Способ получения аморфных металлических пленок Советский патент 1993 года по МПК C23C14/28 

ел

С

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 ада- томов 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 высокоэнергети- чными 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.

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 созда- нии пассивных элементов, а также диффузионных барьеров в гетерострукту- рах. 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 гела.

Целью изобретения является стабилизация аморфного состояния в пленках при конденсации в вакууме веществ с низкими

значениям Так и расширение класса используемых материалов.

Цель достигается тем, что по способу получения пленок путем импульсного лазерного 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 миграц- -и ада- томов и образованию островков кристаллической фазы. Перед осаждением новой порции вещества следующим импульсом излучения ОКГ сорбированный слой устраняется посредством его распыления высокоэнергетичными электронами ионз- ми лазерной плазмы. Процесс повторяется периодически до достижения пленкой за00

Ј о о ел

OJ

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 021 №, H2 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 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, Fe, Cr, получаемые конденсацией (термическое испарение) металла на подложку, охлаждаемую до гелиевой температуры (4К). В данном случае Fe и Сг 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 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- кристйллической. 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) -

- 95 Па; в - та же пленка после термического отжига в вакууме становится кристаллической.

В прототипе испарение металла ведет- ся 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 т, равная 10нс, и частота их следования со до 50 Гц. В изобретении приведен диапазон таких параметров по длительности 12-20 не и по

частоте 50-100 Гц. Выделенные диапазоны по г и а) 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 7 12-20 не обеспечиваются

оптимальные условия очистки поверхности роста от адсорбированного слоя газа; при не имеет место неполная очистка, при не возможно распыление самой пленки металла. Диапазон частот ш 50-100 Гц

обеспечивает достаточно высокую скорость роста пленки. ПрийКбО Гц возможны загрязнения пленки нежелательными примесями, а прий 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. Ми- шень 5 крепят на вращающемся столике, что позволяет осуществлять сканирование лазерного луча по поверхности. В данном примере использовано излучение YAG:Nd+++ a3epa, работающего в режиме модулированной добротности с частотой следования импульсов Гц. Плотность мощности излучения в плоскости мишени ,7 -1014 Вт/м2. длина волны излучения ,06 мкм. В качестве мишени использова- ли 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

также Не) и распыление Аи 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. 16).

Способ может быть реализован при использовании любого газа, который не реаги- рует с конденсирующимся веществом.

Предлагаемый способ позволяет добиться снижения стоимости тонкопленочных изделий за счет экономии расхода хладагентов (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

3 - быстрый неактивированный захват газа, обнаруживаемый при К и Па; 2 - медленный активированный захват при тех же условиях; 1 - заметный захват газа при 195 К, но отсутствует при Т 380К; О - захват газа отсутствует.

конденсироваться в аморфном состоянии при комнатной температуре. Способ позволяет также осуществлять легирование пленок. При этом легирующий материал поступает из газовой фазы, а основной материал из лазерной плазмы.

Формула изобретения Способ получения аморфных металлических пленок, включающий распыление мишени из наносимого металла импульсным лазерным излучением с плотностью мощности 1011-10 Вт/м2 и конденсацию продуктов распыления на подложку, отличающийся тем, что распыление мишени осуществляют в атмосфере инертного по отношению к наносимому металлу газа при давлении 90-130 Па, причем длительность импульсов лазерного излучения составляет 12-20 не, а частота их следования 55-100 Гц.