eng
Выпуск #7/2016
Л.Колесник, С.Маринич, А.Селезнев
Технология кластерного осаждения меди с ассистированием струей инертного газа
Технология кластерного осаждения меди с ассистированием струей инертного газа
Просмотры: 2709
Методом пароструйного осаждения с использованием специально разработанного источника материала получены медные покрытия, имеющие кластерную структуру.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.69.7.86.93
DOI:10.22184/1993-8578.2016.69.7.86.93
Кластером называют систему связанных между собой атомов или молекул какого-либо вещества. Физические и химические свойства кластеров отличаются от свойств вещества в конденсированном состоянии, что позволяет открывать новые технологические возможности для применения известных материалов. Кластер содержит от 10 до 10 тыс. связанных молекул. При числе молекул меньше четырех обычно речь идет о мономерах, димерах и тримерах. При количестве молекул более 10 тыс. происходит переход к микроскопической области, и уже можно говорить об объемных объектах и конденсированном состоянии вещества.
Кластеры разных материалов могут быть использованы для формирования различных наноструктур, а также в качестве точек роста, например, нанотрубок или элементов автоэмиссионных приборов. При кластерном нанесении сплошных покрытий, за счет большого размера частиц (в сравнении с молекулами), возможно получение существенно большей скорости роста пленок, чем при традиционной конденсации из отдельных атомов.
Кластеры могут быть получены различными методами, например конденсационно-диспергационными. К последним относится ионно-кластерное осаждение пленок, при котором вещество вначале переводится в парообразное состояние (например, термическим испарением или ионным распылением), а потом в специальных соплах атомы пара конденсируются в кластеры [2]. Распространенной реализацией такого способа является пароструйное осаждение, называемое в англоязычной литературе Jet Vapor Deposition – метод, использующий высокоскоростную струю инертного газа для доставки компонентов пленки к подложке. По своей сути он является разновидностью термического испарения с ассистированием струей рабочего газа.
Метод пароструйного осаждения первоначально был разработан американской фирмой Jet Process Corporation и, по литературным данным, в настоящее время доведен до коммерческого применения. По данным компании-разработчика пароструйное осаждение используется для различных материалов при получении тонко- и толстопленочных покрытий. Он показывает хорошие результаты при нанесении многокомпонентных материалов, отличается высокой скоростью и экономичностью [3].
ОПИСАНИЕ МЕТОДА
Типичный источник материала имеет в качестве выходного отверстия сопло диаметром около 1 см. Гелий, аргон или азот подаются в источник и выходят из него через сопло в виде направленной струи. Обычно давление в источнике составляет несколько торр, а ниже по течению струи – около 1 торр или более, но при различных применениях оба значения давления могут быть как выше, так и ниже. Когда соотношение давлений выше двух, скорость струи достигает скорости звука (при 298 К для гелия скорость струи составит около 105 см/с). На рис.2 показана обобщенная схема метода [4].
Источник пара находится выше по потоку от выхода сопла – в области, в которой газ-носитель ускоряется до скорости звука. На плоской подложке, расположенной перпендикулярно струе, быстро осаждается пленка, площадь и форма которой зависит от сечения сопла. Распределение материала в зоне осаждения подчиняется закону Гаусса.
Рабочий газ, унося с собой частицы испаренного материала, после истечения в камеру нанесения, где давление меньше, чем в источнике, расширяется, что приводит к снижению температуры и конденсации молекул материала в кластеры.
При реализации метода одной из основных задач является оптимизация потока подаваемого в источник газа, так как от этого зависит перепад давлений в системе источник-камера, и, следовательно, длина струи, движущейся со сверхзвуковой скоростью. Известна зависимость для определения расстояния, на котором струя газа, выходящего в область пониженного давления, еще сохраняет сверхзвуковую скорость:
form01_1.ai, [5]
где L – длина струи (мм); d – диаметр сопла (мм);
Ри – давление в источнике (мбар); Рк – давление
в камере (мбар).
Был проведен ряд экспериментов для определения зависимости перепада давлений от потока газа, подаваемого в источник. Камера нанесения откачивалась с помощью вакуумного насоса Рутса производительностью 310 м3/час. Эксперименты проводились для сопла диаметром 12 мм. Зависимость длины струи от подаваемого потока газа приведена на рис.3.
После достижения некоторого критического значения подачи газа давление в источнике начинает расти быстрее давления в камере. Очевидно, это связано с пропускной способностью сопла.
При выбранной системе откачки для сопла диаметром 12 мм при значении подачи газа более 600 ст.см3/мин (sccm) начинается рост перепада давлений. Однако получение сверхзвуковой струи возможно и в диапазоне от 60 до 100 sccm.
Для реализации метода был разработан источник материала, схема которого представлена на рис.4. Особенность системы – использование проволочного материала диаметром 0,3 мм и кольцевого распределителя газа, имеющего отверстия различного диаметра, чтобы обеспечить равномерную подачу газа вокруг всей зоны испарения материала.
Для полученных значений подачи газа с использованием разработанного источника материала было проведено пробное нанесение пленки меди на неподвижную подложку. Полученное покрытие имеет форму круглого пятна диаметром около 15 мм (рис.5).
Очевидно, что для формирования сплошного покрытия на всей поверхности подложки необходимо обеспечить ее перемещение относительно источника. Для этого была реализована трехкоординатная система закрепления подложек. Столик, где размещается подложка, может перемещаться по координатам X и Y, а также позволяет регулировать расстояние между соплом и подложкой по координате Z.
Были проведены эксперименты по нанесению покрытий для следующих условий:
мощность испарителя – 220 Вт;
подача газа – 900 sccm;
подача материала (медная проволока диаметром 0,3 мм) – 3 см/мин;
расстояние сопло-подложка – 10 мм;
шаг сканирования по координате X – 10 мм.
Полученные образцы покрытия имеют ярко выраженные светлые полосы меди, которые были сформированы в позициях напротив сопла источника. Фотография типового образца покрытия и АСМ-изображение светлой полосы меди представлены на рис.6.
Анализ изображения показывает, что увеличение толщины покрытия напротив сопла по отношению к остальной поверхности подложки составляет от 1,0 до 2,0 мкм. Причем такая разница в толщине достигается за счет наличия ярко выраженных кластеров меди. Появление кластеров стабильно на всей траектории сопла при указанных режимах. Снижение мощности нагревателя или подачи газа приводит к появлению пропусков в линии кластеров.
ВЫВОДЫ
Метод пароструйного осаждения является комбинацией классического осаждения покрытий в вакууме с применением высокоэнергетической струи ионизированного газа, которая доставляет материал в направлении подложки. Метод может быть использован для реализации кластерного осаждения легкоплавких металлов, в том числе сплавов и припоев.
ЛИТЕРАТУРА
Карпенко А.Ю., Батурин В.А. Источники кластерного пучка. Ч. 1. Методы получения кластерных пучков // Журнал нано- и электронной физики. – Сумской государственный университет. 2012. Т. 4. № 3.
Киреев В.Ю. Введение в технологии микроэлектроники и нанотехнологии. – М.: ФГУП "ЦНИИХМ", 2008. 432 с.
http://www.jetprocess.com (дата обращения 20.10.2016)
Handbook of deposition technologies for films and coatings: science, applications and technology / ed. by P.M.Martin. – 3rd ed. – Burlington; Oxford: William Andrew / Elsevier, 2010. XVIII. 912 p.: ill. – Bibliogr. at the end of the chapters. – Ind.: p.902-912.
Ashkenas H., Sherman F.S. 4th International Symposium of Rarefield Gas Dynamics, 85 / Ed J.H. de Leeuw. – New York: Academic Press 1965.
Кластеры разных материалов могут быть использованы для формирования различных наноструктур, а также в качестве точек роста, например, нанотрубок или элементов автоэмиссионных приборов. При кластерном нанесении сплошных покрытий, за счет большого размера частиц (в сравнении с молекулами), возможно получение существенно большей скорости роста пленок, чем при традиционной конденсации из отдельных атомов.
Кластеры могут быть получены различными методами, например конденсационно-диспергационными. К последним относится ионно-кластерное осаждение пленок, при котором вещество вначале переводится в парообразное состояние (например, термическим испарением или ионным распылением), а потом в специальных соплах атомы пара конденсируются в кластеры [2]. Распространенной реализацией такого способа является пароструйное осаждение, называемое в англоязычной литературе Jet Vapor Deposition – метод, использующий высокоскоростную струю инертного газа для доставки компонентов пленки к подложке. По своей сути он является разновидностью термического испарения с ассистированием струей рабочего газа.
Метод пароструйного осаждения первоначально был разработан американской фирмой Jet Process Corporation и, по литературным данным, в настоящее время доведен до коммерческого применения. По данным компании-разработчика пароструйное осаждение используется для различных материалов при получении тонко- и толстопленочных покрытий. Он показывает хорошие результаты при нанесении многокомпонентных материалов, отличается высокой скоростью и экономичностью [3].
ОПИСАНИЕ МЕТОДА
Типичный источник материала имеет в качестве выходного отверстия сопло диаметром около 1 см. Гелий, аргон или азот подаются в источник и выходят из него через сопло в виде направленной струи. Обычно давление в источнике составляет несколько торр, а ниже по течению струи – около 1 торр или более, но при различных применениях оба значения давления могут быть как выше, так и ниже. Когда соотношение давлений выше двух, скорость струи достигает скорости звука (при 298 К для гелия скорость струи составит около 105 см/с). На рис.2 показана обобщенная схема метода [4].
Источник пара находится выше по потоку от выхода сопла – в области, в которой газ-носитель ускоряется до скорости звука. На плоской подложке, расположенной перпендикулярно струе, быстро осаждается пленка, площадь и форма которой зависит от сечения сопла. Распределение материала в зоне осаждения подчиняется закону Гаусса.
Рабочий газ, унося с собой частицы испаренного материала, после истечения в камеру нанесения, где давление меньше, чем в источнике, расширяется, что приводит к снижению температуры и конденсации молекул материала в кластеры.
При реализации метода одной из основных задач является оптимизация потока подаваемого в источник газа, так как от этого зависит перепад давлений в системе источник-камера, и, следовательно, длина струи, движущейся со сверхзвуковой скоростью. Известна зависимость для определения расстояния, на котором струя газа, выходящего в область пониженного давления, еще сохраняет сверхзвуковую скорость:
form01_1.ai, [5]
где L – длина струи (мм); d – диаметр сопла (мм);
Ри – давление в источнике (мбар); Рк – давление
в камере (мбар).
Был проведен ряд экспериментов для определения зависимости перепада давлений от потока газа, подаваемого в источник. Камера нанесения откачивалась с помощью вакуумного насоса Рутса производительностью 310 м3/час. Эксперименты проводились для сопла диаметром 12 мм. Зависимость длины струи от подаваемого потока газа приведена на рис.3.
После достижения некоторого критического значения подачи газа давление в источнике начинает расти быстрее давления в камере. Очевидно, это связано с пропускной способностью сопла.
При выбранной системе откачки для сопла диаметром 12 мм при значении подачи газа более 600 ст.см3/мин (sccm) начинается рост перепада давлений. Однако получение сверхзвуковой струи возможно и в диапазоне от 60 до 100 sccm.
Для реализации метода был разработан источник материала, схема которого представлена на рис.4. Особенность системы – использование проволочного материала диаметром 0,3 мм и кольцевого распределителя газа, имеющего отверстия различного диаметра, чтобы обеспечить равномерную подачу газа вокруг всей зоны испарения материала.
Для полученных значений подачи газа с использованием разработанного источника материала было проведено пробное нанесение пленки меди на неподвижную подложку. Полученное покрытие имеет форму круглого пятна диаметром около 15 мм (рис.5).
Очевидно, что для формирования сплошного покрытия на всей поверхности подложки необходимо обеспечить ее перемещение относительно источника. Для этого была реализована трехкоординатная система закрепления подложек. Столик, где размещается подложка, может перемещаться по координатам X и Y, а также позволяет регулировать расстояние между соплом и подложкой по координате Z.
Были проведены эксперименты по нанесению покрытий для следующих условий:
мощность испарителя – 220 Вт;
подача газа – 900 sccm;
подача материала (медная проволока диаметром 0,3 мм) – 3 см/мин;
расстояние сопло-подложка – 10 мм;
шаг сканирования по координате X – 10 мм.
Полученные образцы покрытия имеют ярко выраженные светлые полосы меди, которые были сформированы в позициях напротив сопла источника. Фотография типового образца покрытия и АСМ-изображение светлой полосы меди представлены на рис.6.
Анализ изображения показывает, что увеличение толщины покрытия напротив сопла по отношению к остальной поверхности подложки составляет от 1,0 до 2,0 мкм. Причем такая разница в толщине достигается за счет наличия ярко выраженных кластеров меди. Появление кластеров стабильно на всей траектории сопла при указанных режимах. Снижение мощности нагревателя или подачи газа приводит к появлению пропусков в линии кластеров.
ВЫВОДЫ
Метод пароструйного осаждения является комбинацией классического осаждения покрытий в вакууме с применением высокоэнергетической струи ионизированного газа, которая доставляет материал в направлении подложки. Метод может быть использован для реализации кластерного осаждения легкоплавких металлов, в том числе сплавов и припоев.
ЛИТЕРАТУРА
Карпенко А.Ю., Батурин В.А. Источники кластерного пучка. Ч. 1. Методы получения кластерных пучков // Журнал нано- и электронной физики. – Сумской государственный университет. 2012. Т. 4. № 3.
Киреев В.Ю. Введение в технологии микроэлектроники и нанотехнологии. – М.: ФГУП "ЦНИИХМ", 2008. 432 с.
http://www.jetprocess.com (дата обращения 20.10.2016)
Handbook of deposition technologies for films and coatings: science, applications and technology / ed. by P.M.Martin. – 3rd ed. – Burlington; Oxford: William Andrew / Elsevier, 2010. XVIII. 912 p.: ill. – Bibliogr. at the end of the chapters. – Ind.: p.902-912.
Ashkenas H., Sherman F.S. 4th International Symposium of Rarefield Gas Dynamics, 85 / Ed J.H. de Leeuw. – New York: Academic Press 1965.
Отзывы читателей
