Класифікація методів одержання тонкоплівкових матеріалів

ЗМІСТ

1.	Вступ ………………………………………………………….....
	1.1.	Історія розвитку тонкоплівкових процесів………………...
	1.2.	Класифікація тонкоплівкових матеріалів………………….
2.	КЛАСИФІКАЦІЯ МЕТОДІВ ОДЕРЖАННЯ ТОНКОПЛІВКОВИХ МАТЕРІАЛІВ……………………………..
3.	ВАКУУМ У ТЕХНОЛОГІЯХ НАПИЛЮВАННЯ ТОНКИХ ПЛІВОК…………………………………………………………..
	3.1.	Вплив вакууму на процеси нанесення плівок……………
	3.2.	Вакуумна система та устаткування для одержання вакууму……………………………………………………..
	3.3.	Конструкція та режими роботи вакуумної системи………
	3.4.	Способи виміру тиску у вакуумній системі………………
4.	ОСНОВНІ СПОСОБИ ОДЕРЖАННЯ ТОНКИХ ПЛІВОК У ВАКУУМІ. ВАКУУМНІ ТЕХНОЛОГІЇ ОСАДЖЕННЯ МАТЕРІАЛІВ………………………………………………………
	4.1.	Класифікація вакуумних способів отримання тонких плівок………………………………………………………
	4.2.	Нанесення плівок методом вакуум-термічного випару…..
	4.2.1. Переваги VDS процесу в порівнянні з існуючими тонкоплівковими технологіями……………………
	4.3.	Електронно-променеве напилювання…………………….
	4.4.	Іонно-плазмове напилювання………………………………
	4.5.	Магнетронні пристрої для напилювання…………………..
	4.6.	Лазерний метод напилювання тонких плівок……………..
	4.7.	Іонне осадження покриттів…………………………………
	4.8.	Іонно-дифузійне насичення………………………………..
5.	КОНСТРУКЦІЇ вИПАРНИКІВ…………………………
6.	ВИБІР УМОВ І ПАРАМЕТРІВ НАПИЛЮВАННЯ ЗАЛЕЖНО ВІД ТЕХНОЛОГІЇ ТА ВИДУ МАТЕРІАЛУ……………………………………………..
	6.1.	Вибір температурно–часових режимів …………………
	6.2.	Вплив температури стінок робочої камери на швидкість осадження матеріалу ……………………………………….
	6.3.	Вплив температури підкладки …………………………….
	6.4.	Вплив тиску пари в робочому об’ємі ……………………..
7.	СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ В ТОНКИХ ПЛІВКАХ …
	7.1.	Механізми зародження конденсованих фаз на твердій підкладці ……………………………………………………
	7.2.	Закономірності утворення епітаксіальних тонких плівок
	7.3	Вплив щільності пари на формування структури тонких плівок………………………………………………………
	7.4.	Вплив температурного градієнта в напрямку від випарника до підкладки на формування структури тонких плівок ………………………………………………
	7.5.	Вплив енергії дисоціації матеріалів на характеристику їхнього осадження…………………………………………..
	7.6.	Вплив температури підкладки на охолодження матеріалу……………………………………………………
8.	СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ В МЕТАЛОКЕРАМІЧНИХ ТОНКИХ ПЛІВКАХ, ОТРИМАНИХ ЗА ДОПОМОГОЮ HDS ТЕХНОЛОГІЇ ……………………………………………………
9.	ВИКОРИСТАННЯ ДІАГРАМ СТАНУ ДЛЯ РОЗРОБКИ РЕЖИМІВ ОДЕРЖАННЯ тонкоПЛІВКОВИХ МАТЕРІАЛІВ
	9.1.	Однокомпонентні системи ………………………………….
	9.2.	Багатокомпонентні системи……………………………….
	9.3.	Використання діаграм стану при напилюванні холодним методом……………………………………………………..
10.	КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРІВ тонких ПЛІВОК І ТЕХНОЛОГІЧНИХ РЕЖИМІВ ЇХНЬОГО НАНЕСЕННЯ……
11.	Приклади одержання тонкоплівкових матеріалів вакуумно-термічним методом…….
	11.1.	Отримання тонких плівок із оксиду молібдену MoO3 за допомогою VDS установки………………………………
	11.2.	Одержання плівок графіту методом VDS………………..
	11.3.	Структура тонких плівок із шпінелі складу LiMn2O4 та багатошарових двофазних композитів вуглець-шпінель
	Додаток А……………………………………………………
	Додаток Б…………………………………………………………
	Рекомендована література

1. Вступ

Розвиток технології одержання матеріалів у вигляді тонких плівок можна віднести до найбільш пріоритетних напрямів матеріалознавства. Цей факт зумовлений тим, що в тонких плівках властивості матеріалів часто значно відрізняються від тих, які були типові для тих самих матеріалів у вихідному стані.

Тонкі плівки, що наносяться у вакуумі, широко застосовуються у виробництві дискретних напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем (ІМС), а також при виготовленні фотошаблонів – основного технологічного інструменту мікроелектроніки. Сьогодні тонкоплівкові елементи займають до 80% площі напівпровідникових кристалів, що зумовлено постійним функціональним ускладненням ІМС.

Одержання високоякісних і відтворюваних за електрофізичними параметрами тонкоплівкових шарів є одним з найважливіших технологічних процесів формування структур дискретних діодів і транзисторів, а також активних і пасивних елементів ІМС. Тонкі плівки наносяться також під час заключних технологічних операцій виготовлення напівпровідникових приладів та ІМС, тобто після виконання безлічі інших операцій. При цьому брак є особливо економічно відчутним і, природно, повинен бути зведений до мінімуму.

Таким чином, від досконалості технологічних процесів нанесення тонких плівок у значній мірі залежать надійність та якість виробів мікроелектроніки, технічний рівень і економічні показники їхнього виробництва.

Тонкоплівкова технологія базується на складних фізико-хімічних процесах і застосуванні різних металів та діелектриків. Так, тонкоплівкові резистори, електроди конденсаторів і проміжні з’єднання виготовляють шляхом осадження металевих плівок, а міжшарову ізоляцію та захисні покриття – діелектричних плівок.

Важливим етапом є контроль параметрів тонких плівок (швидкості нанесення, їхньої товщини та рівномірності, поверхневого опору), який здійснюється за допомогою спеціальних приладів як під час виконання окремих технологічних операцій, так і по завершенні всього процесу.

Тонкі плівки наносять у вакуумі методами термічного випару та іонного розпилення. У першому методі використовують випарники з резистивним або електронно-променевим нагріванням, а у другому – системи діодного або магнетронного розпилення.

Для реалізації цих методів розроблене спеціальне вакуумне устаткування періодичної, напівбезперервної та безперервної дії, на якому можна напилювати з різних джерел декілька різних за складом та властивостями шарів у єдиному технологічному циклі. При цьому виключається вплив атмосферного повітря на кожний нанесений шар, підвищується продуктивність за рахунок зменшення циклів висмоктування робочої камери і нагрівання або охолодження підкладки. З’являється можливість повної автоматизації устаткування на основі мікропроцесорних систем керування.

Сучасне вакуумне устаткування для нанесення тонких плівок оснащене випомповувальними системами, які складаються з насосів різних принципів дії, спеціальних арматур та приладів для виміру вакууму. Ефективність роботи багато в чому залежить від правильності його експлуатації, знання персоналом основ вакуумної техніки.

1.1. Історія розвитку тонкоплівкових процесів

Створення тонких плівок можна віднести до кінця XVII століття. Воно було пов’язане з удосконалюванням холодної та вогнепальної зброї. Першими плівками були зносостійкі покриття і покриття підвищеної твердості.

У XVIII столітті були розроблені технології одержання захисних корозійностійких плівок для поверхонь із заліза та його сплавів. Цей процес був названий воронуванням. В Росії наукові засади одержання захисних плівок на поверхні металу були закладені роботами Чернова.

Нанесення покриттів випаром і конденсацією у вакуумі вперше було застосовано в 20–х роках ХХ сторіччя для одержання тонких плівок (від 1 до 10 нм) в оптиці та радіотехнічній промисловості.

Утворення покриття починається з виникнення зародків. З розвитком технологій одержання тонкоплівкових покриттів з’являлися все нові та більш досконалі методи нанесення тонких плівок.

У таблиці Додатка А даного навчального посібника наведений опис існуючих способів обробки поверхонь, який відображає історичний розвиток технологій одержання тонких плівок та тонкоплівкових покриттів різного призначення.

1.2. Класифікація тонкоплівкових матеріалів

Головною характеристикою тонких плівок є адгезія – здатність матеріалів міцно зчіплюватися один з одним. Тому залежно від адгезійних властивостей напилюваного матеріалу всі тонкоплівкові покриття можна поділити на дві групи:

1) адгезійні покриття;

2) неадгезійні покриття.

1 група – адгезійні покриття, до яких відносять матеріали, отримані у вигляді тонких плівок, що мають високе зчеплення матеріалу з підкладкою. Прикладом використання сильної адгезії є операція залуження, коли при одержанні адгезійних покриттів матеріал наноситься на підкладку і далі експлуатується разом із нею.

До адгезійних покриттів відносяться:

– зносостійкі, наприклад нітриди титана;

– корозійностійкі, наприклад нікелювання, хромування;

– жаростійкі, наприклад сплав Х77ТВ;

– покриття з особливими фізичними властивостями:

а) з особливими оптичними властивостями – тоновані стекла, зворотна сторона дзеркала;

б) флуоресцентні покриття;

в) з особливими електричними властивостями: струмопровідні покриття на діелектриках, діелектричні покриття (конденсатори) та мікросхеми.

2 група – неадгезійні покриття – матеріали, які відділяються від підкладки та мають своє функціональне призначення, тобто їх наносять на підкладку таким чином, щоб згодом їх можна було б легко видалити з підкладки й використовувати як самостійні матеріали.

До неадгезійних покриттів відносяться:

– іонні та молекулярні фільтри, які можуть фільтрувати молекули й атоми певних розмірів;

– гелієвий течошукач;

– рентгенівські апарати;

– тонкі покриття методичного призначення: вугільні репліки для електронно-спектрографічних досліджень.

За будовою плівки розділяють на дві групи:

- епітаксіальні;

- не епітаксіальні або пористі.

Як буде показано в розділі 7 даного посібника «Структуроутворення в тонких плівках» під час аналізу закономірностей утворення епітаксіальних плівок, епітаксіальні плівки завжди будуть адгезійними, тому що буде спостерігатися ідеальний збіг будови підкладки з будовою нанесеної плівки.

КЛАСИФІКАЦІЯ МЕТОДІВ ОДЕРЖАННЯ ТОНКОПЛІВКОВИХ МАТЕРІАЛІВ

Існують наступні групи методів синтезу тонких плівок.

1. Методи хімічного осадження. В основі цієї технології лежить утворення матеріалів у результаті хімічної окислювально-відновної реакції підкладки із середовищем, тобто між шихтою, складеною із заданих компонентів, та підкладкою або між компонентами самої шихти. При цьому підкладка виступає відновником, наприклад, залізо відновлює мідь із розчину залізного купоросу.

До цієї ж групи відносять способи хімічного газового осадження з пари. У цьому випадку компоненти матеріалів перебувають у стані насиченої пари при заданій температурі.

Останнім часом в якості карбюризатора широко використовується нагрітий газ (рис. 2.1).

За допомогою цього методу зручно одержувати товсті плівки на предметах складної геометрії або форми, а також великих розмірів. Він найбільш економічно вигідний, тому що тривалість процесу є мінімальною. Крім того, для газу відсутнє таке поняття як змочуваність, що уможливлює напилювання матеріалів різноманітного складу.

Переваги: дешевизна, простота, висока швидкість процесу.

Недоліки:

1) зміна складу розчину або газового середовища в процесі реакції та, як наслідок, недостатній контроль за технологічним процесом;

2) поява на поверхні газоподібних продуктів реакції, внаслідок чого стає можливим утворення пористої поверхні.

2. Електролітичний метод. Тонкі плівки одержують в результаті реакції електролізу розчину або розплаву. В цьому випадку схема процесу така ж, як в попередньому випадку, але катодом служить підкладка.

Переваги: ті самі, що й у метода хімічного осадження.

Недоліки:

1) підкладка повинна бути струмопровідною;

2) забруднення гальванічної ванни продуктами розпаду.