Физико-химические основы формирования тонких слоев и покрытий на твердых подложках.

Пример процесса получения простого исполнительного элемента МЭМС по технологии поверхностных микрообработок с применением «жертвенных» слоев:

Способы формирования тонких слоев и покрытий на твердых подложках подразделяются на три основные группы:

1. Формирование в газовой фазе, обычно в вакууме, путем испарения, сублимации или распыления одного или нескольких, химически не взаимодействующих простых или сложных веществ и прямой конденсации частиц газовой фазы на поверхности подложки в результате только физического взаимодействия (методы физического осаждения паров - Physical Vapour Deposition, PVD). К этим методам относится также осаждение (эпитаксия) молекулярных пучков (Molecular Beam Epitaxy).

2. Формирование в газовой фазе из нескольких простых или сложных веществ, которые в результате химического взаимодействия или и/или разложения образую осаждающееся на поверхности подложки необходимое вещество (методы химического осаждения паров - Сhemical Vapour Deposition, CVD). При этом также возможно образование газообразных побочных продуктов реакции, выносимых из камеры с потоком газа.

3. Формирование из жидкой фазы (истинного или коллоидного раствора исходных компонентов) с последующим удалением растворителя и образованием необходимого вещества в результате химических превращений компонентов (растворы полимеров или преполимеров и золь-гелевая технология).

1. Процессы физического осаждения из газовой фазы (pvd).

Основными стадиями этих процессов являются:

1. Генерация потока или пучка осаждаемого вещества - создание газа (пара) из частиц (атомов, молекул или их агрегатов - кластеров) осаждаемых материалов путем их испарения (evaporation), абляции (ablation) или распыления (sputtering), а также сочетанием этих процессов;

2. Перенос частиц к субстрату;

3. Конденсация частиц или осаждение (эпитаксия) молекулярных пучков на субстрате и формирование слоя или покрытия

Классификация методов физического осаждения  обычно базируется на процессе, протекающем на первой стадии:

• термическое испарение резистивным нагревом;

• испарение электрической дугой; 

• электронно-лучевое испарение;

• импульсное лазерное испарение;

• ионно-лучевое и ионно-плазменное распыление;

• катодное распыление; 

• магнетронное распыление;

• распыление под воздействием высокочастотного электромагнитного поля;

• молекулярно-лучевая эпитаксия. 

Преимуществами таких процессов генерации потока осаждаемого вещества являются:

• возможность перевода в газообразное состояние (пар) практически любых металлов (в том числе тугоплавких) и сплавов, неорганических полупроводниковых и диэлектрических материалов; 

• простота реализации;

• высокая скорость испарения вещества и возможность регулирования ее в широких пределах; 

• возможность получения покрытий, практически свободных от загрязнения. 

1.1. Резистивный нагрев.

В сверхвысоком вакууме (≤1,3·10^–8 Па) вещество термически нагревается до температуры испарения или сублимации, после чего его атомы и молекулы конденсируются на подложке. 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 и изготавливаются из тугоплавких металлов (вольфрама, тантала, платины) или графита. Способ применяется при напылении материалов, температура нагрева которых для испарения не превышает 1500 С. Этот метод испарения имеет несколько других существенных недостатков: загрязнение напыляемого материала от нагревателя или тигля, ограничения по мощности нагревательных элементов. Это не позволяет использовать его для нанесения чистых пленок из материалов с высокой температурой плавления. 

1.2. Испарение в электрической дуге.

Между катодом и анодом в вакууме инициируется электрическая дуга, которая испаряет материал катода. Процесс идет в среде инертного газа при низких давлениях 0,133–13,3 Па (0,001-0,1 торр) и при более низкой, чем в методах термического испарения, температуре.

1.3. Электронно-лучевое испарение.

На маленький участок испаряемого вещества (мишени), служащей анодом, направляется поток электронов силой 100—500 мА, эмитируемых катодом - вольфрамовой нитью накала, находящейся вне поля прямого видения со стороны испаряемого вещества, и ускоряется высоким напряжением 3— 10 кВ до энергии в несколько кэВ, что приводит к локальному плавлению и испарению атомов металла. Некоторые соединения перед испарением претерпевают диссоциацию и от испаряемого вещества 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 лишено недостатков присущих резистивному нагреву.