Диссертация (1173421), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Физические методыФизические методы формирования тонких пленок основаны на осаждениипаров необходимого материала на подложку и обозначаются термином PVD(Physical Vapor Deposition) [24-27, 74-77].Данныйметодсостоитизэтаповформированиягазовойфазы,направленного массопереноса частиц от источника к подложке и образованияпленки путем конденсации частиц на поверхности подложки.Главным условием для физического осаждения методом PVD являетсясоздание в рабочей камере высокого вакуума, для исключения взаимодействия счастицами газовой фазы, а также для обеспечения транспорта атомов к подложке.Поэтому данные методы также называют вакуумными.
Поскольку для созданиявысокого вакуума требуются сложные и дорогостоящие приборы, себестоимостьполучаемых пленок данными методами, особенно если они не автоматизированы,достаточно высока.Вакуумные методы осаждения пленок отличаются способами генерациигазовой фазы, режимами и условиями массопереноса и пленкообразования.Основными механизмами перевода атомов твердофазной мишени в газовую фазуявляются термическое испарение и ионное распыление мишени высокоэнергетичными ионами или атомами. Газовые потоки, генерируемые методами35испарения и распыления, характеризуются различными значениями энергиичастиц, степени ионизации, плотности потоков. В связи с этим пленки,полученные из распыленных или испаренных частиц, отличаются структурой и,соответственно, свойствами.Наиболее распространенными физическими методами получения пленокявляются распылительные методы, а также электронно-лучевое и лазерноеиспарение (см.
Рисунки 16, 17).Рисунок. 1.17 – Схема вакуумной камеры для резистивного термического испарения 1 –подложка, 2 – осаждаемая пленка, 3 – газообразный материал пленки, 4 – испаряемыйматериал, 5 – испаритель, 6 – нагреватель, 7 – выход к вакуумному насосу [77].Рисунок.1.16 – Схема лазерного испарения халькогенидного стеклообразногополупроводника [78].361.4.2. Химические методы осажденияВ последние десятилетия большое внимание уделяется разработкехимических методов получения пленок. Данные методы не требуют созданиявакуума, что позволяет упростить технологический процесс формированияпленок, а также снизить их стоимость.С помощью данных методов можно получать пленки сложного состава, атакже контролировать их состав и морфологию. Химические методы полученияпленок разделяют на две группы: первая – осаждение из газовых прекурсоров [79- 81], вторая – осаждение из жидких растворов прекурсоров [82-92].Газофазные методы осаждения пленок:Химическое осаждение из газовой фазы или Chemical Vapor Deposition(CVD) – это метод получения пленок, основанный на гетерогенной реакциилетучихсоединенийкомпонентовпленкинаповерхностиподложкисобразованием нелетучей твердофазной пленки требуемого состава.Данный способ осаждения пленок состоит из следующих этапов:генерация газовой фазы: образование смеси исходных соединений(прекурсоров) и инертного газоносителя в заданном соотношении и поступлениеее в реакционную камеру с определенной скоростью;транспорт частиц газовой фазы к подложке;адсорбция частиц газовой фазы на поверхности подложки;разложение прекурсоров на поверхности подложки и образованиепленки;десорбция газообразных продуктов реакции и удаление их изреакционной камеры.Метод CVD имеет множество достоинств:37возможность получения однородных пленок с высокой адгезией нетолько на плоских поверхностях, но и на подложках сложной формы, что, какправило, недостижимо при использовании физических методов осаждения;возможность получения моно-, поликристаллических, аморфных иэпитаксиальных пленок;возможность варьирования скорости осаждения от долей нм/ч додесятков мкм/ч в зависимости от поставленных целей;возможностьиспользованияширокогоспектрапрекурсоров–халькогенидов, гидридов, металлоорганических соединений;метод позволяет получать пленки разного состава (металлические,карбидные, нитридные, оксидные, сульфидные, соединений типа АIIIВV и AIIBVI);возможность получать совершенные эпитаксиальные гетероструктурыс чередующимися слоями различного состава, с толщинами близкими к атомнымразмерамиатомарно-гладкимиграницамиприпомощимолекулярногонаслаивания или атомнослоевой эпитаксии;базовый метод CVD является сравнительно экономичным.Следуетотметить,чтотехнологияCVDнелишенанедостатков.Существенным ограничением является отклонение состава пленки от составамишени, что связано с разной скоростью испарения прекурсоров.
Однако этотнедостаток проявляется лишь при осаждении многокомпонентных материалов, иустраняется путем оптимизации состава исходной смеси прекурсоров. Другаясложность связана с необходимостью использования высокой температуры(600°С и выше) для протекания процессов CVD, что ограничивает выборматериала подложек. Осложняет процесс токсичность и огнеопасность рядалетучих прекурсоров, а также продуктов химического взаимодействия. Внекоторыхслучаяхмогутпротекатьнежелательныепобочныереакции,приводящие к загрязнению пленки примесями.
Кроме того, применениемодифицированных методов, таких как высоковакуумное или плазменноеосаждение, требует дорогостоящего оборудования. Несмотря на имеющиесяограничения, в настоящее время технология CVD является одним из основных38методов получения пленок для самых разнообразных применений: от защитныхпокрытий до устройств микро - и оптоэлектроники, энергетики и т.д.Осаждение пленок из жидких растворов прекурсоровВ англоязычной литературе метод называют Chemical Solution Depositionили Liquid Phase Deposition (CSD или LPD). Растворные методы позволяютполучать пленки простых и сложных оксидов, в том числе электролитов [80-84].Процесс химического осаждения из растворов прекурсоров состоит из следующихэтапов:– приготовление раствора прекурсоров;– нанесение раствора на поверхность подложки;– низкотемпературная обработка, при которой происходит высушивание,пиролиз органических соединений и формирование аморфной пленки;– высокотемпературная обработка, при которой образуется плотнаякристаллическая пленка требуемого состава.Для качественного осаждения пленок из раствора прекурсоров необходимособлюдений таких условий, как растворимость прекурсоров в растворителе,достаточная смачиваемость материала подложки пленкообразующем раствором,временнаястабильностьпленкообразующегорастворадляобеспечениявоспроизводимости свойств пленок, возможность удаления побочных продуктовреакции в газовую фазу для осаждения на подложке необходимых ионов,гомогенность раствора прекурсоров в течение всех технологических процессовдляпредотвращениякристаллизациивотдельныефазы,обеспечениеоднородности покрытия по толщине, предотвращение растрескивания пленки настадиях высушивания и дополнительной термической обработки.Кроме того, должны выполняться ряд условий, характерных для всехтехнологий получения пленок.
Среди них можно выделить необходимостьминимизации и/или исключения деградационных процессов и взаимодействияматериалов подложки и пленки в процессе нанесения и термообработки. При39соблюдении данных условий осаждение из жидких растворов прекурсоровявляется быстрым, экономичным и технологически простым способом полученияпленок.1.4.3. Метод спин-коатинга (центрифугирования)Спин-коатинг (СК) - метод получения тонких пленок, основанный нарастекании капли раствора по поверхности быстровращающейся подложки засчет центробежных сил [28-32, 86-92].Можно выделить следующие ключевые этапы нанесения покрытия методомспин-коатинга.Первый этап включает в себя нанесение на поверхность пластины илиподложки покрывающей жидкости (см. Рисунок 1.18).Рисунок 1.18 – Нанесение покрывающей жидкости на подложку с помощью дозатора.Жидкость наносится на подложку, как правило, при помощи специальногодозатора, которое разливает или распыляет раствор.
На данном этапе количествопокрывающей жидкости значительно превышает необходимое количество дляформирования заданной толщины. Для удаления мелко дисперсионных частиц,которые могут испортить конечное покрытие, жидкость перед нанесениемпропускают через фильтр с микронными отверстиями. Также необходимо следить40за тем, чтобы покрывающая жидкость была нанесена на всю поверхностьпластины или подложки, иначе это может привести к неполному охвату.На втором этапе происходит постепенное увеличение скорости вращенияподложки до необходимого значения.
Данный процесс необходим для удаленияжидкости с поверхности подложки или пластины при помощи вращательногодвижения (см. Рисунок 1.19).Рисунок 1.19 – Удаление жидкости с поверхности пластины посредством ускоренноговращательного движения подложки.Во время проведения процесса на поверхности пластины могут на короткоевремя появляться спиральные вихри. Это явление связано с инерцией в верхнейчасти слоя жидкости и возникает при увеличении скорости вращения пластины. Врезультатеслойжидкостистановитсядостаточнотонкимидостигаетравномерной толщины по всей поверхности подложки.На третьем этапе подложка вращается с постоянной скоростью и благодарясиле внутреннего трения слой жидкости утончается (см.
Рисунок 1.20).Рисунок 1.20 – Утончение слоя жидкости при вращении подложки с постояннойскоростью.41Математическое моделирование потока позволяет сделать вывод о том, чтожидкость характеризуется ньютоновской вязкостью (т.е. линейной), и еслисначала жидкость равномерно распределена по поверхности пластины, топрофиль толщины слоя жидкости в любое указанное время также будетравномерным. В идеальных условиях это приводит к единообразию покрытия[88].На четвертом этапе подложка вращается с постоянной скоростью ипроисходит выпаривание растворителя (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
