Азаренков Н.А. - Наноматериалы (1051240), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Под действием лазерного облучения поверхностный слой материала толщиной 0,1 – 100 мкмочень быстро расплавляется и затем затвердевает со скоростями охлаждения 104 – 108 К/с. При этом основная масса металлического материалавследствие кратковременности термического воздействия не нагревается иобеспечивает высокие скорости теплоотвода. Высокие скорости охлаждения позволяют достигать получения нанокристаллической или дажеаморфной структуры. В последнем случае нанокристаллическое состояниеполучают с помощью проведения дополнительной контролируемой кристаллизации при термообработке. Лазерное легирование или лазерная имплантация связана с дополнительным введением в оплавляемый поверхностный слой легирующих веществ. Такое введение может проводитьсякак за счет предварительного нанесения тонкой пленки легирующего вещества на поверхность обрабатываемого материала, так и за счет инжекции частиц порошка (в том числе наночастиц) в струе газа в зону воздействия лазерного излучения.
При этом легирование может преследовать двеосновные цели: a –создание на поверхности модифицированного слоя с105химическим составом и, следовательно, свойствами, отличающимися отосновного металла; б – облегчение формирования наноструктурного илиаморфного состояния при затвердевании оплавленного поверхностногослоя.Молекулярно-пучковая эпитаксия. Молекулярно-пучковая эпитаксия(МПЭ) по существу является развитием до совершенства технологии вакуумного напыления тонких пленок [49]. Ее отличие от классическойтехнологии вакуумного напыления связано с более высоким уровнемконтроля технологического процесса.
В методе МПЭ тонкие монокристаллические слои формируются на нагретой монокристаллической подложке за счет реакций между молекулярными или атомными пучками иповерхностью подложки. Высокая температура подложки способствуетмиграции атомов по поверхности, в результате которой атомы занимаютстрого определенные положения. Этим определяется ориентированныйрост кристалла формируемой пленки на монокристаллической подложке.Успех процесса эпитаксии зависит от соотношения между параметрамирешетки пленки и подложки, правильно выбранных соотношений междуинтенсивностями падающих пучков и температуры подложки. Когдамонокристаллическая пленка растет на подложке, отличающейся от материала пленки, и не вступает с ним в химическое взаимодействие, то такой процесс называется гетероэпитаксией. Когда подложка и пленка похимическому составу не отличаются или незначительно отличаютсядруг от друга, то процесс называется гомоэпитаксией или автоэпитаксией.
Ориентированное наращивание слоев пленки, которая вступает вхимическое взаимодействие с веществом подложки, называют хемоэпитаксией. Граница раздела между пленкой и подложкой имеет ту жекристаллическую структуру, что и подложка, но отличается по составу,как от материала пленки, так и материала подложки. По сравнению с другими технологиями, используемыми для выращивания тонких пленок имногослойных структур, МПЭ характеризуется, прежде всего, малой скоростью и относительно низкой температурой роста.
К достоинствам этогометода следует отнести возможность резкого прерывания и последующеговозобновления поступления на поверхность подложки молекулярных пучков различных материалов, что наиболее важно для формирования многослойных структур с резкими границами между слоями. Получениюсовершенных эпитаксиальных структур способствует и возможность анализа структуры, состава и морфологии растущих слоев в процессе ихформирования методом дифракции отраженных быстрых электронов(ДОБЭ) и электронной оже-спектроскопии (ЭОС).Упрощенная схема ростовой камеры МПЭ показана на рис. 6.15.Испарение материалов, осаждаемых в сверхвысоком вакууме на подложку, закрепленную на манипуляторе с нагревательным устройством,осуществляется с помощью эффузионных ячеек (эффузия – медленное ис106течение газов через малые отверстия). Эффузионная ячейка представляетцилиндрический резервуар, выполненный из пиролитического нитридабора или высокочистого графита.
Поверх тигля располагаются: нагревательная спираль из танталовой проволоки и тепловой экран, изготовленный обычно из танталовой фольги. Эффузионные ячейки могут работатьв области температур до 1400° С и выдерживать кратковременный нагрев до 1600° С. Для испарения тугоплавких материалов, которые используются в технологии магнитных тонких пленок и многослойныхструктур, нагревание испаряемого материала осуществляется электроннойбомбардировкой.Рис. 6.15. Схема установки молекулярной эпитаксии:1 – держатель образца с нагревателем; 2 – образец; 3 – масс-спектрометр;4 – эффузионные ячейки; 5 – заслонки; 6 – манипулятор;7 – электронная пушка ДОБЭ; 8 – люминесцентный экранТемпература испаряемого вещества контролируется вольфрамрениевой термопарой, прижатой к тиглю.
Испаритель крепится на отдельном фланце, на котором имеются электрические выводы для питаниянагревателя и термопары. Как правило, в одной ростовой камере располагается несколько испарителей, в каждом из которых размещены основные компоненты пленок и материалы легирующих примесей.Ростовые камеры современных технологических комплексов МПЭоборудованы, как правило, квадрупольным масс-спектрометром для анализа остаточной атмосферы в камере и контроля элементного состава навсем технологическом процессе. Для контроля структуры и морфологииформируемых эпитаксиальных структур в камере роста располагаетсятакже дифрактометр отраженных быстрых электронов.
Дифрактометр107состоит из электронной пушки, которая формирует хорошо сфокусированный электронный пучок с энергий 1 0 – 4 0 кэВ. Электронный лучпадает на подложку под очень небольшим углом к ее плоскости, рассеянные электронные волны дают дифракционную картину на люминесцентном экране.6.4.2. Методы химического осаждения из паровой фазы (CVD)В основу методов CVD положено осаждение пленок на поверхностьнагретых деталей из соединений металлов, находящихся в газообразномсостоянии [50, 51]. Осаждение, как правило, проводят в специальной камере при пониженном давлении посредством использования химическихреакций восстановления, пиролиза.
В ряде случаев могут использоватьсяреакции взаимодействия основного газообразного реагента с дополнительным. Наиболее часто в качестве таких соединений используют карбонилы, галогены, металлоорганические соединения. Например, галогенидыметаллов восстанавливаются водородом до металла с образованием соединения галогенов с водородом, а карбонилы с помощью реакции пиролиза разлагают на металл и окись углерода.
Оптимальное протекание химических реакций происходит чаще всего при температурах 500 – 1500о С.Поэтому обрабатываемые детали нагревают до этих температур, что обеспечивает локализацию химической реакции у поверхности деталей, а также оптимальное протекание процесса, высокие свойства покрытия и хорошую адгезию. Образование покрытия происходит путем последовательного наслоения осаждающегося материала. Высокие температурыпроцесса могут также активизировать процессы твердофазной или газофазной диффузии элементов между покрытием и подложкой.
Метод обеспечивает получение покрытий толщиной 1 – 20 мкм со скоростью 0,01 –0,1 мкм/мин. Метод можно использовать для нанесения покрытия навнутренние поверхности трубок и отверстий. Кроме металлических пленок можно получать также пленки из бора, боридов, углерода, карбидов,нитридов, оксидов, кремния и силицидов [51].Основным недостатком методов CVD является необходимость нагрева деталей до высоких температур. С одной стороны это оказывает отрицательное влияние на механические свойства и структуру подложки, сдругой стороны – вызывает дополнительные проблемы в случае необходимости получения наноструктурного состояния самого покрытия.Осаждение с использованием плазмы тлеющего разряда. В камерепри пониженном давлении проводят процессы по схеме описанных вышеметодов катодного и магнетронного распыления или ионного плакирования.
Существуют две разновидности рассматриваемого метода.108При реактивном распылении материал мишени в виде ионов взаимодействует в плазме тлеющего разряда с ионами активной газовой среды. На поверхность обрабатываемых деталей осаждается покрытие в видесоединения. Типичным примером может служить получение покрытия изнитрида титана, когда в плазме тлеющего разряда происходит взаимодействие ионов титана и азота.Вторая разновидность часто носит название «ионноактивированноехимическое осаждение из паровой фазы».
В этом случае используютсяаналогичные методу CVD химические реакции, но из-за активации плазмой тлеющего разряда необходимые для их протекания температуры снижаются до 200 – 300° С.Такой подход позволяет преодолеть основной указанный выше недостаток CVD метода. Однако при этом практически невозможно получать покрытия с очень высокой чистотой химического состава, что связано с недостаточной десорбцией при низкой температуре подложки. Вформирующееся покрытие могут проникать примеси реакционных газов.Одной из разновидностей метода химического осаждения, позволяющего получать пленки толщиной от 1 нм, является метод атомногопослойного осаждения (АПО) [52].Технология атомного послойного осаждения использует принципмолекулярной сборки материалов из газовой фазы.
Процесс нанесенияпленки размером 1 Å состоит из нескольких шагов – газофазных реакций, протекающих импульсно за очень короткий промежуток времени.Температура в процессе осаждения 200 – 400о С.Метод АПО позволяет получать пленки толщиной от 1 нм (и даже1 Å) и до нескольких мкм. Типичные толщины пленок находятся в диапазоне 10 – 100 нм. Метод позволяет получать нитридные, оксидные,металлические, полупроводниковые пленки, наноламинаты, которыеимеют аморфную или кристаллическую структуру в зависимости оттемпературы осаждения.К преимуществам метода относится возможность осаждения пленок контролированной толщины (точность составляет один атомныйслой).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
