Конспект лекций, страница 3

При молекулярно-лучевом методе D05 используются эффузионный источник в виде ячейки Кнудсена и капиллярный испаритель, в которых энергия к веществу подводится благодаря резистивному нагреву. Наличие тепловых экранов и контроль температуры обеспечивают одинаковую энергию испаренных частиц E и идеальную диаграмму распределения частиц по направлениям (косинусоидальный закон Кнудсена).

Сущность метода осаждения тонких пленок в вакууме ионным распылением D1 заключается в выбивании (распылении) атомов вещества из поверхностных слоев мишени высокоэнергетичными ионами рабочего газа (обычно инертного Ar). Ионы образуются в газовом разряде при давлении p_р.г. = 10 - 5^.10^-2 Па и ускоряются до энергии 0,7 - 5 кэВ вследствие приложения к мишени отрицательного потенциала в 0,7 - 5 кВ. Распыленные из мишени атомы осаждаются в виде тонкой пленки на поверхности подложки.

Различают ионно-плазменный D10 и ионно-лучевой D11 методы, в которых используются тлеющий (типы D100, D101, D103, D104 и D105) и несамостоятельный (D102) газовый разряды, а также, автономные источники ионов Кауфмана (с горячим катодом - тип D110) и Пеннинга (с холодным катодом - тип D111). При использовании в качестве рабочего газа смеси из Ar и химически активного газа (O₂, N₂ и т.п.) реализуется реактивный метод осаждения оксидов, нитридов и т.п. (типы - D10_R и D11_R).

Достоинствами метода осаждения тонких пленок ионным распылением являются универсальность (можно наносить металлы, сплавы, диэлектрики, магнитные композиции), регулируемая скорость осаждения V_о и относительно простая конструкция. К недостаткам относятся не высокая чистота осаждаемой пленки (из-за наличия рабочего раза), низкая и нерегулируемая энергия осаждаемых частиц E.

Тонкопленочные покрытия получают путем испарения вещества взрывом D2 при импульсном воздействии на него лазерного излучения D20 или электронного пучка D21, а также, при пропускании мощного импульса тока через образец из наносимого материала в форме тонкой проволоки или фольги D22. Продукты взрыва с большой скоростью (энергия частиц E составляет 1 - 10 эВ) переносятся к подложке (детали) и конденсируются на ее поверхности в виде тонкой пленки.

Достоинством метода является высокая скорость осаждения V_о и хорошая адгезия тонкопленочного покрытия, однако его применение ограничено сложностью реализации и большой неравномерностью толщины пленки.

Осаждение тонких пленок дуговым разрядом в вакууме D3 происходит за счет эрозии вещества в сильноточных дуговых разрядах (с холодным D30 и горячим D31 катодом), образования ионизированной паровой фазы (20 - 100 % ионов), переносе ее с большой скоростью (энергия частиц E - до 10 эВ) и конденсации на поверхности подложки.

К достоинствам метода осаждения тонких пленок дуговым разрядом в вакууме относятся: практически неограниченная электрическая мощность; высокий коэффициент ионизации испаряемых частиц K_и; возможность получения пленок сплавов, окислов, нитритов, карбидов и т.п., причем, как путем использования мишеней из этих материалов, так и реактивным методом (типы D30_R и D31_R); отсутствие необходимости в дополнительном газе для ионизации; скорость осаждения V_о - максимально возможная (ограничивается допустимым потоком энергии на поверхность конденсации). Недостатками являются наличие в потоке осаждаемого вещества капельной фазы, нерегулируемая энергия частиц E и относительная сложность конструкции дуговых источников.

В основе методов ионного осаждения тонких пленок D4 лежит сочетание двух процессов: 1) генерации плазмы исходного вещества с помощью одного из типов электрического разряда или ВЧ-индуктора и 2) ускорения ионов или всей квазинейтральной плазмы с последующей конденсацией на поверхности подложки (детали). Исходное вещество получают с помощью одного из методов термического испарения D0 (термо-ионный метод D40); из газовой смеси, содержащей компоненты осаждаемой пленки (ионно-плазменный D41 и ионно-лучевой D42 методы); с помощью дугового разряда D3, который используется как первая ступень плазменного ускорителя (плазмотронный метод D43).

Основными достоинствами метода ионного нанесения тонких пленок являются регулируемая в широких пределах энергия осаждаемых частиц E (оптимальной считается энергия E_опт = 100 эВ) и высокая скорость осаждения V_о, а главными недостатками - сложность реализации и распыление конструкционных материалов, а, следовательно, и загрязнение плазмы и получаемой пленки.

Метод химического осаждения тонких пленок D5 осуществляется при напуске в рабочую камеру (реактор) смеси газов, содержащей компоненты получаемой пленки, и делится на осаждение атомов и молекул непосредственно из газовой фазы D50 и плазмо-химическое осаждение электрически нейтральных атомов, молекул и радикалов D51. Существуют CVD-методы (D500 и D501), газофазная эпитаксия (D502), термическое окисление (D503), методы плазмо-химического осаждения (D510 - D513).

Главными преимуществами метода химического осаждения являются широкий диапазон скоростей осаждения V_о и возможность получения заданной кристаллической структуры пленки (вплоть до монокристаллов), а основным недостатком - использование токсичных, экологически небезопасных газовых смесей.

Особенностью технологии тонких пленок является возможность управлять параметрами тонкопленочных покрытий с помощью изменения структуры и геометрических размеров пленки (в первую очередь толщины), а также ее состава. Получать пленки с заданным составом можно реактивным нанесением, путем использования мишеней сложного состава, с помощью одновременного осаждения различных материалов из нескольких источников.

Реактивным методом можно получить пленки оксидов, нитридов, карбидов и т.п. (Рис.24). Условием стабильности процесса является выполнение неравенства p_реак.< p_кр, где p_реак – парциальное давление реактивного газа; p_кр - критическое давление, при котором происходит изменение химического состава поверхности мишени, приводящее к заметному изменению режимов осаждения пленки (т.е. скорость испарения или распыления мишени должен быть больше, чем скорость ее окисления, нитридизации и т.п.). В качестве примера можно привести изменение энергии межатомных связей U₀ распыляемого материала и его оксида: U_0(Ti)=4,9 эВ; U_0(TiO)=6,8 эВ; U_0(Al)=3,2 эВ; U_0(Al2O3)=19,2 эВ. Величина p_кр рассчитывается исходя из условия наибольшей вероятности осуществления химической реакции на подложке

, Па,

где V_р – скорость распыления мишени, нм/с; G - свободная энергия образования окисла, нитрида, карбида и т.п., Дж/атом. Парциальное давление реактивного газа p_реак можно рассчитать из условия превышения плотности ионного тока j_i на мишени над потоком реактивного газа на мишень , т.е.

.

С помощью реактивного осаждения наносят, например, пленки иттриевого феррограната Y₃Fe₅O₁₂ в среде Ar с добавлением 20% О₂, причем поликристаллическая пленка получается при температуре подложки T=922 К, а аморфная – при T<922 К; пленки силицидов металлов (для затворов МОП-транзисторов, выпрямляющих контактов диодов Шоттки и др.) MoSi, WSi, PtSi и других в плазме Ar-SiH₄ и последующим вжиганием при T>1300 К; сверхпроводящие пленки NbN (температура сверхпроводимости T_с=11-15 К) при распылении мишени из Nb в среде Xe-N₂; пленки ПАВ из AlN на стеклянной подложке в среде N₂-H₂; пленки фторопласта-4 при распылении мишени из политетрафторэтилена с хорошим охлаждением с добавлением CF₄ к Ar.

Испарением или распылением мишеней сложного состава можно получать, например, магнитооптические пленки GdCo или SmCo, причем в первом случае состав мишени: 25% гадолиния и 75% кобальта, а во втором – 50% самария и 50% кобальта; силициды тугоплавких металлов MoSi (Рис.25 а), WSi, PtSi и т.п., причем стехиометрические составы пленки и мишени совпадают несмотря на то, что каждый элемент распыляется отдельно и существует различие в коэффициентах распыления компонентов; дисульфиды и диселениды металлов (твердые смазки), например, MoS₂ (Рис.25 б), который распыляется целой молекулой, т.к. связь между атомами серы и молибдена значительно больше межмолекулярных связей.

Осаждение многокомпонентных или легированных пленок из нескольких источников, например, полупроводниковой пленки Si легированной Sb (Рис.26), позволяет получать необходимый стехиометрический состав тонкопленочного покрытия, например, сверхпроводящей пленки Nb_0,748Ge_0,252, строго управлять уровнем легирования (можно получать сложные профили легирования, сверхрешетки с практически любым -параметром кристалла).

В машиностроении технология тонких пленок используется для повышения стойкости режущего инструмента, упрочнения деформационного инструмента, уменьшения трения и увеличения износостойкости деталей машин.

Широкое распространение получили архитектурные и автомобильные стекла с теплосберегающими тонкопленочными покрытиями, которые обеспечивают необходимое пропускание видимого света и высокое отражение в инфракрасном диапазоне. Это достигается нанесением в вакууме многослойных покрытий типа «оксид – металл - оксид» толщиной 100 – 300 нм. Наиболее эффективным методом нанесения оксидных слоев является магнетронный реактивный на переменном токе.

Кроме теплозащитных покрытий на стекле нанесением тонких пленок в вакууме получают антиотражающие покрытия на полимерной пленке, например, для теплиц и оранжерей, а также различные отражающие покрытия: зеркала, призмы, рефлекторы и т.п.

Вакуумно-плазменное травление

Операция вакуумно-плазменного удаления поверхностного слоя (травления) может применяться как перед нанесением тонких пленок (с целью удаления окисного слоя, очистки и активации поверхности), так и для получения требуемого микрорельефа поверхности. Она включает в себя:

1. загрузку подложек в вакуумную камеру;

2. откачку камеры и напуск рабочего газа;

3. включение источника травления;

4. контроль процесса окончания травления;

5. разгерметизацию вакуумной камеры и выгрузку обработанных изделий.

С помощью вакуумно-плазменного травления можно обрабатывать полупроводниковые материалы, металлы, диэлектрики, окислы, нитриды, карбиды, алмаз, камни, высокомолекулярные соединения и т.д., причем как в монолитном, так и в тонкопленочном виде. В качестве инструмента травления используются: газоразрядная плазма (инертные и химически активные газы); ионный луч (Ar⁺, Kr⁺, Cl⁺, F⁺ и др.); атомный и молекулярный пучок (Ar, Kr, Cl₂, F₂, O₂, H₂ и др.). Глубина травления может составлять от 0,05 до нескольких микрометров, а минимальная ширина линии травлении – 0,1 – 0,5 мкм.

В зависимости от вида обрабатываемого материала, требований по точности размеров микроструктур и производительности оборудования применяются различные способы вакуумно-плазменного травления (Табл.7 и 8). При использовании шлюзовых загрузочных систем главным резервом повышения производительности оборудования является скорость травления, которая в зависимости от применяемого способа может колебаться от 0,01 до 500 нм/с.

При ионном травлении ("ИТ") скорость травления (физического распыления материала) равна:

, м/с;

где j_i – плотность ионного тока, А/м²; S – коэффициент распыления, атом/ион; M – молекулярная масса, кг/кмоль; q_e - заряд электрона, Кл; N_A - число Авогадро, молекул/кмоль;  - плотность материала, кг/м³.

При химическом травлении ("ХТ") скорость травления (спонтанной химической реакции) равна:

, м/с;