Вакуумное осаждение тонких пленок

Тонкие пленки можно получать практически из любых материалов, а области использования тонкопленочных покрытий имеют очень широкий диапазон (Табл.5).

5. Основные типы, области применения и материалы тонкопленочных покрытий

Тип пленки или покрытия	Область применения	Материал пленки
Алмазоподобная	Электроника, медицина, машиностроение, связь	-C, -C:H, AlN, ZnO
Антибликовое	Оптика	SiO2, TiO2, ZnO, SnO2, Ta2O3, Si3N4
Антистатическое	Микроэлектроника	InO, SnO, ZnO
Аналитическая	Датчики относительной влажности, медицина	Pt, Ti
Декоративное: на бумаге, металле, пластмассе, стекле, ткани и др.	Архитектура, строительство, полиграфия, легкая промышленность, бытовая техника	Al, Ti, W, Mo, Au, Cr, Cu, Ag, Nb, бронза, латунь
Диэлектрическая	Микроэлектроника, электротехника, связь	SiO, SiO2, Si3N4, Al2O3
Индикаторная	Жидкокристаллические индикаторы	InSnO
Износостойкое	Машиностроение: пары трения, резцы, фрезы, сверла, инструмент для прессования и формования, фильеры, валки	TiN, TiCN, TiAlN, AlSi, CrN, NiWO4, WSi, WC, TiN-BN, TiN-NbN-Si3N4, TiN-HfN-BN, AlN, -C, -C:H
Коррозионностойкое	Машиностроение, медицина, электроника, архитектура, строительство, бытовая техника	Al, Cu, Cr, Ni, Ti, NiCu, ZnCd, MgNi, -C, -CH
Магнитная	Электроника, связь	CoCr, CoNi, Se, Tb
Металлическая, контактная, токоподводящяя	Микроэлектроника	Al, Ni, Ta, W, AlSi, PtSi, WSi, PtSi-W-TiW-Al, PtSi-W-TiN-Al
Оптическое	Оптика, оптоэлектроника	Al2O3, Si3N4, SiO2, TiO2, ZnO, ZnAlO, SnO2
Отражающая	Оптика	CoO, CrO-Co, FeO, TiO2, SiO2
Оптическое, излучающее	Оптоэлектроника	CdTe, InSnO, PbSnSe, CaF2, CoSi2, CdHgTe, InP, Y3F5O12
Магнитооптическая, ПАВ, ЦМД	Приборостроение	AlN, GdCo, SmCo
Полупроводниковая	Микроэлектроника, связь	Si, GaAs, CaF2, InP, B, GaAsxAly, CdGeAs, CuInSe, CdS, CdSe
Просветляющее	Оптика	TaO, TiO, WO, AlO
Пьезоэлектрическая	Функциональная электроника	AlN, LiNb3, Al, Pd, Au, Ag, Zn, Cu, Ni-Al, SnAl, Fe, Cr-Au, Ni-V
Резистивная	Электроника, электротехника, связь	Re, Cr, Ni, NiCr, Au, Al, Ti, Ta, AlW, Ti-Ta-N
Светопоглощающее	Оптика, энергетика	CuIn3Se5
Сверхпроводящая	Электроника, энергетика	NbN, BaCaCuO, TlBaCaCuO, YbaCuO, BiSrCaCuO
Теплозащитное	Архитектура строительство	TiO2-Ag-TiO2, SnO2, SiN, CrN
Твердосмазочное	Машиностроение	MoS2, WS2, MoSe2, Wse2, -C, -C:H, фторопласт-4
Электретная	Электроника, медицина	Ta2O5

В качестве подложки могут использоваться практические любые твердые материалы: полупроводники, металлы, сплавы, полимеры, стекло, керамика, камень, дерево, ткани, порошковые материалы и т.д.

Технологический маршрут нанесения тонкопленочных покрытий состоит из следующих операций:

1) проверки работоспособности оборудования (наличия рабочих материалов, газов, герметичности вакуумных камер);

2) загрузки подложки из атмосферы в вакуум и ее перемещения в рабочую (технологическую) камеру;

3) подготовки поверхности подложки (нагрева, очистки, активации);

4) выхода на заданные режимы работы источников нанесения тонкопленочного покрытия;

5) напуска рабочего газа (если необходимо);

6) осаждения тонкой пленки;

7) стабилизации и контроля параметров пленки (нагрев, отжиг и др.);

8) выгрузки обработанных изделий.

Осаждение тонких пленок в вакууме включает три этапа: генерацию атомов или молекул, перенос их к подложке и рост пленки на поверхности подложки. Состав и структура пленки зависят от исходных материалов, метода и режимов нанесения, обеспечивающих необходимый энергомассоперенос материала.

В Табл.6 представлена классификация методов нанесения тонких пленок в вакууме, в основу которой положены физические принципы генерации и переноса потоков атомов или молекул, способы реализации этих принципов и конструктивное исполнение.

Основными технологическими режимами нанесения тонких пленок в вакууме являются: давление в рабочей камере p_вак (остаточных газов - вакуума) и p_р.г. (рабочего газа - инертного, химически активного, смеси газов), Па; температура подложки (изделия) T_п, К; максимальная скорость осаждения пленки V_оmax, мкм/с; энергия осаждающихся атомов, молекул, ионов и кластеров E, эВ; доля ионизированных частиц K_и.

В приведенных в Табл.6 формулах использованы также следующие обозначения: p_нас - давление насыщенного пара, Па; M - молекулярная масса испаряемого материала, кг/кмоль; T_исп - температура испарения, К; F_и,р - площадь поверхности испарения или распыления, м²; d - расстояние от источника до подложки, м;  - плотность осаждаемого материала, кг/м³; j_и - плотность ионного тока, А/м²; S - коэффициент распыления, атом/ион; q_доп - допустимая плотность потока энергии на поверхность конденсации, Вт/см²; E_опт - оптимальная энергия осаждающихся частиц, эВ; p_i, _i и M_i - соответственно парциальное давление (Па), плотность (кг/м³) и молекулярная масса (кг/кмоль) осаждающихся из газовой смеси компонентов n.

Условные обозначения методов приняты с целью использования их в базах данных и автоматизированных экспертных системах, необходимых для повышения уровня информационного обеспечения разработок и исследований в области технологии тонких пленок.

Осаждение тонких пленок в вакууме методом термического испарения D0 осуществляется путем подведения к веществу энергии резистивным D00 (прямым D000 - D002 и косвенным D003) и высокочастотным D01 нагревом, электронной бомбардировкой D02 , электронно-лучевым нагревом D03 и нагревом с помощью лазерного излучения D04. При температуре вещества равной, либо превышающей T_исп частицы покидают испаритель, переносятся в вакууме на подложку и конденсируются на ее поверхности в виде тонкой пленки.

Если помимо физических процессов, происходящих во время осаждения тонкой пленки, при напуске в рабочую камеру реактивного газа, в пространстве между источником и подложкой или на поверхности подложки протекает химическая реакция, то соответствующий метод называется реактивным D___R. Например, для получения пленок нитрида титана 2Ti + N₂ = 2TiN.