УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО ОСАЖДЕНИЯ В ВАКУУМЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ПОДЛОЖКУ

Изобретение относится к области осаждения тонких пленок в вакууме способом термического испарения.
Вакуумные испарители тонких пленок широко используются для создания электронных микросхем, оптоэлектронных приборов, катализаторов и т.д. Обычно для создания нужных пленок требуется осадить на подложку от долей нанометра до нескольких сотен нанометров вещества.
Для создания тонких пленок в вакууме используют испарители, которые создают поток атомов нужного вещества, оседающего затем на твердотельной подложке. Скорость испарения зависит от температуры испарителя, которую задают путем регулировки мощности нагрева при пропускании тока, либо при облучении электронным потоком, либо косвенным нагревом за счет светового излучения или теплопроводности.
Общим недостатком этих устройств является ограниченная скорость осаждения и инерционность процесса. Увеличить скорость осаждения можно за счет повышения температуры испарителя, но при этом, из-за инерционности, теряется возможность создавать достаточно тонкие пленки.
Для повышения скорости осаждения при умеренной температуре испарителя используется испаритель с большой площадью поверхности (N.I.Plusnin, V.M.IPyashenko and A.P.Milenin. The Growth and Conductivity of Transition Metal Nanolayers on Silicon. Phys. Low-Dim. Struct., 11/12, 2002, pp.39-48). Данное устройство содержит испаритель с осаждаемым веществом, дополнительный вакуумный испаритель для нанесения осаждаемого вещества на подложку, источник тока. К недостаткам данного устройства следует отнести то, что испаритель с большой поверхностью позволяет относительно заметно снизить температуру испарителя только при осаждении низколетучих веществ, легко испаряющихся при температурах порядка 300-500 C° (In, Mg, Yb и т.д.). При испарении высоколетучих веществ, в силу очень сильной (примерно экспоненциальной) зависимости давления паров от температуры, снижение температуры поверхности, достигаемое за счет увеличения площади, весьма незначительно и, кроме того, обычно не нужно.
Известно также устройство, описанное в (А.С.Гуральник, Н.Г.Галкин, В.А.Иванов, М.В.Иванченко, Е.А.Чусовитин. Импульсный испаритель для сверхбыстрого осаждения тонких пленок в сверхвысоком вакууме. Приборы и техника эксперимента, 2007, №2, с.1-4. и A.S.Gouralnik, N.G.Galkin, V.A.Ivanov, M.V.Ivanchenko, E.A.Chusovitin. A Pulce-Type Yvaporator for Ultrafast Deposition of Thin Films in Ultrahigh Vacuum. Instruments and Experimental Techniques, 50 №3, (2007), pp.408-410).
Устройство для импульсного осаждения в вакууме тонких пленок на подложку содержит испаритель с осаждаемым веществом и реиспаритель, выполненный в виде полоски фольги из тугоплавкого металла, на поверхность которого из испарителя наносится вещество, которое затем осаждается на подложку. Кроме того, устройство оснащено источником импульсного нагрева реиспарителя, состоящим из конденсатора и механического ключа (замыкателя). При замыкании ключа, конденсатор, заряженный до заданного напряжения, импульсно разряжается через металлическую фольгу реиспарителя, которая быстро нагревается до заданной высокой температуры, что обеспечивает заданную высокую скорость испарения вещества с ее поверхности.
Недостатком этого устройства является механический дребезг, возникающий при замыкании механического ключа. Поскольку этот процесс не контролируемый, а случайный, при каждом замыкании ключа процесс разряда конденсатора протекает по-разному и энергия, выделяющаяся на реиспарителе при каждом импульсе разряда, оказывается разной. Это сказывается на температуре испарителя и приводит к значительному разбросу толщины осажденной пленки (в 2-3 раза).
Данное устройство является наиболее близким к заявляемому техническому решению и принято за прототип.
4
Задачей данного изобретения является создание такого устройство для импульсного осаждения в вакууме тонких пленок на подложку, которое позволяет выращивать пленки толщиной от долей нанометра до десятков нанометров при сверхвысоких скоростях осаждения, (до ~10 нм\сек). Кроме того, данное устройство позволяет обходиться дешевым и легкодоступным оборудованием и применять обычные меры безопасности, повсеместно применяемые при работе с напряжениями 50-1000 Вольт.
-4
-6
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для импульсного осаждения в вакууме тонких пленок на подложку, состоящем из подложки, испарителя, содержащего осаждаемое вещество, реиспарителя в виде полоски фольги из тугоплавкого металла, источника тока для нагрева испарителя и устройства для импульсного нагрева реиспарителя, которое состоит из конденсатора емкости С, с возможностью выбора величины C и регулировки напряжения на конденсаторе U, и ключа, в качестве ключа установлен тиристорный ключ с временем открывания 10-10 секунды, обеспечивающий пропускание импульсов тока заданной величины и длительности.
-3
-5
2
Для увеличения скорости испарения вещества в предлагаемом устройстве используется повышение температуры испарителя. Для получения достаточно тонких пленок при сверхвысоких скоростях осаждения время испарения укорочено до 10-10 секунды. Для реализации такого короткого импульса испарения используется реиспаритель очень маленькой массы в виде полоски тонкой фольги из тугоплавкого металла, через которую осуществляется разряд конденсатора подходящей емкости C, заряженного до подходящего напряжения U. Температура, до которой нагревается реиспаритель при разряде конденсатора, определяется уравнением cmΔT=CU/2, где m - масса полоски фольги, c - удельная теплоемкость материала фольги, ΔT - изменение температуры, C - емкость конденсатора, U - напряжение (стабильные потери энергии на излучение и потери в электрической схеме здесь не учтены). Стабильность энергии, выделяющейся на реиспарителе при каждом разряде конденсатора обеспечивается за счет применения мощного тиристорного ключа. Возможность долгого и многократного использования реиспарителя обеспечивается применением двухступенчатой конструкции, в которой имеется испаритель, содержащий большую навеску испаряемого вещества.
Общие существенные признаки с прототипом:
- наличие испарителя;
- реиспарителя;
- системы импульсного питания, состоящей из конденсатора и ключа. Отличительные существенные признаки заявляемого устройства от протитипа:
- в качестве ключа использован мощный тиристорный ключ.
Данная совокупность существенных признаков позволяет достичь заданного технического результата.
На основании изложенного следует, что заявленное устройство для импульсного осаждения в вакууме тонких пленок на подложку, обладает новизной, техническим уровнем и промышленно применимо.
Устройство для импульсного осаждения в вакууме тонких пленок на подложку поясняется чертежом, на котором показаны:
1 - испаритель любой конструкции, применяемой для испарения того или иного вещества; 2 - реиспаритель в виде полоски фольги из тугоплавкого металла; 3 - испаряемое вещество; 4 - дополнительное отверстие, которым снабжен испаритель; 5 - танталовые контакты; 6 - массивные электроды из меди или другого металла; 7 - подложка (образец); 8 - конденсаторы; 9 - тиристорный ключ; 10 - источник тока нагрева испарителя.
Устройство для импульсного осаждения в вакууме тонких пленок на подложку работает следующим образом.
2
2
Разогревают испаритель путем пропускания тока с помощью источника 10 и осаждают нужное количество осаждаемого вещества 3 на поверхность реиспарителя 2 в виде полоски тонкой фольги из тугоплавкого металла, путем нагревания испарителя 1 током от источника 10. Во время предварительного осаждения, благодаря наличию дополнительного отверстия 4, количество испаренного вещества можно измерять, установив кварцевый измеритель толщины напротив отверстия 4. Когда необходимое количество вещества осаждено на поверхности реиспарителя 2, конденсаторы 8 заряжаются до нужного напряжения U и тем самым накапливают заданную энергию CU/2. Затем замыкается тиристорный ключ 9, конденсаторы 8 разряжаются через реиспаритель 2 и энергия Е=CU/2, запасенная в конденсаторах 8, быстро выделяется в реиспарителе 2 в виде Джоулева тепла. Таким образом, реиспаритель 2 нагревается до заданной высокой температуры, вещество с его поверхности испаряется и оседает на подложку 7.
В отличие от прототипа, в данном устройстве для импульсного осаждения в вакууме тонких пленок на подложку вместо механического ключа применяется тиристорный ключ, что позволяет избежать механического дребезга в электрическом контакте и добиться стабильных импульсов тока и воспроизводимой толщины импульсно-осаждаемой пленки.