Статья_Панфилов_СИЖ (955073), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

На рис. 4 представлены четыре типа кластерных источников с резистивным (a, b), лазерным (c) и дуговым (d) нагревом [3].

В источнике с резистивным нагревом и сверхзвуковым расширением (рис.4a) происходит испарение металла и унос пара потоком проходящего газа. Поток газа с парами металла проходит через сопло в вакуум, расширяется со сверхзвуковой скоростью, в результате чего происходит быстрое охлаждение парогазовой смеси, ее конденсация и образование кластеров металла. Использование резистивного нагревателя позволяет получать кластеры только легкоплавких металлов.

а)

б)

Рис. 3 Схема пароструйного (а) и кластерного (б) осаждения тонких пленок в вакууме: 1 – струя атомов, молекул и несущего газа, 2 – сопло, 3 – испаритель, 4 – патрубок напуска несущего газа, 5 – поток кластеров, 6 – скиммер, 7 – патрубок откачки,

В источнике с резистивным нагревом и конденсацией в инертном газе (рис. 4b) происходит испарение материала в объеме с холодным инертным газом, в результате чего пар охлаждается за счет столкновений с атомами инертного газа, становится пересыщенным и образуются кластеры. Поток инертного газа через сопло переносит кластеры в область высокого вакуума. Из-за невысокого давления инертного газа при расширении в вакуум возникают более слабые потоки, чем у источников со сверхзвуковым расширением.

Большие кластеры (их размер может достигать 10⁵ атомов) не приобретают скорость потока газа носителя и их кинетическая энергия может быть меньше 1 эВ. Этот источник может генерировать непрерывный пучок кластеров, а использование тугоплавкого тигля позволяет получать кластеры тугоплавких металлов.

Импульсное лазерное испарение (рис. 4с) используется для получения пучков как ионизированных, так и нейтральных кластеров как полупроводников, так и металлов, включая тугоплавкие. Луч лазера воздействует на поверхность мишени, а образовавшийся пар захватывается потоком газа-носителя, как и в источнике с конденсацией в инертном газе. Импульсный режим позволяет использовать относительно высокое начальное давление газа-носителя, что приводит к значительному охлаждению газовой смеси при ее расширении в высоковакуумную область. Полученные кластеры содержат до нескольких сотен атомов и имеют низкую энергию.

В импульсном дуговом источнике кластеров (рис. 4d) сильноточный дуговой разряд синхронизируется с импульсной подачей газа-носителя. Плазменный поток, сгенерированный дуговым разрядом, через сопло попадает в вакуум, расширяется и приобретает сверхзвуковую скорость, в результате охлаждения газовой смеси происходит образование кластеров, приблизительно десять процентов которых составляют заряженные частицы. Размеры кластеров составляют десятки атомов и существует возможность образования капель.

Разновидность метода JVD – ионно-кластерное осаждение (рис. 5) относится к методам ионного осаждения, несмотря на то, что часть потока пленкообразующих частиц может быть электрически нейтральным.

Рис.4 Основные типы кластерных источников: a – с резистивным нагревом и сверхзвуковым расширением; b –с резистивным нагревом и конденсацией в инертном газе; с – с лазерным испарением; d – с дуговым испарителем (1 – патрубок откачки, 2 – патрубок напуска газа-носителя, 3- нагреватель, 4 – сопло, 5 – скиммер, 6 – расплавленный металл, 7 - система охлаждения, 8 – испаряемое рабочее вещество, 9 – импульсный клапан, 10 – лазерный луч)

Рис. 5 Схема ионно-кластерного осаждения тонких пленок в вакууме: 1 – ионный кластер, 2 – ионизатор, 3 – нейтральный кластер, 4 – скиммер, 5 – сопло, 6 – испаритель, 7 – патрубок откачки, 8 – патрубок напуска несущего газа

Современные химические методы осаждения тонких пленок в вакууме

Атомно-слоевое осаждение (ALD метод) относится к методам химического осаждения (CVD методам) и используется для получения пленок с толщинами в несколько нанометров. Благодаря строго дозированному потоку газовых смесей (рис. 6) [4], длительности 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) иA2B6 (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.

Концентрация пленкообразующих молекул n (м^-3) в газе носителе должна составлять величину n=p_r/(kT), где p_r – парциальное давление молекул реагента, Па; k – постоянная Больцмана, Дж/К; T – температура стенок реактора, К. Необходимое количество пленкообразующих молекул определяется парциальным давлением и объемом V (м³) газа, содержащего молекулы реагента:

где A – площадь поверхности подложки, м²; a – количество молекул на единице поверхности, м^-2; u – коэффициент использования материала (обычно 0,1 – 0,8).

Рис 6 Схема ALD реактора

Длительность подачи реагента t рассчитывается по формуле

где F – поток реагента (молекул/с) при давлении 101,3 кПа и температуре 273 К. Типичное количество молекул на единице поверхности в одном монослое составляет 5^.10¹⁸ – 1,5^.10¹⁹ молекул/м².

Структура, состав и свойства получаемых пленок зависят от давления в реакторах, от расхода реагентов и синхронности их подачи, от степени очистки и температуры подложки (обычно 423 – 623 К).

Химическая лучевая эпитаксия (CBE – Chemical Beam Epitaxy) [9] осуществляется с помощью молекулярных источников металлоорганических соединений и гидридов металлов, а также азота, кислорода, углеводородов (рис. 7). Материалами осаждаемых слоев могут быть композиции, содержащие, например, As, P, Se, S, Te и другие полупроводниковые материалы A3B5 и A2B6 типов.

Типовыми условиями роста полупроводниковых слоев являются: давление в рабочей камере 10^-3 Па и менее, температура подложки 340 – 460ºС, расход рабочих газов 0,1 – 9,0 sccm, расстояние от источников до подложки порядка 10 см, длительность процесса роста порядка 30 минут.

Рис. 7 Схема установки химической лучевой эпитаксии

Заключение

В заключении можно отметить, что технология тонких пленок постоянно совершенствуется, появляются новые методы и получают новое развитие существующие методы, причем как с целью уменьшения скорости осаждения и строго контроля за потоком пленкообразующих частиц для нанотехнологий, так и для существенного увеличения скорости осаждения для получения пленок толщиной в несколько десятком микрометров.

Регулярно появляются новые и получают неожиданные применения известные комбинации нанесения тонких пленок с ионно-плазменной и ионно-лучевой обработкой или комбинации нескольких методов нанесения тонких пленок в вакууме. Так, для получения относительно толстых пленок начинает использоваться, например, комбинация магнетронного распыления с термическим испарением в одном источнике. Поэтому, доработка и совершенствование классификации методов нанесения тонких пленок в вакууме будут продолжаться и впредь.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ковалев Л.К., Панфилов Ю.В. Методы нанесения тонких пленок в вакууме / Справочник. Инженерный журнал, 1997, №3, С. 20 – 28.

2. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. – М.: Машиностролние. Технология, оборудование и системы управления в электронном машиностроении. Т. III – 8 / Ю.В. Панфилов, Л.К. Ковалев, В.Г. Блохин и др. Под общ. ред. Ю.В. Панфилова. 2000. 744 с.

3. Карпенко А.Ю., Батурин В.А. Источники кластерного пучка. Журнал Наноэлектронной физики, Том 4, №3, 03015 (13сс), (2012)

4. Becker J.S. Atomic layer deposition of metal oxide and nitride thin film / Harvard University Cambridge, Massachusetts, 2002, 154 p.

5. Вейко В.П., Метев С.М. Лазерные технологии в микроэлектронике. Издание БАН, София, 1991, 141 с.

6. Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн. 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. – К.: Аверс, 2008. – 244 с.

7. Башков В.М., Беляева А.О., Седых Н.С., Токарев Д.А. Исследование физико-химических параметров алмазоподобных покрытий, полученных методами электродугового физического осаждения с сепарацией плазмы / Наноинженерия, № 11, 2013, С. 35 – 38.

8. R. D. Vispute, J. Narayan, Hong Wu, K. Jagannadham. Epitaxial growth of AlN thin films on silicon (111) substrates by pulsed laser deposition / Department of Materials Science and Engineering, North Carolina State University, Raleigh, North Carolina27695-7916.

9. Sun Y, Yamamori M, Egawa T, Ishikawa H. Incorporation of N into GaAsN under N overpressure and underpressure conditions. Japanese Journal of Applied Physics 2004; 43 2409-2413. DOI: 10.1143/JJAP.43.2409.

Характеристики

Список файлов учебной работы