Способ получения аморфных металлических пленок

СОЮЗ О ВЕТСКИХ СОЦИА ИС ИЕСКИ РЕСПУЕ,ИК 4 б А Ы 28(51)5 С 23Й"Ойдо 1 ЕНИ титут овленых и Сущфных счет ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АМОРФНЫХМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК(57) Использование: технология изготния пленочных элементов в электроноптических приборах на твердом теле,ность изобретения: получение амарметаллических пленок достигается за 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 пр конденсации в вакууме веществ с низкими 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 и адатомов и образованию островков кристаллической фазы, Перед осаждением новои порции вещества следующим импульсом излучения ОКГ сорбированный слой Ус-раня- ется посредством его расо лен "я выс=коэнергетичными электронами :,о эми лазерной плазмы. Процесс пов.эрчется периодически до достижения пленкой заданной толщины б, Импульсное испарение вещества осуществляется в атмосфере инертного газа. Давление газа Р и частота следования импульсов в подбираются такими, чтобы за время паузы между импульсами на подложке адсорбировался газ, толщина которого на порядок выше толщины слоя вещества, испаренного за один импульс. В то же время толщина слоя вещества б 1, 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 910 Вт/м и частоте следованиягимпульсов в = 50 - 100 сИспользуя предложенный метод конденсации удалось получить аморфные пленки золота, кобальта (толщиной б- 40 нм), хрома и железа на подложках при комнатной температуре. Способ может быть реализован на установке типа мвакуумный 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 д лазерного излучения в плоскости испаряемой мишени должна быть достаточной для формирования факела лазерной плазмы, содержащей высокоэнергетические частицы с энеогией1 т 16 0,1 - 7 кзВ, что достигается при 9=10 - 10 Вт/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 Ро -10 Па, после чего напускается инертный газ до давления Р=90 - 130 Па, Мишень распыляется в газовой срере импульсами ОКГ при 9=10 - 10 Вт/м с частотой их следования сс=50 - 100 Гц и длительностью импульсов г=12 - 20 нс. При работе ОКГ в режиме наносекундных импульсов длительность импульса конденсации можно оценить по формулет, -бп 1 1амин ЕмаксГде п 1, Емин и емакс - соответственно масса атома, расстояние мишень-подложка, минимальная и максимальная энергия частиц лазерной плазмы, Максимумам энергетического спектра лазерной эрозионной плазмы соответствуют значения еиинФО эВ (нейтральные частицы) и ямаксМ 00 эВ (ионы). Тогда щя Со расчет по формуле (1) дает (а=5,3 10 кг, =2 см) значение сМ мкс (т.е, ь-6ф В течение времени ьй 2 мкс эффективное давление газа Рифф, вблизи подложки значительно ниже, Его можно оценить по форму- ле 510 15 где Оо - скорость переноса вещества мишени на подложку; 1 т - время конденсации при20 термическом испарении, Подставляя данные, реальные для конденсации Со в нашихусловиях (=2 см, ОО=-10 см/с, тк= 2 мкс и5ь=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 влазерной плазме присутствуют высокоэнергетичные ионы и электроны (до 1000 эВ), тоследующий импульс конденсации очищаетповерхность роста от адсорбированного газа и приносит новую порцию металла, Вэтом случае рост пленки происходит в условиях подавления поверхностной миграцииадатомов, что приводит к формированиюаморфного конденсата (фиг, 1).Описанный механизм роста не исключает частичного "замуровывания" газа в растущей пленке, что также способствует ееаморфизации,Способ отличается от прототипа тем,что конденсация испаряемого вещества носит трехстадийный периодический характер; конденсация порции вещества (ст. 1),образование покрытия из сорбированногогаза (ст. 2), распыление газового покрытия(ст, 3), конденсация новой порции вещества(ст, 1) и т.д. Таким образом, существенноеотличие, обеспечивающее достижение положительного эффекта (получение и стабилизация аморфной фазы) в изобретении,заключается в том, что испарение и конденсация осуществляются в среде малоактивного по отношению к распыляемомуметаллу газа.Предварительно в испарительной камере создают высокий вакуум (давление 10-5Па), что исключает загрязнение рабочей газовой среды нежелательными примесямивоздуха, Далее в испарительную камеру напускают 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 02; Й 2, Нг не подходят, так как возможно образование химсоединений. В этом случае необходимо использовать инертный газ. В данной работе использовалась атмосфера аргона для получения пленок Со, Ре и Сг. 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, Ге, Сг, получаемые конденсацией (термическое испарение) металла на подложку, охлаждаемую до гелиевой температуры (4 К), В данном случае Ге и Сг имеют ОЦК-решетку, менее плотную чем ГЦК, Со и Ее 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 02 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 поли- кристаллической, 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 Р(02) -7 Па, пленка поликристаллическая; б - аморфная пленка, полученная при Р(02) -5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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. В данном примере использовано излучение УАО:Г 4 с 3 -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 1=1,06 мкм. В качестве мишени использовали пластину Ац, подложкой служила пластина КС (можно использовать также Я, стекло, слюду и др,), Первоначально испарительную камеру откачивали до давления 10 Па, затем напускали кислород (можно- 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 т 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 =12 нс имеет место неполная очистка, при г 20 нс возможно распыление самой пленки металла, Диапазон частот а =50-100 Гц обеспечивает достаточно высокую скорость роста пленки, При а 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, 2,1814665 также Не) и распыление Ац проводили при давлении Р(02)=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, 1 б),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 ват газа, обнаруживаемый при Т=ЗОхват при тех же условиях;, но отсутствует при Т=380 К; 0 Па; 2- быстрыи неактивированныи- медленный активированный- заметный захват газа при 19- захват газа отсутствует,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. ф о р мул а и зоб ретен и я Способ получения аморфньа металли ческих пленок, включающий распылениемишени из наносимого металла импульсным лазерным излучением с плотностью мощности 10-10 Вт/м и конденсацию продуктов распыления на подложку, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что распыление мишениосуществляют в атмосфере инертного по отношению 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.оставитель А. Багмутхред М.Моргентал Л,Волкова Те Корректор А,Козори Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина 1841 Тираж Подписное ИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5