Нанотехнологии в металлургии
Осаждение из паровой фазы
жүктеу/скачать 0.95 Mb.
|
| Осаждение из паровой фазы
Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) — универсальный метод создания тонкопленочных материалов с возможностью контроля над их микроструктурой на атомном и нанометровом масштабах путем тщательной регулировки параметров осаждения. PVD-процесс подразумевает порождение паровой фазы из исходного материала посредством процессов испарения, распыления или лазерной абляции. При термическом испарении атомы или кластеры атомов испускаются с тигля, содержащего небольшое количество материала в объемной или порошковой форме, вследствие нагревания тигля, пропускания через него электрического тока или под действием электронного пучка на расположенный на тигле объемный материал. Процесс испарения происходит в вакуумной камере. Паровая фаза, испускаемая исходным материалом, конденсируется на подложке (рисунок 2.1). При магнетронном распылении атомы выбиваются с поверхности объемного материала в ходе бомбардировки ионами с высокими энергиями, образующимися в плазменной среде (рисунок 2.2). При лазерной абляции или импульсном лазерном осаждении исходный объемный материал облучается интенсивным импульсным лазерным лучом, тем самым порождая паровую фазу из атомов и кластеров атомов. Гак как и термическое испарение, и лазерная абляция происходят при низком давлении, атомы в паровой фазе движутся более-менее прямолинейно, т. е. их рассеяние минимально. При магнетронном распылении определенное рассеяние присутствует, что обычно приводит к образованию более неравномерных пленок. Термическое испарение не вполне подходит для создания многокомпонентных тонких пленок, поскольку некоторые объемные материалы испаряются раньше, чем другие, вследствие различия давления их паровых фаз. Магнетронное распыление может использоваться для осаждения материалов с высокой температурой точки плавления, например, тугоплавких металлов и керамик. В этом случае пар создается посредством передачи импульса от ионов атомам, а не прямым нагреванием атомов. Поскольку атомы, полученные в результате распыления, переносят больше энергии, атомы, полученные в результате термического испарения, полученные магнетронным распылением, обычно отличаются большей массовой плотностью. Однако типичные скорости осаждения при магнетронном распылении значительно ниже, чем при термическом испарении. Лазерная абляция, как правило, позволяет осуществлять осаждение с высокой степенью контроля состава через одновременное испарение многокомпонентных материалов в очень короткий промежуток времени. Рисунок 2. 1 - Схематическое изображение типичной установки для испарения Исходный материал нагревается под воздействием нити накала при термическом испарении или под воздействием электронного пучка при электронно-лучевом испарении. Осаждение под косым углом — PVD- метод, позволяющий создавать тонкие пленки, делаемые наномасштабной структурой. Образующийся в процессе осаждения под косым углом пар, сильно коллимирован, так что получаемые тонкие пленки обладают выраженной столбчатой морфологией. Развитие OAD-технологии на протяжении последних трех десятилетий сделало возможным создание столбчатых наноструктур различных форм (включая вертикальные, наклонные, спиралевидные и шевронные) и тонких пленок с 1радиентом пористости, используемых в различных практических устройствах (от датчиков и приводов до оптических фильтров) и при решении некоторых практических задач, связанных с микрожидкостями и катализом. Магнетрон постоянного либо высокочастотного тока Подача газа Вакуумный насос Рисунок 2.2 - Типичная схема установки для магнетронного распыления Осаждение в присутствии пучка ионов высокой энергии — метод, сочетающий ионную имплантацию с PVD-технологией. Данный метод особенно эффективен тем, что он повышает степень контроля над адгезией и морфологией образуемого покрытия. К отличающим его преимуществам также относится большое число независимых параметров осаждения, чем в других PVD-процессах. К примеру, через изменение энергии и тока бомбардирующих ионов добиться образования зерен нужного размера и кристаллической ориентации. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) — процесс, при котором подложка подвергается воздействию одного или нескольких летучих материалов-прекурсоров, которые реагируют или распада» ее поверхности, образуя желаемый осаждаемый слой. Этот процесс используется для получения высокочистых и высокоэффективных твердых материалов. Для разложения газообразных реагентов используются энергии термического, лазерного и плазменного излучения. CVD-процесс — распространенный и хорошо отработанный метод осаждения тонких пленок. Его широкое применение на протяжении многих лет можно объяснить наличием у него важных преимуществ, среди которых можно перечислить относительную простоту требуемого оборудования, превосходную однородность и высокую плотность получаемых пленок, высокую скорость осаждения и возможность перехода к крупномасштабному производству. Атомно-слоевое осаждение (ACO.ALD) — поверхностно-активный саморегулирующийся метод осаждения тонких пленок из газовых прекурсоров. Несмотря на то, что АСО в принципе можно свести к разновидности CVD- процессов, его отличительной особенностью является самоограничение роста получаемых пленок, наделяющее данный метод рядом привлекательных черт. К ним относятся: простота и точность контроля над толщиной пленки, получение четких интерфейсов, однородность пленок на больших площадях, конформное покрытие подложки пленкой, хорошая воспроизводимость, возможность производства многослойных структур и получение пленок с желаемыми свойствами при относительно низких температурах. Наиболее важными из этих преимуществ с нанотехнологической точки зрения являются высокая комфортность и точность регулирования толщины пленок на субнанометровом уровне. I-подача в камеру осаждения первого прекурсора; 2-продувка камеры и удаление избыточного количества прекурсора и побочных продуктов реакций; 3-подача второго прекурсора (окислителя); 4-продувка камеры осаждения Рисунок 2.3 - Схематическое изображение типичного процесса атомнослоевого осаждения. Метод АСО основан на попеременной подаче газо- и парообразных веществ-прекурсоров к поверхности подложки и их последующей хемосорбции или вступлении в поверхностные реакции. Между подачей прекурсоров камера очищается при помощи инертного газа. Этот процесс схематически изображен на рисунке 2.3. При правильном подборе экспериментальных параметров и условий процесс протекает по этапам последовательного насыщения: прекурсоры, направляемые на подложку, хемосорбируют на ней (или реагируют с поверхностными группами), образуя на ее поверхности плотный насыщенный (то есть полностью исчерпывающий реакционную способность подложки) монослой. На следующем шаге осуществляется очистка (продувка) рабочей камеры от всех лишних молекул. Когда в камеру подается следующий прекурсор, он контактирует лишь с образовавшимся на поверхности монослоем и вступает в реакцию уже с ним, образуя новый твердый слой и газообразные побочные продукты. При таких условиях рост пленок саморегулируется, поскольку объем твердой фазы, осаждаемой за один цикл, определяется числом молекул прекурсора, необходимых для образования насыщенного поверхностного монослоя. Как следствие, процесс роста является стабильным, а прирост толщины пленки на каждом шаге осаждения составляет некоторую фиксированную величину. Саморегулирующийся механизм роста упрощает выращивание конформных тонких пленок точной требуемой толщины на относительно больших площадях. Кроме того, данный метод позволяет выращивать многослойные структуры. Основным ограничением ЛСО, тем не менее, является медленная скорость роста пленок. жүктеу/скачать 0.95 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|