1Обзор литературы

1.1Тонкие пленки

Тонкими пленками называют слои материала, толщина которых находится в диапазоне от долей нанометра до нескольких микрометров. Свойства тонких пленок зависят от их химического состава и структуры и определяются многими факторами: материалом, на который будет нанесена пленка 1 (химическим составом, рельефом поверхности, наличием загрязнений и оксидных пленок на поверхности); температурой подложки; энергией частиц осаждаемого вещества (атомов, молекул, ионов, радикалов), падающих на подложку; средой, в которой происходит нанесение покрытия (вакуум, инертный газ, реактивный газ); скоростью роста пленки; облучением, сопутствующим процессу осаждения (электронным, ионным, фотонным, плазменным) [3].

1.2Методы нанесения тонких пленок

Все существующие на сегодняшний день методы нанесения тонких пленок в вакууме являются по своей сути методами осаждения. Они делятся на две большие группы: физическое осаждение из газовой фазы (physical vapor deposition

— PVD) и химическое осаждение из газовой фазы (chemical vapor deposition — CVD) [4]. Процесс роста пленки, получаемой методами осаждения, можно разделить на три этапа. На первом этапе происходит перенос частиц осаждаемого покрытия от источника к подложке, который определяется геометрией источника частиц и давлением рабочего газа в системе. На втором этапе происходит адсорбция этих частиц на поверхности подложки, их поверхностная диффузия и образование химических связей с подложкой или растущей пленкой. На третьем этапе происходит объемная диффузия атомов внутри материала пленки и образование окончательной структуры пленки. На последние два этапа существенное влияние оказывают температура подложки и энергия падающих

1В технологии нанесения тонких пленок его принято называть подложкой

9

частиц.

При PVD процессе покрытие получается путем прямой конденсации пара наносимого материала на подложку. Материал покрытия переходит в газовую фазу из твердого состояния в результате испарения под воздействием тепловой энергии или в результате физического распыления за счет кинетической энергии налетающих ионов, передаваемой атомам мишени. Нанесение покрытий методом PVD происходит при невысокой температуре (до 450 C), что не

приводит к ограничениям по материалам, на которые возможно наносить покрытие. Все PVD процессы происходят в вакууме или атмосфере инертного газа при низком давлении (менее 1 Па), обеспечивающем прямолинейное распространение частиц от источника к подложке. Строго говоря, ансамбль частиц, осаждающихся на подложку, обычно не является паром – как правило, это направленный поток атомов. Тем не менее термин PVD прочно закрепился в литературе.

Можно выделить следующие разновидности PVD методов [5]: термическое испарение, испарение электронным лучом, испарение лазерным лучом (лазерная абляция), испарение электрической дугой, молекулярно–пучковая эпитаксия, распыление ионной бомбардировкой.

При CVD процессе подложка помещается в пары одного или нескольких веществ, которые, вступая в реакцию и/или разлагаясь, производят на ее поверхности необходимое вещество. Для протекания необходимых химических реакций требуется высокая температура (вплоть до 1100 C), что существенно

ограничивает число материалов, на которые можно нанести покрытие. Процессы CVD происходят в менее глубоком вакууме при давлениях между 100 и 1000 Па. Благодаря высокой температуре нанесения, обеспечивающей частичную диффузию материала покрытия в материал основы, покрытия, полученные методом CVD, характеризуются хорошей адгезией.

Метод плазменно–стимулированного газохимического осаждения (plasma– enhanced chemical vapor deposition — PECVD) использует для начала химических реакций газоразрядную плазму пониженного давления в камере нанесения покрытия. В плазме образуется целый ряд частиц, обладающих повышенной химической активностью — свободные атомы и радикалы, ионы, возбужденные атомы и молекулы, которые могут вступать в химические реакции с другими частицами, как в объеме плазмы, так и непосредственно на подложке, образуя на ней требуемое химическое соединение [6]. Эти процессы могут протекать при более низких температурах, чем при обычном CVD процессе.

10

Магнетронные распылительные системы Осаждение покрытий в маг-

нетронном разряде является широко распространенным и хорошо зарекомендовавшим себя методом создания плотных и однородных покрытий с хорошей адгезией. На рисунке 1.1 представлена схема типичной магнетронной распылительной системы. Магнитная система 1 создает поле арочного типа над поверхностью катода. Силовые линии электрического поля вблизи катода направлены по нормали к его поверхности. Между катодом и анодом в определенной области образуются скрещенные электрическое и магнитное поля. В этой области загорается разряд, так как электроны оказываются в ловушке, создаваемой, с одной стороны, магнитным полем, возвращающим электроны на катод, а с другой стороны — поверхностью мишени, отталкивающей электроны. В этой ловушке электроны вращаются вдоль силовых линий магнитного поля и дрейфуют в скрещенных электрическом и магнитном полях, образуя широкое кольцо плазмы за счет множества ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа. Визуально область горения разряда представляет собой тор, ось которого перпендикулярна плоскости катода. Образовавшиеся ионы из области плазмы вытягиваются на катод и распыляют мишень 2. Такое увеличение эффективности ионизации рабочего газа позволяет достигать высоких плотностей плазмы по сравнению с безмагнитными системами, в результате чего значительно увеличивается плотность ионного тока на катод и скорость ионного распыления [7]. Это также позволяет снизить давление рабочего газа, что улучшает качество наносимых покрытий. Распыленные с поверхности мишени 2 атомы, имеющие энергии в диапазоне от 1 до 10 эВ, осаждаются на подложке 3. Наличие у них повышенных энергий приводит к активации процесса конденсации частиц на подложке, и, следовательно, к формированию энергетически более выгодных структур на поверхности и улучшению адгезии покрытия к подложке.

Широкое применение находят магнетронные системы с несбалансированным магнитным полем. В таких системах не все линии магнитного поля являются замкнутыми внутри камеры, что позволяет на порядок увеличить потоки электронов и ионов на подложку если она расположена перпендикулярно оси плазменного тора.

Магнетронные системы могут работать в режиме реактивного распыления, когда в качестве рабочего газа выступает инертный газ с небольшими добавками (не более 10 %) активных газов. Основной проблемой при работе в таком режиме является “отравление” катода – образование на его поверхности химических соединений, что усложняет горение разряда.

11