Способ получения аморфных металлических пленок
Использование: технология изготовления пленочных элементов в электронных и оптических приборах на твердом теле. Сущность изобретения: получение аморфных металлических пленок достигается за счет подавления поверхностной миграции адатомов в процессе распыления мишени слоем адсорбированного газа, не вступающего в реакцию с материалом пленки. Мишень испаряется импульсами лазерного излучения в инертной газовой среде. Десорбция газа перед осаждением каждой новой порции металла осуществляется за счет бомбардировки поверхности высокоэнергетичными электронами и ионами лазерной плазмы. Способ исключает необходимость принудительного охлаждения подложки до температуры ниже температуры перехода аморфная фаза - кристалл, а также позволяет расширить класс веществ, из которых можно получить аморфные пленки. 1 табл., 2 ил.
СОЮЗ ОВЕТСКИХ
СОЦИА." И С,ri r ÅÑÊÈX
PECIlYE, .Ик (sI>s С 23 С 14/28
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
К ПАТЕНТУ (21) 5017325/21 (22) 04,10.91 (46) 07.05.93. Бюл. ¹ 17 (71) Харьковский политехнический институт им. В. И. Ленина (72) А, Г. Багмут, Г, П. Николайчук (73) Харьковский политехнический институт им. В. И. Ленина (56) Физика и химия обработки материалов, 1988, ¹4, с, 44-49. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АМОРФНЫХ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК (57) Использование: технология изготовления пленочных элементов в электронных и оптических приборах на твердом теле, Сущность изобретения; получение аморфных металлических пленок достигается за счет
Изобретение относится к технологии изготовления пленочных элементов в электронных и оптических приборах на твердом теле и может быть использовано при производстве микросхем, в частности при создании пассивных элементов, а также диффузионных барьеров в гетероструктурах. Предлагаемый способ получения аморфных пленок может быть использован для изготовления тест-объектов для проверки разрешающей способности электронных микроскопов "по точкам", а также при составлении лабораторных работ по курсу
"физика твердого ела".
Целью изобретения является стабилизация аморфного состояния в пленках при конденсации в вакууме веществ с низкими
„.,!Ы„„1814665 АЗ подавления поверхностной миграции адатомов в процессе распыления мишени слоем адсорбированного газа, не вступающего в реакцию с материалом пленки. Мишень испаряется импульсами лазерного излучения в инертной газовой среде. Десорбция газа перед осаждением каждой новой порции металла осуществляется за счет бомбардировки поверхности высокоэнергетичными электронами и ионами лазерной плазмы, Способ исключает необходимость принудительного охлаждения подложки до температуры ниже температуры перехода аморфная фаза — кристалл, а также позволяет расширить класс веществ, из которых можно получить аморфные пленки. 1 табл., 2 ил. значениям Так и расширение класса используемых материалов.
Цель достигается тем, что по способу получения пленок путем импульсноголазерного испарения вещества в вакууме с последующей конденсацией его на подложке, каждая порция вещества, осажденная за один импульс излучения, покрывается слоем сорбированного инертного газа, который препятствует поверхностной мигра г «a„:àтомов и образованию островков кристаллической фазы, Перед осаждением новои порции вещества следующим импульсом излучения ОКГ сорбированный слой ус-раняется посредством его расо -.ен "я
Rblcîêo3íåðãåòè÷íûìè электронами v: i,ý çми лазерной плазмы. Процесс пов- оряется периодически до достижения:— .. iåHêoé за1814665 данной толщины d, Импульсное испарение вещества осуществляется в атмосфере инертного газа. Давление газа P и частота следования импульсов N подбираются такими, чтобы за время паузы между импульсами на подложке адсорбировался газ, толщина которого на порядок выше толщины слоя вещества, испаренного за один импульс. B то же время толщина слоя вещества
d<, осаждаемого за один импульс излучения
ОКГ, не должна превышать одного монослоя.
Наиболее благоприятный режим достигается при лазерной конденсации в среде газа, инертного по отношению к испаряемому веществу, в интервале давлений 90 — 130
Па при g> 10 Вт/м и частоте следования г импульсов в = 50 — 100 с
Используя предложенный метод конденсации удалось получить аморфные пленки золота, кобальта (толщиной d 10 — 40 нм), хрома и железа на подложках при комнатной температуре. Способ может быть реализован на установке типа "вакуумный пост", предназначенной для нанесения пленок и покрытий в вакууме. Установка оборудована лазером, работающим в режиме модулированной добротности, системой ввода и формирования фокусированного пятна излучения на поверхности испаряемой мишени. Плотность мощности g лазерного излучения в плоскости испаряемой мишени должна быть достаточной для формирования факела лазерной плазмы, содержащей высокоэнергетические частицы с энергией
1т 16
0,1 — 7 кзВ, что достигается при g=10 — 10
BT/см . Установка содержит также вентиль плавной регулировки напуска газа в измеритель давления в испарительной камере, Подложкой может служить монокристалл, в частности ЩГК, сколотый по плоскости спайности, стекло, слюда, аморфная пленка углерода и др.
Сущность способа заключается в следующем. Первоначально вакуумная испарительная камера откачивается до давления
Р0-10 Па, после чего напускается инертный газ до давления P=90 — 130 Па. Мишень распыляется в газовой срере импульсами
ОКГ при g=10 — 10 Вт/м с частотой их следования 50 — 100 Гц и длительностью импульсов г=12 — 20 нс. При работе ОКГ в режиме наносекундных импульсов длительность импульса конденсации можно оценить по формуле т,— 1
6 п 1 1 на-..н е.а., где m, 1, е »н и емакс — соответственно масса атома, расстояние мишень-подложка, минимальная и максимальная энергия частиц лазерной плазмы, Максимумам энергетического спектра лазерной эрозионной плазмы соответствуют значения е» ФО эВ (нейтральные частицы) и я к МОО эВ (ионы). Тогда для Со расчет по формуле (1) дает (а=5,3.
10 кг, l=2 см) значение t -6 ф В течение времени tK 2 мкс эффективное давление газа Рифф. вблизи подложки значительно ниже, Его можно оценить по формуле 10 Рэфф = -(1+ — tÄ) (— +t,) И, з И, I I p где 00 — скорость переноса вещества мишени на подложку; тт — время конденсации при 20 термическом испарении, Подставляя данные, реальные для конденсации Со в наших условиях (l=2 см, Up=10 см/с, тк= 2мкс и t =10 с), получаем, что Рэфф" -1,3 10 Р. Таким образом, при Р=90 — 130 Па эффективный вакуум вблизи поверхности роста составляет 1,2 10 — 1,7 10 Па. Поскольку в лазерной плазме присутствуют высокоэнергетичные ионы и электроны (до 1000 эВ), то следующий импульс конденсации очищает поверхность роста от адсорбированного газа и приносит новую порцию металла, В этом случае рост пленки происходит в условиях подавления поверхностной миграции адатомов, что приводит к формированию аморфного конденсата (фиг. 1). Описанный механизм роста не исключает частичного "замуровывания" газа в растущей пленке, что также способствует ее аморфизации, Способ отличается от прототипа тем, что конденсация испаряемого вещества носит трехстадийный периодический характер; конденсация порции вещества (ст. 1), образование покрытия из сорбированного газа (ст. 2), распыление газового покрытия (ст, 3), конденсация новой порции вещества (ст. 1) и т.д. Таким образом, существенное отличие, обеспечивающее достижение положительного эффекта (получение и стабилизация аморфной фазы) в изобретении, закл1очается в том, что испарение и конденсация осуществляются в среде малоактивного по отношению к распыляемому металлу газа. Предварительно в испарительной камере создают высокий вакуум (давление 10 -5 Па), что исключает загрязнение рабочей газовой среды нежелательными примесями воздуха, Далее в испарительную камеру на1814665 55 пускают газ до давления Р=90 — 130 Па. Газ не должен образовывать химсоединения с распыляемым металлом. Выбор газовой среды определяется способностью металла к хемосорбции. Классификация металлов по их способности к хемосорбции приведена в таблице, Согласно таблице при напылении Со для получения аморфной пленки такие газы, как О ; Ng, Н не подходят, так как возможно образование химсоединений. В этом случае необходимо использовать инертный газ. В данной работе использовалась атмосфера аргона для получения пленок Со, Fe u Cr. Склонность к образованию аморфных фаз зависит от многих факторов, в частности от наличия полиморфизма, от плотности упаковки кристаллической решетки металла и др, Известны аморфные фазы, Со, Fe, Сг, получаемые конденсацией (термическое испарение) металла на подложку, охлаждаемую до гелиевой температуры (4К). В данном случае Fe u Cr имеют ОЦК-решетку, менее плотную чем ГЦК, Со и Fe имеют полиморфные модификации ГЦК и ГПУ для кобальта и ОЦК и ГЦК для железа, Это облегчает получение аморфного состояния. Что же касается такого металла, как золото, то он обладает самой плотноупакованной ГЦК-решеткой и не имеет полиморфных модификаций, Данные об аморфном состоянии золота отсутствуют. Были проделаны эксперименты по получению аморфных конденсатов золота. Положительный эффект достигается при конденсации как в среде инертного газа, например аргона, так и в среде кислорода. Согласно таблице захват Ор за счет хемосорбции отсутствует, Экспериментально установленный диапазон давлений газа составляет 90 — 130 Па, Именно этот диапазон и указан в изобретении, так как он относится к металлу, аморфное состояние которого труднее всего достичь, Нижнее значение этого интервала соответствует ситуации, когда количество адсорбированного газа недостаточно для стабилизации аморфного состояния, Пленка растет поликристаллической, Отметим, что речь идет о физической адсорбции, т.е. без образования химсоединений, что характерно для химической адсорбции. Ограничение сверху диапазона используемых давлений связано со сложностью испарения и конденсации; в плотной газовой среде металл плохо распыляется и продукты лазерной эрозии не долетают до подложки, Структура пленок Аи показана на фиг. 1, где а — конденсация при P(Oz) 7 Па, пленка поликристаллическая; б — аморфная пленка, полученная при Р(0 ) 5 95 Па; в — та же пленка после термического отжига в вакууме становится кристаллической, В прототипе испарение металла ведется в высоком вакууме при высоком давлении, порядка 10 Па, Естественно, что положительный эффект (получение аморфных состояний) в этом случае достигнут не был. В прототипе указаны длительность импульса лазерного излучения г, равная 10 нс, и частота их следования и до 50 Гц, В изобретении приведен диапазон таких параметров по длительности 12 — 20 нс и по частоте 50 — 100 Гц. Выделенные диапазоны по t и в соответствуют самым благоприятным условиям конденсации порций распыляемого металла, адсорбции газа на растущей поверхности пленки, что подавляет поверхностную миграцию адатомов, и последующей очистки поверхности роста при поступлении очередной порции металла (параметры установлены экспериментально), В области 12 — 20 нс обеспечиваются оптимальные условия очистки поверхности роста от адсорбированного слоя газа; при t=12 нс имеет место неполная очистка, при т>20 нс возможно распыление самой пленки металла, Диапазон частот а =50-100 Гц обеспечивает достаточно высокую скорость роста пленки. Приа<50 Гц возможны загрязнения пленки нежелательными примесями, а при в> 100 Гц время паузы между импульсами недостаточно для образования сорбционного слоя. Конкретный пример реализации способа. Схема осаждения аморфных пленок приведена на фиг, 2, Излучение лазера 1 через сапфировое окно 2 вводят в испарительную камеру и линзой 3 фокусируют на испаряемой мишени 5. Пленку осаждают на подложке 4. Мишень 5 крепят на вращающемся столике, что позволяет осуществлять сканирование лазерного луча по поверхности. B данном примере использовано излучение YAG:Nd -лазера, работающего в режиме модулированной добротности с частотой следования импульсов ш=50 Гц. Плотность мощности излучения в плоскости мишени 9=1,7 .10 Вт/м . длина волны излучения 2,=1,06 мкм. В качестве мишени использовали пластину Аи, подложкой служила пластина KCI (можно использовать также Si, стекло, слюду и др,). Первоначально испарительную камеру откачивали до давления 10 Па, затем напускали кислород (можно 1814665 3 — быстрый неактивированный захват газа, обнаруживаемый при Т=300 К и Р=10 Па; -2 2 — медленный активированный захват при тех же условиях; 1 — заметный захват газа при 195 К, но отсутствует при T=380K; 0 — захват газа отсутствует, также Не) и распыление Аи проводили при давлении P(Oz)=95 Па. Исследования структуры пленок проводили методами электронографии с использованием анализа функций радиального распределения атомов. Показано, что пленка золота, полученная в данных условиях, является аморфной (фиг. 1б), Способ может быть реализован при использовании любого газа, который не реагирует с конденсирующимся веществом, Предлагаемый способ позволяет добиться снижения стоимости тонкопленочных изделий за счет экономии расхода хлада .нтов (например, жидкого гелия), так как данный способ позволяет получать аморфные пленки без принудительного охлаждения подложки, Метод конденсации улучшает качество тонких аморфных пленок и расширяет класс веществ, которые могут конденсироваться в аморфном состоянии при комнатной температуре. Способ позволяет также осуществлять легирование пленок. При этом легирующий материал 5 поступает из газовой фазы, а основной материал - из лазерной плазмы. Формула изобретения Способ получения аморфньк металли10 ческих пленок, включающий распыление мишени из наносимого металла импульсным лазерным излучением с плотностью мощности 10 "-10 Втlм и конденсацию продуктов распыления на подложку, о т л и15 ч а ю шийся тем, что распыление мишени осуществляют в атмосфере инертного по от ношению к наносимому металлу газа при давлении 90 — 130 Па, причем длительность импульсов лазерного излучения составляет 20 12 — 20 нс, а частота их следования 55 — 100 Гц. 1814665 г.1 Составитель А. Ба гмут Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор А,Козориз Редактор Л,Волкова Заказ 1841 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101
