МГТУ им. Н.Э. Баумана
(Национальный
исследовательский
университет)
Российское научно-техническое вакуумное
общество
ЭНЕРГОМАССОПЕРЕНОС ПРИ НАНЕСЕНИИ
ТОНКИХ ПЛЕНОК В ВАКУУМЕ
Кафедра «Электронные технологии в
машиностроении»
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.
мишень
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
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
Влияние энергомассопереноса на зародышеобразование
Влияние энергомассопереноса на структуру тонких пленок
Монокристаллическая
Поликристаллическая
Рентгеноаморфная
7
Базы данных:
TFD_m - Методы
нанесения тонких пленок;
TFD_c – Режимы
нанесения тонких пленок;
TFD_d – Оборудование для
нанесения тонких пленок;
Vacuum – Вакуумные
системы;
ConSys – Системы
управления;
Firms – Фирмы
производители;
Letters – Источники
информации;
Результаты виртуального эксперимента
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 )
Резюме
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).
Цель: разработка автоматизированной экспертной
системы на основе баз данных (например, “TFD_c”)
и баз знаний (материалы лекций, учебников,
монографий, статей, докладов на конференциях) для
оценки существующих и вновь создаваемых
технологий и оборудования, анализа путей их
развития, прогнозирования возможности получения
тонкопленочных покрытий с заданными структурой
и свойствами, в том числе для проведения
экспертизы целесообразности закупки
дорогостоящего оборудования, заявок на
финансовую поддержку научно-исследовательских и
опытно-конструкторских работ и т.п.
