Программу составил доцент, к.ф.-м.н Марченко В.А.
ЦЕЛЬ КУРСА: Дать представление о современных методах роста пленок,
их возможностях и ограничениях. Рассмотреть физические явления, происходящие на различных этапах процесса напыления и
роста пленок; особенности оборудования, определяемые природой пленок и методом их нанесения. Рассмотреть процессы
термического и лазерного испарения, ионного и ионно-плазменного распыления, химического осаждения из газовой
фазы; транспорта вещества от источника к поверхности роста; конденсации, образования зародышей и роста пленок.
ОСНОВНЫЕ УМЕНИЯ И НАВЫКИ: Постановка и проведение экспериментов по исследованию и созданию тонких пленок с заданными эксплуатационными характеристиками.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УЧЕБНОГО ВРЕМЕНИ:
| Лекции | 60 час. |
| Лабораторные работы | 18 час. |
| Практические занятия | 22 час. |
| Семинарские занятия | 8 час. |
| ВСЕГО: | 108 час. |
Семестровый контроль: экзамен.
СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА
Тема 1. Введение. Тонкопленочная технология. [1] (4 часа)
1.1. Понятия "пленка" и "тонкая пленка". Эпитаксиальные пленки. Примеры свойств и возможностей применения тонких пленок. Этапы процесса осаждения пленок и их физико-химические особенности.
1.2. Методы анализа и структурирования пленок. Литография и травление - способы и предельные возможности. Основные этапы создания тонкопленочных приборов и устройств.
Тема 2. Механизмы роста пленок. [2,1*,2*] (6 часов)
2.1. Конденсация, образование зародышей и рост тонких пленок.
Капиллярная модель зародышеобразования. Четыре стадии роста пленки. Влияние характера зарождения пленок на их структуру.
2.2. Рост монокристаллических пленок. Послойный (2D), островковый (3D) и
смешанный рост. Гетероэпитаксия, дислокации несоответствия, теория Ван дер Мерве.
2.3. Монокристаллические пленки на неориентирующих и аморфных подложках,
графоэпитаксия, ионно-стиммулированый рост. Альтернативные осаждению методы создания монокристаллических пленок:
SIMOX и Smart Cut процессы, латеральная кристаллизация.
Тема 3. Термическое испарение. [2] (4 часа)
3.1. Скорость испарения. Энергетический спектр испаренных атомов, их угловое распределение. Расчет скорости осаждения при баллистическом и диффузионном транспорте вещества от источника к подложке. Способы нагрева загрузки и конструкции испарителей. Испарение сплавов и соединений. Загрязнения в пленках и требования к вакууму.
3.2. Молекулярно-лучевая эпитаксия. Эффузионные ячейки. Материалы тиглей. Контроль in situ скорости напыления и структуры пленок.
Тема 4. Ионное распыление. [3,4] (8 часов)
4.1. Взаимодействие энергичных частиц с поверхностью. Оже нейтрализация. Потенциальная и кинетическая эмиссии электронов Выделение ионного тока из полного тока мишени. Отражение от поверхности.
4.2. Движение ионов в мишени. Первичные и вторичные атомы отдачи. Потери энергии. Ядерное, электронное торможение. Каналирование, фокусировка Силсби. Пробеги ионов. Имплантация газовых ионов. Энергия связи ионов инертных газов с дефектами.
4.3. Режимы первичного прямого выбивания, линейных каскадов, тепловых пиков. Коэффициент распыления: Z-осцилляции, пороговые энергии, угловое распределение, зависимость выхода от угла падения ионов. Энергетический спектр распыленных атомов. Распыление соединений, сплавов.
4.4. Расчет взаимодействия энергичных частиц с веществом. Модель Зигмунда. Программа TRIM и ее развитие. Метод молекулярной динамики.
Тема 5. Катодное распыление. [3,5] (6 часов)
5.1. Газовый разряд, его типы, вольтамперная характеристика, условие самоподдержки. Тлеющий разряд, распределение параметров плазмы по длине.
5.2. Радиус экранирования в плазме. Плавающий и плазменный потенциалы. Энергетические распределения электронов. Диагностика плазмы, зонды Лэнгмюра.
5.3. Энергии ионов в темном катодном слое. Рассеяние и перезарядка ионов. Зависимость энергии распыленных атомов от катодного потенциала. Высокочастотное распыление.
Тема 6. Магнетронное распыление. (4 часа)
6.1. Электроны в скрещенных электрическом и магнитном полях. Типы и характеристики магнетронных распылительных систем.
6.2. Потоки энергичных частиц на поверхность растущих пленок. Перераспыление, газовое легирование. Термализация энергичных частиц. Реакции в газовой фазе.
Тема 7. Реактивное ионно-плазменное напыление. (2 часа)
7.1. Поглощение газов и гистерезисные явления при реактивном напылении. Напыление в режиме постоянных парциальных давлений. Датчики парциальных давлений.
Тема 8. Лазерное испарение. [7] (2 час)
8.1. Взаимодействие лазерных пучков с поверхностью материалов. Глубины проникновения, коэффициенты отражения, механизмы передачи энергии. Испарение материалов под действием лазеров. Импульсное лазерное испарение. Влияние мощности и длительности импульса.
Тема 9. Химическое осаждение из газовой фазы. [1,2] (4 час)
9.1. Методы кристаллизации с участием химических реакций. Пиролиз, реакции восстановления, окисления и т. д. Синтез из металлоорганических соединений. Метод химического транспорта. Пиролиз при распылении жидкости. Промышленное наращивание эпитаксиальных слоев кремния.
Тема 10. Подложки и подложкодержатели для роста пленок. [1] (4 час)
10.1. Методы подготовки поверхности. Механическая, химическая, плазмохимическая и ионная обработка поверхности. Вакуум-термическая и химико-термическая подготовка поверхности. Скол в вакууме. Удаление естественных оксидов с кремниевых пластин, водородное и кислородное окончание.
10.2. Методы нагрева и охлаждение подложек, измерения температуры. Плазмостойкие нагреватели. Геометрия внеосевого напыления. Влияние потенциала подложки на плазменное окисление пленок.
Тема 11. Технологическое оборудование напылительных установок. [1] (4 час)
11.1. Адсорбция газов и обезгаживание материалов. Способы контроля общего и парциальных давлений. Вакуумные насосы, вентили, контролеры расхода газов.
11.2. Блоки питания испарителей, электронных пушек, мишеней. Планетарные механизмы подложкодержателей, заслонки.
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
- И. Броудай, Дж. Мерей. Физические основы микротехнологии. М.: Мир, 1985
- Технология тонких пленок. Справочник. Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. Том 1. М.: Советское радио. 1977
- Фундаментальные и прикладные аспекты распыления твердых тел. Сборник статей. Составитель Е. С. Машкова. М.: Мир. 1989
- И. Мак-Даниель. Процессы столкновений в ионизированных газах. М.: Мир. 1967
- Ю. П. Райзер. Физика газового разряда. М.: Наука. 1987
- Л. С. Палатник, И. И. Папиров. Эпитаксиальные пленки. М.: Наука. 1971
- Рэди Дж., Действие мощного лазерного излучения, М., Мир,1966, с.10-115.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
- * Е.И. Гиваргизов. Искусственная эпитаксия. М., Наука, 1988 .
- * Монокристаллические пленки. Сборник статей. Перевод с англ. Под ред. З. Г. Пинскера. М. Мир, 1966. Главы 3,9.
- * Грошковский Я.А., "Техника высокого вакуума", М., Мир,
1975, с.46-60,154-216.
ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
- Магнетронное напыление пленки алюминия, измерение радиального распределения толщины профилометром и его теоретический расчет в баллистической модели. (6 час)
- Реактивное напыление пленки оксида ванадия, измерение ее удельного сопротивления и температурного коэффициента сопротивления. (6 час)
- Высокочастотное магнетронное напыление эпитаксиального слоя оксида циркония на кремний. Контроль структуры пленки методом дифракции быстрых электронов. (6 час)
ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
- Расчет параметров плазмы по зондовой вольтамперной характеристике.
- Расчет пробега ионов в аморфных мишенях по программе TRIM.
- Расчет скорости напыления в зависимости от давления в диффузионном приближении.
- Расчет профиля толщины пленки при термическом испарении из круглого источника.
- Расчет профиля толщины пленки при магнетронном распылении при низких давлениях реакционного газа.
- Расчет элементов вакуумных напылительных систем источника.
- Контактное и бесконтактное измерение температуры подложек.
- Расчет параметров решетки пленок по данным электронной дифракции.
СЕМИНАРСКИЕ ЗАНЯТИЯ
- Датчики давления кислорода на основе твердых электролитов. (2 час)
- Проблемы напыления пленок многокомпонентных оксидных соединений. (2 час)
- Защита от электрических пробоев деталей и узлов напылительных установок лазерного и ионно-плазменного распыления. (2 час)
- Природа энергичных частиц, эмитируемых мишенью при ионном облучении. (2 час)
