ЭИПТ-1 (Сборник лекций Панфилова), страница 2

Состав иструктура пленки зависят от исходных материалов, метода и режимов нанесения,обеспечивающих необходимый энергомассоперенос материала.В Табл.6 представлена классификация методов нанесения тонких пленок в вакууме,в основу которой положены физические принципы генерации и переноса потоков атомовили молекул, способы реализации этих принципов и конструктивное исполнение.Основными технологическими режимами нанесения тонких пленок в вакуумеявляются: давление в рабочей камере pвак (остаточных газов - вакуума) и pр.г. (рабочегогаза - инертного, химически активного, смеси газов), Па; температура подложки (изделия)Tп, К; максимальная скорость осаждения пленки Vоmax, мкм/с; энергия осаждающихсяатомов, молекул, ионов и кластеров E, эВ; доля ионизированных частиц Kи.В приведенных в Табл.6 формулах использованы также следующие обозначения:pнас - давление насыщенного пара, Па; M - молекулярная масса испаряемого материала,кг/кмоль; Tисп - температура испарения, К; Fи,р - площадь поверхности испарения илираспыления, м2; d - расстояние от источника до подложки, м;  - плотность осаждаемогоматериала, кг/м3; jи - плотность ионного тока, А/м2; S - коэффициент распыления,атом/ион; qдоп - допустимая плотность потока энергии на поверхность конденсации,Вт/см2; Eопт - оптимальная энергия осаждающихся частиц, эВ; pi, i и Mi - соответственнопарциальное давление (Па), плотность (кг/м3) и молекулярная масса (кг/кмоль)осаждающихся из газовой смеси компонентов n.Условные обозначения методов приняты с целью использования их в базах данныхи автоматизированных экспертных системах, необходимых для повышения уровняинформационного обеспечения разработок и исследований в области технологии тонкихпленок.Осаждение тонких пленок в вакууме методом термического испарения D0осуществляется путем подведения к веществу энергии резистивным D00 (прямым D000 D002 и косвенным D003)и высокочастотным D01 нагревом, электроннойбомбардировкой D02 , электронно-лучевым нагревом D03 и нагревом с помощьюлазерного излучения D04.

При температуре вещества равной, либо превышающей Tиспчастицы покидают испаритель, переносятся в вакууме на подложку и конденсируются наее поверхности в виде тонкой пленки.Если помимо физических процессов, происходящих во время осаждения тонкойпленки, при напуске в рабочую камеру реактивного газа, в пространстве междуисточником и подложкой или на поверхности подложки протекает химическая реакция, тосоответствующий метод называется реактивным D___R. Например, для получения пленокнитрида титана 2Ti + N2 = 2TiN.6. Методы нанесения тонких пленок в вакуумеПринципМетод12ОсаждениетермическимиспарениемD0ТипКод3ПроволочныйЛенточныйСублимационныйТигельныйРеактивный4D000D001D002D003D00_RD01ТигельныйСо стартовым элементомРеактивныйD010D011D01_RЭлектронныйD02ТигельныйПроволочныйШтабиковыйРеактивныйD020D021D022D02_RЭлектронно-лучевойD03С пушкой ПирсаС аксиальной пушкойМноготиглевыйРеактивныйD030D031D032D03_RD04ТвердотельныйНепрерывный СО2-лазерРеактивныйD040D041D04_RD05Эффузионный(ячейка Кнудсена)КапиллярныйD050РезистивныйD00IВЧ-нагревВЧТПРвакТиспрвак=10-10 Па;ТП=373-973 К;ЛазерныйМ FИVоmax  1,4  103 pнасТисп d 2  =0,1-1,0 мкм/с;Е=0,1-0,3 эВ;КИ=0Молекулярно-лучевойD05112ОсаждениеИоннымРаспылениемD134D10Диодный на постоянном токеДиодный ВЧТрехэлектродныйМагнетронный на пост.

токеМагнетронный ВЧМагнетронный с ЭЦРРеактивныйD100D101D102D103D104D105D10_RИонно-лучевойD11С горячим катодомС холодным катодомРеактивныйD110D111D11_RЛазерныйD20ИмпульсныйD200Электронно-лучевойD21ИмпульсныйD210ЭлектроразрядныйD22КонденсаторныйD220С холодным катодомD30В парах катодаВ парах катода и анодаРеактивныйD300D301D30_RD31В парах анодаВ парах рабочего газаРеактивныйD310D311D31_RИонно-плазменныйТлеющий разрядР.Г.ТПРргdТкомнрр.г.=10-510 Па;ТП=293-693 К;V”max 3,3  103 jи  S  M  Fр d2=10-510 мкм/с;Е=3-5 эВ;КИ0,01ОсаждениевзрывомD2ТПрвак=10-10 Па;ТП=293 К;Vоmax  103 мкм/с;Е=1-1000 эВ;КИ=0,1-0,5ОсаждениедуговымразрядомD3Дуговой разрядТПрвак=10-10 Па;ТП=293-693 К;q  М 10 2V”max  допЕ опт  =0,1-50 мкм/с;Е=0,1-10 эВ;КИ=0,2-1С горячим катодом1Ионное2D4Термо-ионный3D40Диодный4D400ОсаждениеС потенциалом смещенияРеактивныйD401D40_RD41ДиодныйС потенциалом смещенияD410D411D42С горячим катодомС холодным катодомD420D421D43Торцевой дуговой сгорячимкатодом сильноточный Торцевой дуговой сгорячим катодомхолловский Торцевой дуговой схолоднымкатодом С замкнутым дрейфомэлектронов Импульсный с эрозиейдиэлектриков -Тисп.Ионно-плазменныйТПРабочий газИонно-лучевойРабочий газрвак=10-10 Па;рр.г.=10-10 Па;АИИТП=293-493 К;V”max Плазмотронныйqдоп  М  10 2Еопт  =0,1-50 мкм/с;Е=Еопт100 эВ;КИ=0,1-1ХимическоеосаждениеD5Из газовой фазыD50ТПСмесь газоврр.г.=10-10 Па;ТП=293-1793 К;npVоmax  4,38  103  ii 1=0,01-1 мкм/с;Е=0,1-10 эВ;КИ=0iПлазмо-химическийMiTПD51D430D431D432D433D434При высоком давлении(AP CVD)При пониженном давлении(LP CVD)Газофазная эпитаксияТермическое окислениеD500Безэлектродный ВЧДиодный на постоянномтокеДиодный ВЧС фотонной стимуляциейD510D511D512D513D501D502D503смесь газовтлеющий разрядК достоинствам метода осаждения тонких пленок термическим испарениемотносятся высокая чистота осаждаемого материала (процесс проводится при высоком исверхвысоком вакууме), универсальность (наносят пленки металлов, сплавов,полупроводников, диэлектриков) и относительная простота реализации.

Ограничениямиметода являются нерегулируемая скорость осаждения Vо, низкая, непостоянная инерегулируемая энергия осаждаемых частиц E.При молекулярно-лучевом методе D05 используются эффузионный источник ввиде ячейки Кнудсена и капиллярный испаритель, в которых энергия к веществуподводится благодаря резистивному нагреву. Наличие тепловых экранов и контрольтемпературы обеспечивают одинаковую энергию испаренных частиц E и идеальнуюдиаграмму распределения частиц по направлениям (косинусоидальный закон Кнудсена).Сущность метода осаждения тонких пленок в вакууме ионным распылением D1заключается в выбивании (распылении) атомов вещества из поверхностных слоев мишенивысокоэнергетичными ионами рабочего газа (обычно инертного Ar).

Ионы образуются вгазовом разряде при давлении pр.г. = 10 - 5.10-2 Па и ускоряются до энергии 0,7 - 5 кэВвследствие приложения к мишени отрицательного потенциала в 0,7 - 5 кВ. Распыленныеиз мишени атомы осаждаются в виде тонкой пленки на поверхности подложки.Различают ионно-плазменный D10 и ионно-лучевой D11 методы, в которыхиспользуются тлеющий (типы D100, D101, D103, D104 и D105) и несамостоятельный(D102) газовый разряды, а также, автономные источники ионов Кауфмана (с горячимкатодом - тип D110) и Пеннинга (с холодным катодом - тип D111). При использовании вкачестве рабочего газа смеси из Ar и химически активного газа (O2, N2 и т.п.) реализуетсяреактивный метод осаждения оксидов, нитридов и т.п.

(типы - D10_R и D11_R).Достоинствами метода осаждения тонких пленок ионным распылением являютсяуниверсальность (можно наносить металлы, сплавы, диэлектрики, магнитныекомпозиции), регулируемая скорость осаждения Vо и относительно простая конструкция.К недостаткам относятся не высокая чистота осаждаемой пленки (из-за наличия рабочегораза), низкая и нерегулируемая энергия осаждаемых частиц E.Тонкопленочные покрытия получают путем испарения вещества взрывом D2 приимпульсном воздействии на него лазерного излучения D20 или электронного пучка D21, атакже, при пропускании мощного импульса тока через образец из наносимого материала вформе тонкой проволоки или фольги D22. Продукты взрыва с большой скоростью(энергия частиц E составляет 1 - 10 эВ) переносятся к подложке (детали) иконденсируются на ее поверхности в виде тонкой пленки.Достоинством метода является высокая скорость осаждения Vо и хорошая адгезиятонкопленочного покрытия, однако его применение ограничено сложностью реализации ибольшой неравномерностью толщины пленки.Осаждение тонких пленок дуговым разрядом в вакууме D3 происходит за счетэрозии вещества в сильноточных дуговых разрядах (с холодным D30 и горячим D31катодом), образования ионизированной паровой фазы (20 - 100 % ионов), переносе ее сбольшой скоростью (энергия частиц E - до 10 эВ) и конденсации на поверхностиподложки.К достоинствам метода осаждения тонких пленок дуговым разрядом в вакуумеотносятся: практически неограниченная электрическая мощность; высокий коэффициентионизации испаряемых частиц Kи; 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 вдополнительном газе для ионизации; скорость осаждения Vо - 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 дуговыхисточников.В основе методов ионного осаждения тонких пленок D4 лежит сочетание двухпроцессов: 1) генерации плазмы исходного вещества с помощью одного из типовэлектрического разряда или ВЧ-индуктора и 2) ускорения ионов или всейквазинейтральной плазмы с последующей конденсацией на поверхности подложки(детали).