Нанесение тонких пленок в вакууме (Раздаточные материалы)

TEP#15(3):TvEP.qxd24.04.200710:22Page 76Технологии в электронной промышленности, № 3’2007Нанесение тонких пленокв вакуумеОдин из современных способов модификаций изделий машиностроения и приборостроения —уменьшение геометрических размеров их элементов. Многие из них включаютв себя тонкопленочные покрытия, характеристики которых можно менять, варьируяих толщину. По функциональному назначению такие покрытия связаны практическисо всеми разделами физики: механикой, электричеством, магнетизмом, оптикой,а в качестве материалов для них используется большинство элементов Периодической системы.Юрий Панфиловсаждение тонких пленок в вакууме включаеттри этапа: генерацию атомов или молекул, перенос их к подложке и рост пленки на поверхности подложки. Состав и структура пленки зависятот исходных материалов, метода и режимов нанесения,обеспечивающих необходимый энергомассопереносматериала.В таблице представлена классификация методов нанесения тонких пленок в вакууме, в основу которойположены физические принципы генерации и переноса потоков атомов или молекул, способы реализации этих принципов и конструктивное исполнение.Основными технологическими режимами нанесения тонких пленок в вакууме являются: давление в рабочей камере pвак (остаточных газов – вакуума) и pр.г.(рабочего газа – инертного, химически активного;смеси газов), Па; Tп — температура подложки (изделия), К; Vоmax — максимальная скорость осажденияпленки, мкм/с; E — энергия осаждающихся атомов,молекул, ионов и кластеров, эВ; Kи.— доля ионизированных частиц.В приведенных в таблице формулах использованытакже 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; ρ — плотность осаждаемого материала, кг/м3;jи — плотность ионного тока, А/м2; S — коэффициентраспыления, атом/ион; qдоп — допустимая плотностьпотока энергии на поверхность конденсации, Вт/см2;Eопт — оптимальная энергия осаждающихся частиц, эВ;pi, ρi и Mi — соответственно, парциальное давление(Па), плотность (кг/м3) и молекулярная масса (кг/кмоль)осаждающихся из газовой смеси компонентов n.Условные обозначения методов приняты с цельюиспользования их в базах данных и автоматизированных экспертных системах.Осаждение тонких пленок в вакууме методом термического испарения D0 осуществляется путем подведения к веществу энергии резистивным D00 (прямым D000– D002 и косвенным D003) и высокочастотным D01 нагревом, электронной бомбардировкой D02,Оэлектронно-лучевым нагревом D03 и нагревом с помощью лазерного излучения D04.

При температуре вещества, равной либо превышающей Tисп, частицы покидают испаритель, переносятся в вакууме на подложкуи конденсируются на ее поверхности в виде тонкойпленки.Если помимо физических процессов, происходящихво время осаждения тонкой пленки, при напуске в рабочую камеру реактивного газа в пространстве междуисточником и подложкой или на поверхности подложки протекает химическая реакция, то соответствующий метод называется реактивным D___R, например, для получения пленок нитрида титана 2Ti +N2 = 2TiN.К достоинствам метода осаждения тонких пленоктермическим испарением относятся высокая чистотаосаждаемого материала (процесс проводится при высоком и сверхвысоком вакууме), универсальность (наносят пленки металлов, сплавов, полупроводников,диэлектриков) и относительная простота реализации.Ограничениями метода являются нерегулируемая скорость осаждения Vо, низкая, непостоянная и нерегулируемая энергия осаждаемых частиц E.При молекулярно-лучевом методе D05 используютсяэффузионный источник в виде ячейки Кнудсена и капиллярный испаритель, в которых энергия к веществуподводится благодаря резистивному нагреву.

Наличиетепловых 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 образуютсяв газовом разряде при давлении pр.г. = 10–5•10–2 Паи ускоряются до энергии 0,7–5 кэВ вследствие приложения к мишени отрицательного потенциалав 0,7–5 кВ. Распыленные из мишени атомы осаждаютсяв виде тонкой пленки на поверхности подложки.Различают ионно-плазменный D10 и ионно-лучевой D11 методы, в которых используются тлеющий76www.finestreet.ruTEP#15(3):TvEP.qxd24.04.200710:22Page 77Электронные и ионные технологииТаблица. Методы нанесения тонких пленок в вакуумеПринципМетодТипКод1234ПроволочныйЛенточныйСублимационныйТигельныйРеактивныйD000D001D002D003D00_RТигельныйСо стартовым элементомРеактивныйD010D01_RТигельныйПроволочныйШтабиковыйРеактивныйD020D021D022D02_RС пушкой ПирсаС аксиальной пушкойМноготиглевыйРеактивныйD030D031D032D03_RТвердотельныйНепрерывный СО2-лазерРеактивныйD040D041D04_RЭффузионный(ячейка Кнудсена)D050КапиллярныйD051Осаждение D0термическим испарениемРезистивныйD00ВЧ-нагревD01ЭлектронныйD02Электронно-лучевойрвак=10-4-10-8 Па;ТП=373-973 К ;=0,1-1,0 мкм/сЕ=0,1-0,3 эВD011D03ЛазерныйD04Молекулярно-лучевойD05КИ=0Осаждение D1ионным распылениемИонно-плазменныйD10рр.г.=10-5×10-2 Па;ТП=293-693 К;Диодный на постоянном токеДиодный ВЧТрехэлектродныйМагнетронный на пост.

токеМагнетронный ВЧМагнетронный с ЭЦРРеактивныйD100D101D102D103D104D105D10_RИонно-лучевойD11С горячим катодомD110С холодным катодомРеактивныйD111D11_RИмпульсныйD200ИмпульсныйD210КонденсаторныйD220В парах катодаВ парах катода и анодаРеактивныйD300D301D30_RВ парах анодаВ парах рабочего газаРеактивныйD310D311D31_R=10–3–5×10–1 мкм/с;Е=3–5 эВ;Е=3-5 эВ;КИ≈0,01Осаждение D2ЛазерныйD20взрывомЭлектронно-лучевойD21Рвак=10 -10 Па;3–5ТП=293 К;ЭлектроразрядныйD22мкм/с;Е=1-1000 эВ;КИ=0,1-0,5Осаждение D3дуговым разрядомРвак=10–2–10–5 Па;ТП=293–693 К;С холодным катодомD30С горячим катодомD31=0,1–50 мкм/с;Е=0,1–10 эВ;КИ=0,2–1www.finestreet.ru77(типы D100, D101, D103, D104 и D105) и несамостоятельный (D102) газовый разряды, а такжеавтономные источники ионов Кауфмана(с горячим катодом — тип D110) и Пеннинга(с холодным катодом — тип D111).

При использовании в качестве рабочего газа смеси изAr и химически активного газа (O2, N2 и т. п.)реализуется реактивный метод осаждения оксидов, нитридов и т. п. (типы — D10_Rи D11_R).Достоинствами метода осаждения тонких пленок ионным распылением являются универсальность (можно наносить металлы, сплавы,диэлектрики, магнитные композиции), регулируемая скорость осаждения Vо и относительнопростая конструкция. К недостаткам относятсяневысокая чистота осаждаемой пленки (из-заналичия рабочего газа), низкая и нерегулируемая энергия осаждаемых частиц E.Тонкопленочные покрытия получают путемиспарения вещества взрывом D2 при импульсном воздействии на него лазерного излученияD20 или электронного пучка D21, а также припропускании мощного импульса тока через образец из наносимого материала в форме тонкойпроволоки или фольги D22. Продукты взрывас 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 Vо и хорошая адгезия тонкопленочного покрытия, однако его применениеограничено сложностью реализации и большойнеравномерностью толщины пленки.Осаждение тонких пленок дуговым разрядомв 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), переноса ее с большой скоростью (энергия частиц E — до 10 эВ) и конденсации на поверхности подложки.К достоинствам метода осаждения тонкихпленок дуговым разрядом в вакууме относятся: практически неограниченная электрическаямощность; высокий коэффициент ионизациииспаряемых 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 в дополнительномгазе для ионизации; скорость осаждения Vо —максимально возможная (ограничивается допустимым потоком энергии на поверхностьконденсации). Недостатками являются наличие в потоке осаждаемого вещества капельнойфазы, нерегулируемая энергия частиц E и относительная сложность конструкции дуговыхисточников.В основе методов ионного осаждения тонких пленок D4 лежит сочетание двух процессов: 1) генерации плазмы исходного веществас помощью одного из типов электрическогоразряда или ВЧ-индуктора и 2) ускоренияионов или всей квазинейтральной плазмы с последующей конденсацией на поверхности подложки (детали).

Исходное вещество получаютTEP#15(3):TvEP.qxd24.04.200710:22Page 78Технологии в электронной промышленности, № 3’2007Продолжение таблицы. Методы нанесения тонких пленок в вакууме1Ионное D4Осаждение2ТермоионныйИонно-плазменныйИонно-лучевойРр.г.=105–10–1 Па;ТП=293-1793;ПлазмотронныйD43Из газовой фазыD50ПлазмохимическийДиодныйD400С потенциалом смещенияРеактивныйD401D40_RДиодныйС потенциалом смещенияD410D411С горячим катодомС холодным катодомD420D421Торцевой дуговой с горячим катодом сильноточныйТорцевой дуговой с горячим катодом холловскийТорцевой дуговой с холодным катодомС замкнутым дрейфом электроновИмпульсный с эрозией диэлектриковD430D431D432D433D434При высоком давлении (AP CVD)При пониженном давлении (LP CVD)Газофазная эпитаксияТермическое окислениеD500D501D502D503Безэлектродный ВЧДиодный на постоянном токеДиодный ВЧС фотонной стимуляциейD510D511D512D513D42=0,1-50 мкм/с;Е=Еопт≈100 эВ;КИ=0,1-1Химическое D5осаждение4D41Рвак=10–3-10–5 Па;Рр.г.=103 –10–1 Па;ТП=293-493 К;3D40нитрида, карбида и т.