XXII Научно-техническая конференция
с участием зарубежных специалистов
ВАКУУМНАЯ НАУКА ТЕХНИКА
НОВЫЕ МЕТОДЫ В ТЕХНОЛОГИИ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Д.т.н., проф. Ю.В. Панфилов
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Крым, Феодосия
27.09.2015 г. – 04.10.2015 г.
Классификация методов нанесения тонких пленок в вакууме по способам
генерации пленкообразующих частиц
qтк
подложка
qик
qвн
qи
q
qо
qок
q1
Энергия,
запасенная
пленкой, равна
qпленки = q – qок –
qик + qвн
(д.т.н., проф.
Л.К.Ковалев)
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.
qт
мишень
Стадии энергомассопереноса в процессе формирования пленки
Генерация потока атомов и
молекул
Активация поверхности
подложки
Подготовка и поддержание
технологической среды
Перенос массы и энергии от
источника к подложке
Зародышеобразование и рост атомных
кластеров на поверхности подложки
Встраивание атомов в существующую на поверхности подложки
кристаллическую решетку
Atomic Layer Deposition – Атомно-слоевое осаждение
Поток газа
Нагревательные элементы
Vо=0,3 нм/с
h < 3 нм
Tп=423 – 623 К
Eч=0,05 эВ
p = 100 Па
А
Б
Трубки подачи
реагентов
Подложки
Насос
Необходимое количество пленкообразующих молекул
p r .V
3
Aa
, молекул
определяется парциальным давлением и объемом V (м ) газа,
kTu
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).
Aa
Длительность подачи реагента t рассчитывается по формуле
t 2,23 10 21
,c
Fu
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.
Becker J.S. Atomic layer deposition of metal oxide and nitride thin film / Harvard
University Cambridge, Massachusetts, 2002, 154 p.
Chemical Beam Epitaxy – Химическая лучевая эпитаксия
Материалами осаждаемых слоев могут быть композиции, содержащие 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, скорость осаждения 1 – 3 мкм/час.
Sun Y, Yamamori M, Egawa T, Ishikawa H. Incorporation of N into GaAsN under N over pressure and
under pressure conditions. Japanese Journal of Applied Physics 2004; 43 2409-2413. DOI:
10.1143/JJAP.43.2409
Pulsed Laser Deposition – Лазерная абляция
Импульсное лазерное нанесение
тонкой пленки [2]: 1 – лазер; 2 –
линза; 3 – система сканирования
лазерного луча; 4 – вакуумное
окно; 5 – мишени (испаряемый
материал); 6 – поток
испаренных частиц; 7 –
карусель с мишенями; 8 –
импульсный луч лазера
Эпитаксия AlN: Тп=1073 К, p=10-5 Па, Еч=10 эВ, h=200 – 300 нм за 10 – 15 мин.
Eл=2 – 3 Дж/см2, t=25 нс. (при 3 Дж/см2, 0,022 нм/импульс, при 10 Дж/см2 – 0,112
нм/импульс, т.е. при 30Гц – 0,66 нм/с и 3,36 нм/с)
1. 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
2. L.K. Kovalev Processes and Equipment for Micron Technologies / Journal of Advanced
Materials, 1994, 1 (2), 195 – 204
3. Вейко В.П., Метев С.М. Лазерные технологии в микроэлектронике. Издание БАН, София,
1991, 141 с.
Дуговое осаждение с сепарацией плазменного потока
Доля ионизированных атомов
Энергия ионов
Скорость осаждения
до 90%
10 – 12 эВ
до 1,7.107 нм/с
(1027 ат./(м2с)
Импульсный дуговой
испаритель с лазерным
поджигом и сепарацией
плазменного потока: 1 –
испаряемый материал; 2 –
анод; 3 – дуговой разряд; 4 –
импульсный (10-9 с) луч лазера;
5 – линза; 6 – лазер; 7 –
ионизированные атомы; 8 –
траектория движения ионов; 9
– магнитный сепаратор; 10 –
монохроматический поток
ионов; 11 – магнитная
катушка; 12 – сердечник; 13 –
карусель с мишенями; 14 –
поток неионизированных
частиц; 15 – система
сканирования лазерного луча;
16 – вакуумное окно
1. L.K. Kovalev Processes and Equipment for Micron Technologies / Journal of Advanced Materials,
1994, 1 (2), 195 – 204
2. 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.
Jet Vapor Deposition – Струйное осаждение
2
1
3
4
Схема
пароструйного
осаждения
тонких пленок
в вакууме: 1 –
струя атомов,
молекул и
несущего газа,
2 – сопло, 3 –
испаритель, 4 –
патрубок
напуска
несущего газа
L. Woods and P. Meyers. Atmospheric Pressure Chemical Vapor
Deposition amd Jet vapor Deposition of CdTe for High Efficiency
Thin Film PV Devices / INT Energy Systems, Littleton, Colorado
(1617 Cole Boulevard Golden, Colorado 80401-3393), 39 p.p.
Скорость газовой струи
103 м/с (1,25 эВ для CdTe)
Входное давление несущего газа >1000 Па
Давление в рабочей камере
10 – 100 Па
Температура подложки
323 – 673 К
Скорость осаждения: 4,5 мкм/мин – 20 мкм/мин (max) или
4,5.1021 – 2.1022 атом/(м2с)
B. Schmitz, R. Colin. “Jet Vapor Deposition” a novel vacuum
coating technique with superior properties, M. Economopoulos
Centre for Research in Metallurgy (CRM)
Источник
ЭЛИ
JVD
Vзв.=300 м/с
Е=mV2/2 Дж
кг/(м2с)
ат./(м2с)
эВ/(м2с)
кг/(м2с)
ат./(м2с)
эВ/(м2с)
Zn
(М=65
а.е.м.,
ρ=7133
кг/м3)
Zn-Mg
(М=33
а.е.м.,
ρ=4435
кг/м3)
Al
(М=27
а.е.м.,
ρ=2689
кг/м3)
Ти=500 К
(0,043 эВ)
Ти=650 К
(0,056 эВ)
Ти=1300 К
(0,1 эВ)
0,026
2,4.1023
1022
2,3
2.1025
6.1023
0,016
2,9.1023
1,6.1022
0,6
1.1025
1,6.1023
0,009
2.1023
2.1022
0,12
2,7.1024
3,4.1022
Cluster Jet Vapor Deposition – Кластерное осаждение
5
6
1
2
3
7
4
Схема кластерного 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
Атомные кластеры формируются в результате
конденсации при истечении через сопло, когда газ
расширяется и происходит его адиабатическое
охлаждается. Кластеры содержат до 105
атомов/кластер, ускоряются до сверхзвуковых
скоростей и приобретают энергию порядка 1 эВ.
Полуэмпирический закон подобия Хагена:
k d 0.85 p0
Г
T02.29
где d – диаметр отверстия сопла, мкм; p0 – давление перед соплом, Торр; T0 –
температура газа до расширения, К; k – константа, зависящая от типа газа.
При Г<200 кластеры не образуются, при Г >1000 – массовое кластерообразование с
размерами кластеров более 100 атомов/кластер.
Карпенко А.Ю., Батурин В.А. Источники кластерного пучка. Журнал Наноэлектронной физики,
Том 4, №3, 03015 (13сс), (2012)
Ion Cluster Deposition – Ионно-кластерное осаждение
1
2
3
4
5
6
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
7
8
Схема взаимодействия ионного
кластера с твердым телом при
различной энергии кластера
Коробейщиков Н.Г., Зарвин А.Е., Каляда В.В., Шмаков А.А. Формирование ускоренных ионнокластерных пучков аргона для модификации поверхности // Материалы XIX науч.-техн. конф.
«Вакуумная наука и техника». М.: МИЭМ. 2012 - С. 166 – 169.
Eч, эВ
С сепарацией
плазменного
потока
1000
ИО
ОВ (PLD)
100
ИР
10
ДИ
ЛЛЭ
1
JVD
МЛЭ
0,1
ТИ
ALD
CVD
Vо, нм/с
0,01
0,1
1
10
100
1000
10000
100000
Сравнение энергии частиц Еч и их скорости осаждения Vо для различных методов нанесения
тонких пленок в вакууме, пунктирная линия – условия эпитаксиального роста тонких
пленок (по данным литературных источников): МЛЭ – молекулярно-лучевая эпитаксия,
ALD – атомно-слоевое осаждение, ИО – ионное осаждение (в т. ч. ионно-кластерное), ИР –
ионное распыление, ЛЛЭ – лазерная лучевая эпитаксия, JVD – струйное осаждение (в т. ч.
кластерное осаждение), ТИ – термическое испарение, CVD – газофазное осаждение, ДИ –
дуговое испарение, ОВ – осаждение взрывом, в т. ч. PLD – лазерная абляция
EчNо, Дж/(м2с)
108
ОВ (PLD) (tмг=10-5 с, tмп=5.10-6 с)
107
ДИ (tмг=2 с, tмп=10-5 с)
106
105
JVD (tмг=10-5 с, tмп=10-4 с)
104
ИО (tмг=0,2 с, tмп=0,2 с)
ИР (tмг=10-4 с, tмп=0,05 с)
10
3
tмг ≥ tмп
CVD (tмг=10-8 с, tмп=10-3 с)
ЛЛЭ (tмг=0,02 с, tмп=0,07 с)
10
2
ТИ (tмг=2 с, tмп=0,01 с)
10
tмг < tмп
1
ALD (tмг=10-6 с, tмп=0,8 с)
МЛЭ (tмг=2.104 с, tмп=0,8 с)
p, Па
0,1
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
1
10
102
103
104
Соотношение величин энергомассопереноса EчNо и давления в рабочей камере p для
различных методах нанесения тонких пленок в вакууме
(время образования на подложке монослоя газов tмг больше либо близко времени
образования монослоя пленки tмп – черный цвет, время образования на подложке монослоя
газов tмг меньше времени образования монослоя пленки tмп – серый цвет )
Заключение
1. Для эпитаксиального роста тонкой пленки, наносимой, например, методом ионного
осаждения (ИО), необходимо уменьшить энергию частиц до величины порядка 0,5 – 1 эВ или
существенно увеличить скорость осаждения, соответствующую ионно-кластерному
осаждению и дуговому испарению (ДИ) с сепарацией плазменного потока.
2. Для метода осаждения эпитаксиальных пленок из газовой фазы (CVD) необходимо
значительно уменьшить скорость осаждения, приблизив ее к скорости атомно-слоевого
осаждения (ALD) или внести дополнительную энергию путем нагрева подложки до 1073 К.
3. Сепарация плазменного потока при дуговом испарении (ДИ) дает возможность уменьшать
скорость осаждения за счет уменьшения доли ионизированной фазы, а также увеличивать
энергию осаждаемых частиц путем повышения электрического потенциала, подаваемого на
подложку.
4. При определенном соотношении величины энергомассопереноса и давления в рабочей камере
время образования монослоя газов tмг на подложке может быть больше либо близко времени
образования монослоя материала пленки tмп, или наоборот время образования монослоя газов
tмг может быть меньше времени образования материала монослоя пленки tмп.
5. У методов: молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ), ионное осаждение (ИО), в т. ч. ионнокластерное, дуговое испарение (ДИ), осаждение взрывом (ОВ), в т. ч. лазерная абляция (PLD),
однородность состава пленки (коэффициент загрязнения) обеспечивается тем, что монослой
материала пленки образуется быстрее монослоя остаточных газов.
6. У методов: атомно-слоевого осаждения (ALD), ионного распыления (ИР ) и газофазного
осаждения (CVD), в которых используется рабочий газ, время образования монослоя газов tмг
меньше времени образования монослоя материала пленки tмп, что влияет на процесс
встраивания атомов или молекул в кристаллическую решетку растущей на поверхности
подложки тонкой пленки. Для уменьшения этого влияния поверхность подложки нагревают до
высокой температуры (методы ALD иCVD) или подают на нее потенциал смещения для
ионного ассистирования (ИР).
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
