Осаждение тонких пленок из абляционной плазмы, генерируемой на мишени при воздействии мощного ионного пучка тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ



ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЗАКУТАЕВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ОСАЖДЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ИЗ АБЛЯЦИОННОЙ ПЛАЗМЫ, ГЕНЕРИРУЕМОЙ НА МИШЕНИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МОЩНОГО ИОННОГО ПУЧКА

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и

ускорительная техника 01.04.07 - физика твердого тела

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Ремнев Г.Е.

Научные консультанты:

кандидат физико-математических наук,

доцент Иванов Ю.Ф.

кандидат физико-математических наук,

с.н.с. Рыжков В.А.

Томск-!998

Содержание

Введение............................................................................................................4

Глава 1. Обзор методов получения тонких пленок........................................7

1.1. Применение тонких пленок в современной технике...............................7

1.2. Методы нанесения тонких пленок............................................................9

1.3. Импульсные методы осаждения тонких пленок....................................16

1.4. Особенности роста пленок в условиях непрерывной и импульсной конденсации....................................................................................................26

1.5. Выводы.....................................................................................................32

Глава 2. Методика экспериментальных исследований................................35

2.1. Сильноточный ионный ускоритель «Темп»...........................................35

2.2. Схема процесса осаждения нанесения тонких пленок..........................42

2.3. Методы исследования тонких пленок....................................................44

Глава 3. Процесс абляции мишеней мощным ионным пучком. Энергетические и пространственные характеристики абляционной плазмы.............................................................................................................51

3.1. Поглощение энергии мощного ионного пучка материалом мишени. Пороговая плотность мощности....................................................................51

3.2. Энергетические и пространственные характеристики абляционной плазмы.............................................................................................................60

3.3. Пространственное распределение микрокапельной фракции...............66

3.4. Сохранение стехиометрического состава пленок при абляции композиционных мишеней............................................................................71

3.5. Выводы.....................................................................................................76

Глава 4. Осаждение пленок металлов...........................................................77

4.1. Структура и фазовый состав пленок.......................................................77

4.2. Микродефекты структуры пленок..........................................................84

4.3. Влияние кристаллического состояния мишени на структуру

осаждаемой пленки........................................................................................91

4.4. Примесной состав пленок.....................................................................103

4.5. Удельная плотность пленок..................................................................111

4.6. Выводы...................................................................................................115

Глава 5. Алмазоподобные углеродные пленки и пленки нитрида бора.... 116

5.1. Выбор параметров осаждения пленок алмазоподобного углерода. ... 116

5.2. Структура и фазовый состав пленок углерода и нитрида бора...........123

5.3. Образование новых фаз в графите и нитриде бора при облучении МИП..............................................................................................................129

5.4. Свойства алмазоподобных углеродных пленок...................................134

5.5. Выводы...................................................................................................146

Заключение...................................................................................................148

Литература....................................................................................................151

Введение.

Актуальность работы. Успехи в создании источников мощных ион-

6 12 2

ных пучков (МИП) с плотностью потока энергии Ps = 10 - 10 Вт/см открыли широкие возможности для изучения новых физических явлений, происходящих при взаимодействии таких пучков с конденсированными средами, и решения многих задач, имеющих большое научно-техническое значение. В связи с возрастающим интересом к использованию тонких пленок и покрытий в науке и технике научный и практический интерес представляют исследования, связанные с изучением процесса осаждения тонких пленок из абляционной плазмы, генерируемой при взаимодействии

п о

МИП (Ps > 10 Вт/см ) с поверхностью твердого тела.

Существующие методы вакуумного осаждения тонких пленок имеют ряд проблем, связанных с низким коэффициентом использования материала мишени, широкой диаграммой направленности потока осаждаемого материала, несохранением стехиометрического состава при получении композиционных пленок, низкой скоростью осаждения. Многие из этих проблем могут быть решены при помощи предложенного метода осаждения с помощью импульсного МИП. Особенностью данного метода осаждения является использование плотной

см ) абляционной плазмы, имеющей температуру ~ 0,2-2 эВ, узкую направленность и высокую скорость (~10б см/с) распространения, что позволяет реализовать высокоскоростное 0,01-10 см/с) осаждение с дозированной подачей осаждаемого материала. Метод позволяет при использовании широкоапертурных МИП получать покрытия на значительных площадях (>100 см ).

Работы, проводимые в НИИ ядерной физики по использованию МИП для осаждения пленок, явившиеся основой диссертации, начались практически одновременно с работами в других научных центрах: Нагаок-ском технологическом университете (Япония), Лос-Аламосской национальной лаборатории США, Научно-исследовательской лаборатории военно-морского флота США, а на отдельных этапах проводились совместные сравнительные исследования с Лос-Аламосской национальной лабораторией.

Данная работа выполнялась по плану госбюджетных и хоздоговорных работ НИИ ядерной физики: «Создание опытно-промышленного образца источника мощных пучков и его практическое использование» (1993-95 гг., Гос. Per. № 0194.0 007268), «Разработка и исследование им-пульсно-пучковых технологий на основе сильноточных ускорителей» (1996-2000 гг., Гос. Per. № 0197.0 004069), «Обработка материалов мощными ионными пучками» (Соглашение № 1631Q0014-35 между Лос-Аламосской национальной лабораторией и НИИ ЯФ, 1994-95 гг.), по гран-

ту МинВуза «Исследование плазменно-пучкового факела при взаимодействии МИП с мишенью» (1994 г., Гос. Per. № 0194.0 009904).

Целью настоящей работы является исследование возможности использования МИП наносекундной длительности с плотностью мощности 40л

150 МВт/см для осаждения тонких пленок металлов, алмазоподобного углерода, нитрида бора, многокомпонентных пленок.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Впервые показано, что МИП наносекундного диапазона с плотно-

л

стью мощности 40-150 МВт/см может использоваться для осаждения на-нокристаллических пленок металлов (W, Та, Mo, Nb, Си) с удельной плотностью сравнимой с плотностью объемных материалов (95-100%).

Впервые показано, что МИП может использоваться для осаждения алмазоподобных углеродных пленок с удельной плотностью 2,1-2,9 г/см3.

Показана возможность осаждения многокомпонентных стехиометри-ческих пленок Y-Ba2-Cu3-07_x, А1203 из абляционной плазмы, генерируемой МИП.

Высокая импульсная скорость осаждения пленок порядка 1 мм/с, достигаемая с помощью МИП, позволяет уменьшить содержание газообразующих примесей (С, N, О) в пленке, даже если осаждение ведется в техническом вакууме (р ~ 10~4—10"5 Topp). При абляции высокочистых мишеней (99,99%) показана возможность получения пленок благородных металлов (Au и др.) несодержащих газовых примесей (Сг < 0,1 ат. %).

Показано, что угловое распределение потока абляционной плазмы с мишени при воздействии МИП наносекундного диапазона с плотностью

о

мощности 90-105 МВт/см является остронаправленным и описывается функцией ~ exp (-n I 0|) с 3<п<4,3 (6 - угол относительно нормали к мишени) для Au, Nb, Pb и ZnS.

Практическая значимость работы определяется тем, что ее результаты могут быть использованы при получении тонких плотных пленок и покрытий металлов (W, Та, Mo, Nb, Си и др.) с нанокристаллической структурой, высокочистых пленок благородных металлов (Au, Pt и др.), композиционных пленок, алмазоподобных углеродных пленок.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Пленки металлов W, Та, Mo, Nb, и Си, получаемые путем абляции мишеней мощным ионным пучком (МИП) наносекундного диапазона с плотностью мощности 40-150 МВт/см , обладают нанокристаллической структурой с размерами кристаллитов, изменяющимися в пределах от единиц до десятков нанометров. Осаждаемые пленки являются макросплош-ными объектами и имеют зеркально-гладкую поверхность независимо от аблируемого металла.

2. Высокая импульсная скорость осаждения пленок порядка 1 мм/с, достигаемая с помощью МИП, позволяет получать пленки с удельной плотностью, близкой к плотности объемного материала, и с низким содержанием газообразующих примесей в пленке, даже если осаждение происходит в техническом вакууме (р ~ 10"4- 10"5 мм рт. ст).

3. С помощью МИП могут быть получены нанокристаллические алмаз и алмазоподобные кубические модификации графита в пленке из углерода; плотность углеродных пленок может достигать 2,1 ч- 2,9 г/см3 (при исходной плотности графитовой мишени 1,67 г/см ).

4. Осаждение пленок из абляционной плазмы, генерируемой МИП, приводит к сохранению стехиометрического соотношения многокомпонентных мишеней У-Ваг-Сиз-С^, AI2O3 в пленках при массопереносе на подложку.

5. Угловое распределение потока абляционной плазмы с мишени при воздействии МИП наносекундного диапазона с плотностью мощности 90105 МВт/см2 имеет узкую направленность (по нормали к поверхности мишени) и может описываться функцией ~ exp (-n I 01 ) с 3<п<4,3 (0 - угол относительно нормали к мишени) для Au, Nb, Pb и ZnS.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 8, 9, 10, 11 Международных конференциях по мощным пучкам заряженных частиц (Beams '90, Новосибирск; Beams '92, Washington, DC, USA; Beams '94, San Diego, CA, USA; Beams '96, Прага, Чехия); на Зеи Международной конференции по применениям алмазных пленок и родственных материалов (Applied Diamond Conference 1995, Gaithersburg, MD, USA); на IV Всероссийской конференции по модификации свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц (Томск, 1996); MRS Spring Meeting (San Francisco, CA, USA, 1995); MRS Fall Meeting (Boston, MA, USA, 1995); на Международном симпозиуме по исследованию и применениям плазмы (PLASMA '97, Opole, Poland); на Международной конференции по радиационно-термическим эффектам и процессам в неорганических материалах (Томск, 1998); на Международной конференции по металлургическим покрытиям и тонким пленкам (ICMCTP '98, San Diego, CA, USA).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ. На способ нанесения тонких пленок мощным ионным пучком получено авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 162 страницах машинописного текста, иллюстрируется 65 рисунками и 20 таблицами, и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 147 наименований.

Глава 1. Обзор методов получения тонких пленок.

1.1. Применение тонких пленок в современной технике

Тонкие пленки играют очень важную роль в современной технике. За последнее время круг применения тонкопленочных технологий значительно расширился. Практически все отрасли промышленного производства используют нанесение тонких пленок, которые придают конструкционным материалам необходимые технологические и эксплуатационные свойства. Особенно успешно тонкие пленки применяются в быстроразвиваю-щейся технологии интегральных схем. Основной тенденцией развития современной технологии интегральных схем является уменьшение размеров приборов и увеличение уровня интеграции схем. За последние 25 лет в твердотельной электронике произошел полный переход к планарной технологии, позволяющей разместить элементы с высокой плотностью компоновки на кристалле. Эта технология включает нанесение тонких пленок распылением или испарением в вакууме, создание рисунков методами оптической, рентгеновской и электронно-лучевой литографии, совершенствование известных и разработку новых материалов и способов их нанесения. Непрерывный рост объема производства приборов микроэлектроники с одновременным увеличением степени интеграции можно обеспечить разработкой и освоением высокопроизводительных, экологически чистых и экономичных методов нанесения слоев металлов, полупроводников и диэлектриков, отличающихся однородностью свойств и высоким качеством. С возрастанием требований этой отрасли промышленности приходится отказываться от ряда традиционных технологических операций, связанных с применением светового облучения, диффузионных и некоторых других процессов и переходить к качественно новым, в основе которых лежит взаимодействие излучений и потоков заряженных частиц с поверхностью кристалла. К таким процессам относятся рентгеновская, электронная и ионная литография, ионная имплантация, лазерный отжиг и некоторые другие.

Уже давно покрытия из различных металлов применяются в промышленности для снижения трения и износа деталей, защиты режущего инструмента, скользящих и катящихся контактов, как декоративные защитные покрытия и т.п. Развитие микроэлектроники в направлении создания надежных быстродействующих СБИС требует также разработки технологии межсоединений и многоуровневых систем металлизации. Новые

поколения запоминающих устройств имеют 2-Зх уровневую металлизацию на основе тугоплавких металлов (\У, Л, Мо), а также их силицидов и по-лицидов, которые позволяют, по сравнению с поликремнием, на порядок уменьшить время задержки и переключения в адресных и управляющих шинах схем (с 7000 до 448 пс/мм), а также поверхностное сопротивление низкоомных контактов и межсоединений (с 40 до 2 Ом/кв.). Ведутся работы по созданию четырех - пятиуровневой металлизации на основе тугоплавких металлов [1].

В настоящее время известны различные элементы и приборы криогенной микроэлектроники, принцип которых основан на явлении сверхпроводимости: болометры, линии задержки, структуры со слабыми связями, сверхпроводящие квантовые интерферометры. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости в керамических материалах позволяет значительно упростить проблемы криогенной сверхпроводниковой электроники. Сверхпроводящие пленки в микроэлектронике - это различные сверхчувствительные датчики, прецизионные измерительные приборы, элементная база ЭВМ новых поколений. В технологии микроэлектроники будет расти использование высокотемпературных пленочных сверхпроводников в качестве разводки и межсоединений СБИС. Данные свидетельствуют о практической пригодности тонких пленок УВаСиО для создания ряда устройств криогенной микроэлектроники. Исследования показали возможность применения пленок УВаСиО в качестве приемников оптического излучения в диапазоне от видимой до дальней ИК области. Из приборов на слабосвязанных сверхпроводниках наибольший интерес вызывают квантовые интерферометры - сквиды, работающие при температуре жидкого азота [2,3].

В последнее время бурно развиваются исследования и разработки по алмазоподобным углеродным покрытиям. Алмазоподобный углерод привлекателен для множества применений. Они включают просветляющие оптические покрытия, упрочняющие покрытия для режущего инструмента, антифрикционные пленки для аэрокосмических приложений. Эти аморфные пленки могут применяться в качестве активного материала для плоских электролюминесцентных дисплеев, благодаря большой оптической ширине запрещенной зоны. Алмазоподобный углерод является также эффективным автоэлектронным эмиттером, благодаря его термостойкости и низкой работе выхода, делая его кандидатом для автоэмиссионных дисплеев [4, 5].

Кубический нитрид бора, подобно алмазу, является отличным материалом в качестве защитных покрытий для режущего инструмента, благо-

даря своей прочности и хорошей теплопроводности. Пленки нитрида бора находят применение в технике преимущественно как просветляющие и защитные покрытия. Кроме того, последние исследования в области микроэлектроники свидетельствуют о возможности их применения в МДП-структурах в качестве диэлектрических слоев [6].

1.2. Методы нанесения тонких пленок.

Физические методы нанесения тонких пленок (также называемые вакуумными методами) основаны на образовании потока атомных частиц (отдельных атомов, молекул или ионов) из напыляемых материалов, и последующей их конденсации на поверхности подложки [7]. По существу, нанесение пленок на подложку представляет собой процесс фазового превращения, включающий в себя образование зародышей и рост в условиях, определяемых подложкой [8]. Управляя зародышеобразованием и ростом на подложке, можно получить любую тонкую пленку с заданными свойствами. Важнейшими параметрами при нанесении пленок являются: уровень вакуума, скорость осаждения, температура подложки и ее структура. Выбор этих параметров имеет решающее значение при осаждении пленок. Но наиболее существенное значение имеет способ получения потока осаждаемого вещества, например, с помощью ионно-лучевого распы