Гапанович м.В., Новиков г.Ф. Методы вакуумного получения тонких пленок

Методическое пособие

Черноголовка 2015

Оглавление

1 Введение 3

2 Методы получения тонких пленок 4

2.1 Метод вакуумной сублимации в замкнутом объеме (CSS) 4

2.2 Метод магнетронного напыления (sputtering). 7

3 Практическая часть 8

3.1 Вакуумная установка ВУП-5 8

3.1.1 Общая характеристика 8

3.1.2 Порядок работы 10

3.2 Обезжиривание подложек 10

3.3 Задача 1. Получение образцов стекло/Mo методом магнетронного напыления на постоянном токе 11

3.4 Задача 2. Получение тонких пленок ZnO методом реактивного магнетронного напыления 13

3.5 Задача 3. Получение пленок CdTe методом термического испарения в замкнутом объеме 14

4 Контрольные вопросы 14

5 Литература 15

1Введение

Тонкие пленки широко используются в различных областях науки и техники. К таким областям относится микроэлектроника, а также создание неорганических солнечных батарей нового поколения. К ним относятся солнечные элементы с гетеропереходами CdTe/CdS, CIGS/CdS и CZTS/CdS. В мире данная область науки и техники активно развивается. Такие устройства также разрабатываются и в лаборатории фотоэлектрофизики ИПХФ РАН. При получение пленок для таких батарей требуется решать ряд технологических задач. К ним относится достижение приемлемой адгезии, при заданных оптических и электрофизических свойствах.

Целью данного методического пособия является ознакомление студентов с основными вакуумными методами получения тонких пленок в рамках курса, читаемого магистрам факультета фундаментальной физико-химической инженерии МГУ им. М.В. Ломоносова.

2Методы получения тонких пленок

2.1Метод вакуумной сублимации в замкнутом объеме (css)

Общая характеристика

Данный метод основан на возгонке веществ при нагревании их в глубоком вакууме.

Основным условием возгонки вещества является равенство давления паров над ним (p₁) атмосферному давлению (p_атм). У большинства металлов и полупроводников p₁ при комнатной температуре невелико, однако при повышении температуры оно резко возрастает. На Рис. 1 для примера приведена зависимость давления паров олова от температуры [¹]:

Рис. 1. Зависимость давления паров олова от температуры [Error: Reference source not found].

Как следует из данного рисунка, олово начинает возгоняться при 800 С в вакууме с остаточным давлением около 10^-5 мм. рт. ст. Однако в таком вакууме длина свободного пробега молекул будет сравнительно небольшой, кроме того, при данной температуре скорость испарения олова будет слишком низкой. Обычно приемлемым считается вакуум с остаточным давлением <10^-6 мм. рт. ст., тогда как температура испарителя выбирается таким образом, чтобы давление паров испаряемого вещества было в диапазоне 10^-2 – 10^-1 мм. рт.ст. Как следует из Рис. 1, для испарения олова оптимален температурный диапазон 1000-1200 С.

Основным недостатком данного метода является его неприменимость для веществ, диссоциирующих при вакуумной возгонке, таким как ZnO, а также ряд сплавов. При этом состав конечной пленки может отличаться от состава испаряемого вещества

Испарители

Наиболее распространенным методом является т.н. резистивное испарение. Оно основано на нагревании электропроводного испарителя при пропускании через него электрического тока. В качестве материалов используются наиболее тугоплавкие простые вещества, такие как W, Ta, C и Mo. Главными недостатком данного типа испарения является его ограниченный температурный диапазон, выше которого наблюдается заметное испарение материала тигля, что приводит к его «перегоранию». Кроме того, ряд веществ (напр., Al) может взаимодействовать с материалом тигля при температуре испарения.

Рис. 2. Примеры резистивных испарителей. 1 – в виде нити, 2 – в виде ленты

Другим типом нагрева испаряемого вещества является облучение его электронами в т.н. «электронной пушке» (e-gun). На Рис. 3 приведена упрощенная схема такого испарителя:

Рис. 3. Схема электронной пушки. 1 – вольфрамовая спирать, 2 – испаряемое вещество, 3 – тигель для испаряемого вещества, 4 - защита

Он состоит из нескольких частей: вольфрамовой спирали, нагреваемой до белого каления электрическим током, тиглем для образца, представляющего собой графитовый стержень с выемкой или вольфрамовую проволоку, в верхней части которого находится испаряемое вещество. К тиглю подводится напряжение около 10 кВ.

Нагревание испаряемого вещества происходит за счет фокусировки на нем при помощи электрического поля электронов, испускаемых нагретым вольфрамом. Основным преимуществом данного метода является достижимость более высоких температур, чем в методе резистивного испарения. Кроме того, нагрев испаряемого вещества происходит локально.

Толщина осаждаемых пленок.

Толщина конечной пленки зависит от массы испаряемого вещества, его плотности, а также конструкции испарителя. В случае точечного испарителя (т.е. когда расстояние между подложкой и испарителем значительно превышает линейные размеры зоны испарения) в виде нити, распыление происходит по всем направлениям, облако испаряемого вещества можно представить в виде сферы с радиусом R:

Рис. 4.Схема распыления

При полном испарении вещества из тигля оно равномерно распределится по поверхности сферы и образует оболочку с толщиной d. Объем данной оболочки будет , поэтому массу испаренного вещества можно выразить как

(1)

где  - плотность испаряемого вещества.

Из данного выражения можно найти d. В случае параллельного расположения испарителя и подложки (Рис. 4) это и будет толщина пленки в точке а .Из Рис. 4 следует, что толщина покрытия в различных частях подложки будет разной, в точке б радиус сферы будет R₁ >R. Однако пленку можно сделать более однородной, обеспечив планетарное вращение подложки. При этом ось вращения должна быть смещена относительно центра испарителя.

Если использовать испаритель в виде ленты, то выражение (1) преобразуется к виду

(2)

поскольку в этом случае испарение будет происходить в виде полусферы.

Если испаритель и подложка расположены относительно друг друга под углом , то выражения (1) и (2) следует умножить на sin.

Таким образом, общая формула для толщины пленки d в случае точечного испарителя будет

(3)

где k - коэффициент, учитывающий форму испарителя, m – масса испаренного вещества, R – расстояние между подложкой и испарителем,  - плотность испаряемого вещества,  - угол наклона подложки. [²]