Статья_Панфилов_СИЖ (Раздаточный материал), страница 2

В приведенных в Табл. 1 формулах использованы следующие обозначения: давление в рабочей камере p_вак (остаточных газов - вакуума) и p_р.г. (рабочего газа - инертного, химически активного, смеси газов), Па; температура подложки (изделия) T_п, К; максимальная скорость осаждения пленки V_оmax, мкм/с; энергия осаждающихся атомов, молекул, ионов и кластеров E, эВ; доля ионизированных частиц K_и; p_нас - давление насыщенного пара, Па; M - молекулярная масса испаряемого материала, кг/кмоль; T_исп - температура испарения, К; F_и,р - площадь поверхности испарения или распыления, м²; d - расстояние от источника до подложки, м;  - плотность осаждаемого материала, кг/м³; j_и - плотность ионного тока, А/м²; S - коэффициент распыления, атом/ион; q_доп - допустимая плотность потока энергии на поверхность конденсации, Вт/см²; E_опт - оптимальная энергия осаждающихся частиц, эВ; p_i, _i и M_i - соответственно парциальное давление (Па), плотность (кг/м³) и молекулярная масса (кг/кмоль) осаждающихся из газовой смеси компонентов n.

К нанесению тонких пленок термическим испарением относятся методы, в которых пленкообразующими частицами являются только не заряженные атомы, молекулы и кластеры вещества. Тепловая энергия испаренных частиц равна E=kT_и, где k – постоянная Больцмана, Т_и – температура испарения материала, однако в методе струйного осаждения она может быть больше, чем тепловая за счет струи несущего газа. Поэтому, по энергии частиц метод струйного осаждения делится на низкоскоростной и сверхзвуковой.

Методы нанесения тонких пленок ионным распылением D1 существенных изменений не претерпели, разве что стали использоваться магнетронные распылительные системы с несбалансированной магнитной системой [6].

Для получения наноструктурированных тонкопленочных покрытий все более широкое применение находят лазерные методы генерации пленкообразующих частиц, наибольшее распространение из которых получил метод импульсного лазерного осаждения (PLD – Pulsed Laser Deposition) [5] или лазерная абляция (ablation – удаление материала). В рассматриваемой классификации данный метод относится к осаждению взрывом, т.к. материал из твердого состояния переходит в парообразное практически минуя жидкую фазу. При этом скорость нагрева материала может достигать 10¹¹ К/с. Сложность расчета скорости осаждения тонкой пленки методом импульсного лазерного осаждения заключается в неопределенности количества материала, удаленного из мишени за один импульс.

Осаждение тонких пленок дуговым разрядом в вакууме D3 продолжает находить широкое применение в машиностроении, а для использования метода при производстве изделий электронной техники он усовершенствован путем включения в конструкцию сепаратора плазменного потока [7], что исключает попадание на подложку капель испаренного материала. С помощью магнитной системы из потока атомов, молекул, ионов и капель испаренного материала выделяется ионизированная часть и направляется к подложке, а остальной материал осаждается на стенках магнитопровода. Подавая на подложку напряжение смещения можно управлять энергией осаждаемых частиц.

Сепарация плазменного потока может использоваться и при плазмотронном методе D43_.

Ионно-кластерный метод D44 заключается в том, что ускоряться электрическим полем может не отдельный ион, а ионизированный кластер. Кластерные пучки можно получать несколькими способами, для чего обычно используют охлаждение атомарного пара при его сверхзвуковом расширении или охлаждении в буферном газе. Выбор способа определяется конечными целями и зависит от требуемой интенсивности кластерного пучка, его энергии, распределения кластеров в пучке по типу и размеру, наличия ионов и т.д.

К новым методам химического осаждения (CVD методам) относится атомно-слоевое осаждение (ALD метод), которое используется для получения пленок с толщинами в несколько нанометров. Благодаря строго дозированным потокам газовых смесей (рис. 2) [4], длительностям их нахождения в реакторе и промежуткам между подачей каждого типа газов, можно воспроизводимо формировать строго упорядоченные слои нитридов (AlN, GaN, InN, SiN_x, TiN, TaN, NbN, MoN), оксидов (Al₂O₃, HfO₂, ZrO₂, TiO₂, Ta₂O₅, La₂O₃, SiO₂, In₂O₃, SnO₂, ZnO, YBa₂Cu₃O_7-x, LaCoO₃, LaNiO₃), флюоридов (CaF₂, SrF₂, ZnF₂), полупроводников типа A3B5 (GaAs, AlAs, AlP, InP, GaP, InAs) и A2B6 (ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnS_1-xSe_x, CaS, SrS, BaS, SrS_1-xSe_x), других материалов (La₂S₃, PbS, In₂S₃, CuGaS₂, SiC) с минимальной толщиной 3 нм.

Лазерные методы осаждения тонких пленок

Лазерно-индуцированной перенос плёнок ((LIFT – Laser Induced Film Transfer) D043 применяется для локального осаждения дискретных тонкопленочных покрытий, схема которого показана на рис. 1 [5]. Основные стадии процесса включают в себя нагрев до плавления пленки на донорной подложке, испарение пленки и ее перенос от донора к акцептору, гидродинамический разлет жидкой фазы на акцепторную подложку, осаждение пленки с рассеиванием (разбросом) на подложке. Особенности переноса заключаются в том, что имеет место обратный поток паров (процесс повторного испарения) и образование «крыльев» осадка на акцепторной подложке.

а) б) в)

Рис. 1 Схема локального осаждения дискретных тонкопленочных покрытий методом лазерно–индуцированного переноса: испарение (а), конденсация (б), результат (в)

Альтернативными лазерными методами прямого (без использования фотошаблонов) формирования топологии являются выше названные – локальный лазерно-индуцированный перенос пленок и нанесение пленок методом лазерно-химического осаждения из газовой фазы (LCVD – Laser Chemical Vapor Deposition) D505. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки: первый метод технологически и конструктивно более простой и химически более чистый, второй метод имеет более широкие возможности нанесения тонких пленок, т.к. при его реализации нет необходимости заранее наносить пленку на донорную подложку. Первый метод обычно применяется для формирования топологии одиночных металлизированных слов. С помощью второго можно создавать многослойные металлические покрытия, в том числе с изоляцией между слоями.

Диапазон удельной мощности лазерного излучения для испарения материалов составляет 10⁶ – 10⁸ Вт/см², длительность импульсов – от 5^.10^-3 – 10^-5 с до непрерывного облуения [5]. Так, пленки Si можно наносить лазерной абляцией с использованием импульсного эксимерного KrF лазера с длиной волны 0,248 мкм со скоростью 1,0 мкм/мин, а со скоростью 0,3 мкм/мин – непрерывным Ar⁺ лазером с длиной волны 0,514 мкм. Пленки SiO₂ можно наносить с помощью импульсного эксимерного ArF лазера с длиной волны 0,193 мкм со скоростью 0,3 мкм/мин. Осаждение металлов как с не высокой температурой плавления (например, Al), так и тугоплавких (например, Mo) можно проводить со скоростью 5,0 мкм/мин импульсным эксимерным ArF лазером с длиной волны 0,193 мкм [5].

PLD методом (D201) можно наносить эпитаксиальные пленки на нагретую до высокой температуры подложку проводя абляцию мишени стехиометрического состава. Так, в [8] описывается процесс эпитаксиального выращивания тонкой пленки из нитрида алюминия. Мишень из AlN облучается KrF эксимерным лазером с длиной волны 248 нм, с удельной энергией 2 – 3 Дж/см², с длительностью импульса 25 нс, температура подложки составляет 750ºС, остаточное давление в камере 10^-5 Па, расстояние между мишенью и подложкой 5 см. Пленка толщиной 200 – 300 нм наносилась за 10 – 15 минут при энергии осаждаемых молекул AlN порядка 10 эВ (при термическом испарении энергия частиц в 100 раз меньше).

В [8] приводятся, также, результаты экспериментальных исследований толщины осаждаемой пленки за один импульс эксимерного лазера: при удельной энергии 3 Дж/см² эта толщина составила 0,22 Å/импульс, при 10 Дж/см² – 1,12 Å/импульс. При частоте 30 Гц скорость роста пленки составила 6,6 – 33,6 Å/с, соответственно.

К лазерным методам химического осаждения тонких пленок D505 относится лазерное химическое осаждение из паровой фазы (LCVD – Laser Chemical Vapor Deposition), которое используется как для нанесения сплошной пленки, так и для локального лазерного термо-активированного синтеза соединений и сплавов, например, Pd₂Si, PtSi, MoSi₂, WSi₂, NbSi₂, Ge_xSi_1–x, AlSb, CdSe, CdTe, CdTe_xSe_1–x. Схематическое изображение фото-активированной химической реакции разложения газообразных металлоорганических соединений (МОС) представлено на рис. 2.

Рис. 2 Схема локального лазерного термо-активированного синтеза

Типовые условия для лазерного газофазного разложения металлоорганических соединений: удельная мощность лазерного излучения 10^–3 – 10 Вт/см² в УФ диапазоне, от 100 Вт/см² в непрерывном режиме до 10⁶ Вт/см² в импульсном режиме в ИК диапазоне; давление МОС в газовой фазе 10 –10³ Па, скорость осаждения пленок ≤ 0,1 мкм/с. Для осаждения пленочных материалов используются соответствующие реакционные газы [5]: Bi [Bi(CH₃)₃], W [W(CO)₆], Cr [Cr(CO₆], Mo [Mo(CO₆], Al [Al₂(CH₃)₆], Zn [Zn(CH₃)₂], Cd [Cd(CH₃)₂], Sn [Sn(CH₃)₄, SnCl₄], Fe [Fe(CO)₅], Si [Si(CH₃)₄, SiH₄], Ge [Ge(CH₃)₄], SiO₂ [SiH₄ + H₂O], Si₃N₄ [SiH₄ + NH₃ + N₂], Al₂O₃ [Al(CH₃)₃ + N₂O], GaAs [Ga(CH₃)₃ + As(CH₃)₃], Ga [Ga(CH₃)₃], As [As(CH₃)₃],B [BCl₃], P [PCl₃], ZnO₂ [Zn(CH₃)₂ + N₂O].

Пароструйное (кластерное) осаждение тонких пленок в вакууме

Схема пароструйного осаждения тонких пленок в вакууме показана на рис. 3а. Испаритель резистивного, индукционного, электронно-лучевого, лазерного или дугового типа помещается в отдельную вакуумную камеру, в которую напускается несущий газ (аргон, азот, гелий и т.д.). Выходным отверстием этой камеры является сопло диаметром несколько миллиметров, через которое в рабочую вакуумную камеру с обрабатываемыми изделиями (подложками) выходит струя пара. Скорость струи пара определяется перепадом давления на сопле и может достигать скорости звука и более.

При использовании сопла специальной формы (например, сопло Лаваля) в расширяющейся струе пара образуются кластеры. Для формирования потока близких по размерам (количеству атомов) кластеров применяется скиммер (рис. 3б), который представляет собой усеченный конус с очень острым углом у переднего края, что позволяет проходить только центральной части газовой струи.