В ряде случаев полные молекулы рабочего газа (или смеси рабочих газов) являются химически пассивными и не могут участвовать в процессе роста пленки. Поэтому рабочий газ активируют. Для активации обычно используют методы температурного или плазменного стимулирования взаимодействия реагентов. Промежуточные продукты взаимодействия переносятся к поверхности подложек.

в) Образование зародышей. На этом этапе происходит процесс адсорбции. Активные радикалы легко диффундируют на поверхности подложки и образуют химические связи, осуществляя, таким образом, первую стадию образования плеочного слоя. Газообразные продукты реакции десорбируют с поверхности и эвакуируются из зоны осаждения.

г) Рост пленки. С течением реакции количество зародышей растет, 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.

Морфология получаемой пленки очень сильно зависит от состава рабочего газа и температуры проведения процесса. Ключевым моментом, определяющим однородность осаждения слоев из газовой фазы, является соотношение скоростей роста пленки на подложке и массопереноса реагентов к подложке. Если скорость роста превышает скорость массопереноса или соизмерима с ней, процесс протекает в «диффузионной» области, и осаждаемые слои имеют большую неоднородность по толщине. Если же скорость роста слоя намного меньше скорости массопереноса, то процесс идет в «кинетической» области, то есть рост слоев лимитируется скоростью химической реакции, а не массопереносом, и достигается высокая однородность осаждения слоев.

CVD-осаждение предпочтительнее производить при пониженном давлении. В этом случае, во-первых, концентрация активных компонентов по поверхности подложки остается постоянной, во-вторых, возрастает скорость диффузии, и процесс переходит в кинетическую область. Скорость осаждения пленки рассчитывается из выражения:

(21)

где V_о^max – максимальная скорость осаждения пленки, мкм/с, T_п – температура подложки, К, n – количество осаждающихся из газовой смеси компонентов, p_i – парциальное давление осаждающихся из газовой смеси компонентов, Па, _i – плотность осаждающихся из газовой смеси компонентов, кг/м³, M_i - молекулярная масса осаждающихся из газовой смеси компонентов, кг/кмоль.

При CVD-осаждении слоев обычно контролируют следующие параметры процесса: температура осаждения, общее (рабочее) давление в реакторе, газовые потоки или парциальные давления реагентов, общий газовый поток.

2. Порядок выполнения работ

Перед проведением практической части лабораторной работы студенты должны изучить правила техники безопасности и расписаться в журнале.

Выполнять работу необходимо в следующем порядке:

1. Ознакомиться с физическими основами процесса нанесения тонких пленок методом химического осаждения из газовой фазы,

2. Ознакомиться с принципом работы интерференционного микроскопа МИИ-4,

3. Получить у преподавателя задание и таблицу с физическими параметрами компонентов газовой смеси,

4. Установить в рабочую камеру установки предварительно очищенные подложки с закрепленными на них масками,

5. Произвести осаждение пленки, замерить время осаждения.

6. Разгерметизировать камеру и вынуть образцы,

7. На основании выражения (8) произвести расчет толщины осажденной пленки,

8. Измерить толщину пленки с помощью микроскопа МИИ-4, сравнить расчетную и измеренную толщины пленок,

9. Подготовить отчет (см. Приложение 4).

3. Контрольные вопросы

1. В чем заключается сущность метода химического осаждения из газовой фазы?

2. Перечислите этапы нанесения пленки CVD-методом?

3. От чего зависит скорость осаждения пленки?

4. Чем определяются свойства осажденной CVD-методом пленки?

5. Каким образом можно сформировать нужную конфигурацию тонкопленочных элементов?

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

М ГТУ им. Н.Э. БАУМАНА КАФЕДРА МТ -11 ЛАБОРАТОРИЯ "ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ"

СТУДЕНТ…………………………… ГРУППА МТ 11 - 6… ДАТА ….. .……………….. 200…. г.

ОТЧЕТ

ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 3

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ ТЕРМОВАКУУМНОГО ИСПАРЕНИЯ

1. Результаты работы

Материал подложки	Материал пленки	Необходимые для расчетов характеристики пленки	Режимы нанесения, в т.ч. время нанесения	Параметры А, В (МИИ-4)	Толщина пленки, мкм
					Расч.	Измер.

1. Расчет толщины пленки по теоретической зависимости и по результатам измерений на микроскопе МИИ-4.

Рассчитываемая величина	Расчетное выражение	Исходные данные для расчета с размерностью	Расчет	Размер-ность
Скорость испарения, vи
Скорость осаждения, vo
Толщина пленки (расч.)
Толщина пленки (МИИ-4)

1. На обратной стороне листа следует привести ответы на контрольные вопросы.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

М ГТУ им. Н.Э. БАУМАНА КАФЕДРА МТ -11 ЛАБОРАТОРИЯ "ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ"

СТУДЕНТ…………………………… ГРУППА МТ 11 - 6… ДАТА ….. .……………….. 200…. г.

ОТЧЕТ

ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 4

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ ХИМИЧЕСКОГО ОСАЖДЕНИЯ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

1. Химические реакции, протекающие при осаждении пленки.

1. Результаты работы

Материал подложки	Материал пленки	Необходимые для расчетов характеристики пленки	Режимы нанесения, в т.ч. время нанесения	Параметры А, В (МИИ-4)	Толщина пленки, мкм
					Расч.	Измер.

1. Расчет толщины пленки по теоретической зависимости и по результатам измерений на микроскопе МИИ-4.

Рассчитываемая величина	Расчетное выражение	Исходные данные для расчета с размерностью	Расчет	Размер-ность
Скорость осаждения, vo
Толщина пленки (расч.)
Толщина пленки (МИИ-4)

1. На обратной стороне листа следует привести ответы на контрольные вопросы.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

М ГТУ им. Н.Э. БАУМАНА КАФЕДРА МТ -11 ЛАБОРАТОРИЯ "ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ"

СТУДЕНТ…………………………… ГРУППА МТ 11 - 6… ДАТА ….. .……………….. 200…. г.

ОТЧЕТ

ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 3

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ

МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

1. Результаты работы

Материал подложки	Материал пленки	Необходимые для расчетов характеристики пленки	Режимы нанесения, в т.ч. время нанесения	Параметры А, В (МИИ-4)	Толщина пленки, мкм
					Расч.	Измер.

1. Расчет толщины пленки по теоретической зависимости и по результатам измерений на микроскопе МИИ-4.

Рассчитываемая величина	Расчетное выражение	Исходные данные для расчета с размерностью	Расчет	Размер-ность
Скорость распыления, vи
Скорость осаждения, vo
Толщина пленки (расч.)
Толщина пленки (МИИ-4)

20