Для ознакомления в профильном классе "Термическое вакуумное напыление"

                                                                                                           Поздняк Н.И.

                                                                                                                             СПб ГБОУ 517

Для ознакомления в профильном классе

Термическое вакуумное напыление

   Разумеется, ознакомительная статья полезна не только для учеников профильного класса. В ней кратко излагается принцип получения тонкопленочных покрытий в вакууме путем термического испарения мишени и осаждения конденсата на подложку. Полезность заключается в том, что технология напыления тонких пленок лежит в основе создания микроэлектронной цифровой техники, а также оптики; то есть расширяется кругозор. Кроме всего, эти знания пригодятся для выбора профессиональной деятельности. Что-то интересное в этой области можно найти в списке литературы.

   К основным методам термического напыления можно отнести обычный резистивный нагрев испарителя и лучевые методы: лазерный, электроннолучевой, молекулярно-пучковой эпитаксии. 

    Резистивный метод основан на использовании джоулевого тепла при пропускании тока через нагреватель. Лучевые методы используют энергию квантов света и энергию ускоренных электронов. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Во всех случаях вещество мишени в результате фазовых превращений переходит из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное. Правда, имеется ряд веществ, которые могут сублимировать прямо из твердого состояния (цинк, кадмий, магний). Испарившиеся частицы мишени в условиях высокого вакуума практичкски не испытывают столкновений и оседают на подложку, которая обычно прогревается. 

   Имея достаточную тепловую энергию частицы мишени, могут или реиспариться, или адсорбироваться на подложку, передавая ей часть своей энергии. В результате диффузионных процессов частицы могут мигрировать по поверхности подложки. Встретив на своем пути другую частицу,  они могут объединиться, образуя постепенно группу, которая может стать центром кристаллизации или кластера. 

   На начальном этапе формирования конденсата отдельные группы отдалены друг от друга. Таким образом, получается островковая структура, которая в дальнейшем трансформируется в сплошное покрытие по мере поступления конденсата. Структура покрытия на начальном этапе существенно зависит как от физических и механических свойств подложки, так и от ее температуры.

Высокая температура подложки способствует миграционным процессам, т.е. увеличивается время диффузионного перемещения частиц, а значит,  растет вероятность формирования более крупных образований (зерен и кластеров). В этом случае островковая структура может сохраняться достаточно долго, а вновь поступающие частицы идут на достройку зерен. На холодных и неориентированных подложках, например, аморфных, миграционные процессы менее выражены и островковая стадия заканчивается значительно раньше. При этом размер зерен меньше и пленка становится сплошной раньше, однако, в этом случае не следует ожидать от нее кристаллического строения. 

   Система вакуумного резистивного напыления включает необходимые элементы: вакуумное оборудование, испаритель, подложкодержатель, нагреватели, источники питания, контрольно-измерительные приборы и др. Испаряемое вещество-мишень размещается на испарителе в виде токопроводящих лент, лодочек, спирали, нити или тугоплавких тиглей, косвенного нагрева. Проводящие испарители изготовляются из тугоплавких металлов: молибден и вольфрам. Пока испаритель выводится в рабочий режим, подложка экранируется поворотной заслонкой. Температура подложки играет существенную роль при формировании покрытия и ее чистоты. Осаждение паров вещества на подложку с низкой температурой выше, чем на горячую подложку. Однако, время формирования структуры пленки снижается в виду низкой энергии миграции и диффузии адатомов. С другой стороны, скорость напыления на горячую подложку уменьшается в результате процессов реиспарения. Современные безмасляные вакуумные установки позволяют производить напыление при разряжении остаточных газов вплоть до 10^-10 Па. 

   Процесс термического резистивного напыления зависит от многих факторов: степени и чистоты вакуума, строения, чистоты и температуры подложки, химических свойств испарителя и мишени. При температуре испарения мишени,  нагреватель не должен сам заметно испарятся,  и вступать в химическое взаимодействие с веществом мишени. Проблему нарушения стехиометрии тонкопленочного покрытия в методе резистивного испарения можно частично решить, используя разновидности этого метода. Так в режиме реактивного испарения, когда компоненты бинарного соединения имеют значительные расхождения давлений паров при одинаковой температуре, в вакуумную камеру вводят реактивный газ (кислород, азот, хлор и др.). Молекулы  газа компенсируют дефицит данных элементов в бинарном соединении на подложке и тем самым способствуют формированию стехиометрических покрытий. Такую же задачу решают методы дискретного взрывного испарения и испарения с двух и более резистивных нагревателей. В методе дискретного испарения на перегретый испаритель сбрасываются небольшие порции вещества мишени. Происходит почти мгновенное испарение,  при котором бинарное соединение не успевает диссоциировать и оседает на подложку. Однако, в виду высоких тепловых энергий из испарителя могут лететь не только атомы и молекулы, но и крупные частицы, ухудшающие характеристику конденсата. Напыление из двух источников уменьшает риск загрязнения подложки продуктами химического взаимодействия вещества мишени и нагревательного элемента, т.к. компоненты химического соединения мишени испаряются отдельно. Но в этом случае требуется предварительная отработка температурных и временных режимов. 

   Следует отметить, что метод резистивного вакуумного напыления стал развиваться раньше других вариантов и, может быть, по этой причине разработан глубже и надежнее других методов вакуумного напыления. В настоящее время этот метод является основным в производстве элементов приборов оптики, электроники и микроэлектроники.

   К достоинствам данного метода напыления тонких пленок можно отнести:

-  относительная техническая простота, значит более низкая стоимость;

-  технологичность;

-  высокий и относительно чистый вакуум, считается, не загрязняет подложку и конденсат;

-  возможны сочетания с другими способами напыления;

-  непосредственный технический контроль и регулирование параметров самого процесса напыления и конечного продукта обеспечивают воспроизводимость серийного продукта.

К недостаткам самого метода в чистом виде без привлечения других средств можно отнести:

-  возможность загрязнения покрытий частицами испарителя;

-  трудно испарять тугоплавкие вещества;

-  возможно селективное испарение сложных по химическому составу веществ;

-  требуется относительно длительное время для подготовки самого процесса вакуумного напыления.

    В такой короткой статье нельзя рассмотреть множество аспектов технологии вакуумного термического напыления тонкопленочных покрытий, поэтому для этого приводится соответствующая литература для любознательных и устремленных людей. Образно говоря, это простая статья-«ликбез», но полезная для эрудиции.    

   Литература

   Физика тонких пленок, под ред. Э.Туна, Г.Хасса, т. 1-8, М. Мир, 1967

   Технология тонких пленок (Справочник), под ред. Л. Майселла, Р. Глэнга, пер. с англ. М., «Советское радио», 1977

  Технология СБИС, под ред. С. Зи, пер. с англ. Кн. 1-2, М., 1986

   Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнология. Гусев А.И., 3-е изд., Физмат 2007

   Нанотехнологии: физикохимия нанокластеров, износ структур и наноматериалов.

Суздалев И.П., Серия: Синэнергетика от прошлого к будущему, 2006, с. 592 

   Гапонов С.В., Лускин Б.М., Нестеров Б.А., Письма в ЖТФ, 3, с.573, 1977

   Эпитаксиальные пленки. Палатник Л.С., Папиров И.И., М., 1971

   Напыление диэлектрических пленок с помощью излучения непрерывного

СО₂- лазера, Поздняк Н.И., Мыльников В.С., ЖТФ, т.49, с.186, 1979

   Структура пленок сульфида цинка, полученных лазерным испарением, Н.И.Поздняк, В.С.Мыльников, ЖТФ, 49, с.2423,  1979.

   Некоторые аспекты физики и технологии получения тонких пленок в том числе с применением СО2 –лазера, Поздняк Н.И., изд. СПбПГУ, 2015, 108 с    Технология производства микросхем и микропроцессоров. Черняев В.Н., 2-изд.

М., 1987

   Рост и морфология тонких пленок. Трофимов В.И., Осадченко В.А., М.,

Энергоатомиздат, 1993

Процессы конденсации тонких пленок, Кукушкин С.А., Осипов А.В., УФН, 168, 1083,