Методы получения тонких пленок

   Методы  получения тонких пленок 

   Основными участниками процесса нанесения  пленки являются кристаллическая подложка, которая должна удовлетворять ряду требований (например, возможности эпитаксиального роста продукта на ней), и источник паров целевого продукта или исходных компонентов (тогда одновременно с осаждением на подложке будет происходить и химическая реакция).

   Получение качественных тонких пленок — сложная  многопараметрическая задача. В качестве основных управляющих параметров процесса следует указать на кристаллографическую ориентацию подложки и качество ее поверхности, температуру подложки, скорость нанесения пленки, которая зависит как от величины пересыщения пара, так и от газодинамических особенностей реактора.

   Чтобы образовалось покрытие на поверхности твердотельной подложки, частицы осаждаемого материала должны пролететь через среду-носитель и вступить в непосредственный контакт с подложкой. После попадания на поверхность значительная часть частиц должна адсорбироваться на ней либо за счет химической реакции с поверхностью образовать новое соединение, которое останется на поверхности. Эти частицы могут быть атомами, молекулам, ионами атомов, ионизированными молекулами или маленькими кусочками материала, как заряженными, так и незаряженными. Средой-носителем могут быть твердое вещество, жидкость, газ или вакуум.

   Таким образом, характеризовать процессы осаждения могут ׃

• Среда-носитель (твердая, жидкая, газообразная, вакуум).
• Тип осаждаемых частиц (атом, молекула, ион, небольшие зерна материала).
• Метод введения осаждаемого материала в среду-носитель (перемешивание или растворение материала, введение перемешанного материала в виде осадка, испарение, электрохимическая реакция на поверхности электрода-источника, бомбардировка его поверхности частицами).
• Реакция на поверхности подложки (конденсация материала, химическая реакция осаждаемых компонентов на поверхности подложки, испарение жидкого носителя, электрохимическая реакция на поверхности, имплантация).
• Механизм переноса осаждаемых частиц от источника к подложке (свободный полет, диффузия в газе, диффузия в жидкости).

 
 

   Основные  методы получения тонких пленок подразделяют следующим образом: 

   физические  методы осаждения :

   - термическое испарение за счет резистивного нагрева;

• электронно-лучевое испарение
• лазерное испарение;
• ионно-лучевое распыление.
• катодное распыление
• магнетронное распыление

 

   химические  методы осаждения

• осаждение из газовой фазы
• метод распылительного-пиролиза
• жидкофазная эпитаксия
• электролиз
• золь –гель метод

 
 
 

   1. Испарение в сверхвысоком вакууме 

   Напыление конденсацией из паровой (газовой) фазы  обозначает группу методов напыления тонких плёнок в вакууме, в которых покрытие получается путём прямой конденсации пара. Проблемы, связанные с загрязнениями в среде-носителе при получении пленок, легко решаются при использовании методов осаждения в сверхвысоком вакууме (при давлении менее 10^-6 Па). Метод термического испарения заключается в нагреве исходных материалов с помощью какого-либо источника энергии до температуры испарения, и конденсации паров на поверхности твердого тела в виде тонких пленок и покрытий. В зависимости от температуры испарения материал нагревают резистивным способом, воздействием высокочастотного электромагнитного поля, бомбардировкой ускоренными электронами, лучем лазера и с помощью электрического разряда.  

   Преимущества метода генерации потока осаждаемого вещества термическим испарением.

• возможность нанесения пленок металлов (в том числе тугоплавких), сплавов, полупроводниковых соединений и диэлектрических материалов
• простота реализации
• высокая скорость испарения вещества и возможность регулирования ее в широких пределах
• возможность получения покрытий, практически свободных от загрязнения 

 

   Резистивный нагрев,

   Нагрев  резистивным способом обеспечивается за счет тепла, выделяемого при прохождении  электрического тока  непосредственно через напыляемый материал или через испаритель, в котором он помещается. Конструктивно резистивные испарители подразделяются на проволочные, ленточные и тигельные. Способ применяется при испарении материалов, температура нагрева которых не превышает 1500 °С

   Резистивный нагрев используемый во многих испарительных  установках, имеет несколько существенных недостатков: загрязнение от нагревателя, тигля, ограничения по относительно низкой мощности  нагревательных элементов. Это не позволяет напылять чистые пленки и испарять материалы с высокой температурой плавления.

   Материалы испарителя должны удовлетворять следующим  требованиям:

• давление пара материала испарителя при температуре испарения должно быть пренебрежимо мало по сравнению с упругостью пара напыляемого вещества
• материал испарителя должен хорошо смачиваться расплавленным напыляемым металлом с целью обеспечения хорошего теплового контакта и равномерного потока пара
• химическое взаимодействие между контактирующими материалами, обуславливающее загрязнение покрытий и разрушение испарителей, должно отсутствовать

 

   Лодочки, или держатели для  резистивного нагрева изготавливаются из тугоплавких  металлов, которые могут нагреваться  при прохождении через них  электрического тока - это вольфрам, тантал, платина, графит. 

   Электронно-лучевое  испарение

   Принципиальная  схема электронно-лучевого испарения  в вакууме дана на рис     Испарение электронным лучом лишено недостатков присущих резистивному нагреву .

   Механизм  электронно-лучевого испарения : посредством  нагрева нити накала  которая служит катодом, происходит термоэмиссия электронов, причем нить накала располагается не на одной линии с подложкой, таким образом, устраняется  появление в пленке примесей от материала катода.

   Лучшие  результаты при напылении получаются, если испаряемый материал разместить в небольшом углублении охлаждаемого водой медного нагревателя. Электронный ток силой 100—500 мА эмитируется вольфрамовой нитью накала, находящейся вне поля прямого видения со стороны испаряемого вещества, и ускоряется высоким напряжением 3— 10 кВ. Электронный луч с помощью магнитного поля направляется на маленький участок испаряемого вещества, которое локально плавится (рис). Некоторые соединения перед испарением подвергаются диссоциации  и от испарителя в первую очередь отделяется компонент, который имеет более высокое давление пара. Для преодоления этого эффекта различные компоненты соединения испаряются из отдельных источников со скоростями, соответствующими молекулярному составу конденсата. 

   Испарение электронным лучом с ионным ассистированием

   В некоторых методах испарения  используют обработку ионным лучом  подложки для улучшения качества пленки (рис.  ). В этом случае ионная пушка, генерирующая ионы с энергией порядка нескольких кэВ, прменяется в сочетании с испарительным источником. В основном используются ионы инертных газов (например, Ar⁺ или О⁺₂), которые при контакте с поверхностью модифицируют пленочную структуру и состав, делая пленку более прочной и устойчивой.  
 
 
 

   Лазерная  абляция

   Лазерное  излучение обеспечивает самую высокую плотность энергии на распыляемой поверхности. Это ставит метод лазерной абляции практически безальтернативным методом получения сложных оксидных систем, в состав которых входят элементы с различными коэффициентами распыления. Этот метод успешно применяется для получения многокомпонентных оксидных систем. Данная методика получения различного рода сложных пленочных структур приобрела популярность после первого удачного ее применения для роста тонких пленок сверхпроводников в 1987 г.

   Ла́зерная абля́ция - метод удаления вещества с поверхности лазерным импульсом.

   При низкой мощности лазера вещество испаряется или сублимируется в виде свободных молекул, атомов и ионов, т.е. над облучаемой поверхностью образуется слабая плазма, обычно не светящаяся (этот режим часто называется лазерной десорбцией). При плотности мощности лазерного импульса, превышающей порог режима абляции, происходит микровзрыв с образованием кратера на поверхности образца и светящейся плазмы вместе с разлетающимися твёрдыми и жидкими частицами (аэрозоля). Режим лазерной абляции иногда также называется лазерной искрой.

   Схема установки для проведения лазерной абляции изображена на рис . Мощный лазер располагается снаружи установки. При помощи оптической системы лазерный луч направляется в камеру и фокусируется на мишени. Говоря простыми словами, лазерная абляция – это процесс быстрого плавления и испарения материала мишени, при использовании  высокоэнергетического лазерного излучения, с последующим переносом материи от мишени к подложке в вакууме. Глубина проникновения лазерного луча в поверхность мишени мала (приблизительно 10 нм). Это означает, что только тонкий поверхностный слой материала подвержен воздействию излучения в то время, как оставшаяся часть мишени остается незатронутой. Таким образом, лазерная абляция является неравновесным процессом. Говоря о ее достоинствах, можно отметить, что лазерная абляция – один из наиболее быстрых методов получения тонкопленочных покрытий, он предоставляет четко ориентированное направление распространения плазмы, наряду со стехиометрическим переносом материи от мишени к подложке. 
 

   2. Получение тонких пленок распылением материалов ионной бомбардировкой. 

   Распыление – это явление передачи момента импульса от налетающей частицы частицам  поверхности мишени с последующим отрывом атомов или молекул и переводом их в вакуум.

   Ионное  распыление – метод вакуумного напыления, в котором осаждаемый атомарный поток получают в результате бомбардировки ускоренными ионами поверхности исходного напыляемого материала и последующей инжекции распыленных атомов в газовую фазу.

   Характер  взаимодействия бомбардирующих ионов с поверхностью твердого тела определяется их энергией. При энергиях меньших 5 эВ, взаимодействие ограничивается  физически и химически адсорбированными слоями, вызывая их десорбцию и обуславливая протекание различных химических реакций. При кинетических энергиях, превышающих энергию связи атомов в кристаллической решетке, бомбардировка вызывает разрушение приповерхностного слоя и выброс атомов в газовую фазу (распыление). Минимальная энергия ионов, приводящая к выбиванию атомов с поверхности, называется пороговой энергией распыления. Значение ее находится в интервале энергий от 15 до 30 эВ.

   Характеристикой процесса ионного распыления служит коэффициент распыления, определяемый количеством атомов, выбитых с бомбардируемой поверхности падающим ионом. При возрастании энергии бомбардирующих ионов свыше 100 эВ коэффициент распыления резко увеличивается и в области 5-10 кэВ выходит на насыщение. Дальнейшее повышение кинетической энергии свыше 100 кэВ приводит к снижению распыления, вызванному радиационными эффектами и внедрениями ионов в кристаллическую решетку.  Распыление вызывается, в основном, передачей импульса энергии от бомбардирующей частицы атомам кристаллической решетки в результате серии последовательных столкновений. Передача импульса от падающих ионов происходит в первых атомных слоях решетки. Например, при бомбардировке поверхности поликристаллической меди ионами аргона с энергией 1000 эВ глубина проникновения равнялась трем атомным слоям.

   Наибольшее  распространение в качестве источника  бомбардирующих ионов получил инертный газ аргон, имеющий массу, достаточную для распыления, и характеризующийся относительно малой стоимостью. В установках поток распыленных атомов создается либо в результате бомбардировки ионами плазменного разряда поверхности исходного напыляемого материала, находящегося под отрицательным потенциалом или являющегося катодом тлеющего разряда (ионно-плазменное распыление, разновидностями которого являются катодное, магнетронное распыления), либо за счет бомбардировки ускоренными ионами, эмитированными автономным источником (ионно-лучевое распыление).