СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ НА ОСНОВЕ СЛОЖНЫХ ОКСИДОВ МЕТОДОМ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR SEDIMENTATION OF THIN FILMS OF FERROELECTRIC ON BASE OF COMPLEX OXIDES BY METHOD OF ION-PLASMA SPUTTERING

Изобретение относится к технологии получения тонких пленок, в частности к способу формирования сегнетоэлектрических пленок сложного стехиометрического состава, и может быть использовано для создания многокомпонентных пленочных покрытий с заданным стехиометрическим составом при решении ряда задач нанотехнологии, энергосберегающих технологий, в электронной, атомной и других областях науки и техники.
Известен метод ионно-плазменного осаждения пленок сложных оксидов [Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. М.: Радио и связь. 1982. 73 с.]. Он позволяет контролируемым образом, варьируя технологические параметры процесса, изменять условия осаждения и наносить с высокой скоростью роста пленки с заданным стехиометрическим составом, определяющим электрофизические свойства формируемых тонкопленочных покрытий. Но формирование их стехиометрического состава определяется стехиометрией распыляемой мишени.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ осаждения тонких пленок на основе сложных оксидов [Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. М.: Энергоатомиздат. 1989. 328 с.]. Известный способ заключается в том, что на подложку, расположенную на аноде, методом ионно-плазменного распыления наносят атомы мишени, выполненной из сложных оксидов сегнетоэлектриков. Способ позволяет менять по глубине стехиометрический состав выращиваемых пленок за счет того, что в зону распыления доставляется последовательно ряд мишеней, стехиометрия каждой из которых переносится на подложку с растущим покрытием.
Недостатком известного способа является его ограниченные технологические возможности, позволяющие получать пленки только стехиометрического состава, близкого по величине со стехиометрическим составом распыляемой мишени.
x
1-x
3
В известном способе в диапазоне малых давлений рабочего газа (~ до 5 Па) граница зоны термализации распыленных атомов Ва и Sr превышает длину пространства дрейфа мишень-подложка. Поэтому в этом диапазоне малых давлений рабочего газа (~ до 5 Па) соотношение потоков распыленных атомов Ba/Sr, достигших поверхности подложки, расположенной в центре магнетронной распылительной системы, соответствует исходной стехиометрии BaSrTiO распыляемой мишени.
При увеличении давления рабочего газа соотношение потоков распыленных атомов Ba/Sr, достигших поверхности подложки, расположенной в центре магнетронной распылительной системы, будет изменяться в сторону увеличения поверхностной плотности распыленных атомов Ва. Это обусловлено тем, что длина зоны термализации для распыленных атомов Sr уменьшается значительнее быстрее, чем для более тяжелой компоненты потока распыленных атомов Ва.
0.3
0.7
3
Для мишени со стехиометрическим составом ВаSrTiO параметр стехиометрического состава х для подложки, расположенной на аноде на оси магнетронной распылительной системы, может изменяться на небольшую величину в пределах х=0.30-0.42 за счет изменения величины давления рабочего газа от 5 до 100 Па.
Задачей, решаемой изобретением, является разработка способа осаждения тонких пленок сегнетоэлектриков на основе сложных оксидов методом ионно-плазменного распыления, позволяющего расширить диапазон отклонения стехиометрического состава получаемых пленок от стехиометрического состава распыляемой мишени.
Поставленная задача решается за счет того, что, как и в известном способе, на подложку, расположенную на аноде, методом ионно-плазменного распыления наносят атомы мишени, выполненной из сложных оксидов сегнетоэлектриков. Но, в отличие от известного, в предполагаемом способе подложку размещают в области проекции зоны активного распыления мишени, а между ней и мишенью параллельно оси системы распыления устанавливают цилиндрический экран, выполненный из диэлектрического материала, диаметр которого соизмерим с размерами подложки.
Достигаемым техническим результатом является расширение диапазона отклонения стехиометрического состава получаемых пленок от стехиометрического состава распыляемой мишени. При этом стехиометрический состав осаждаемой многокомпонентной пленки может изменяться в широком диапазоне, величина которого, при заданных геометрических параметрах вводимого цилиндрического экрана, определяется давлением рабочего газа.
Изобретение базируется на следующих физических явлениях. Анализ процессов рассеяния при столкновении атомных частиц в области давлений, характерных для процесса ионно-плазменного распыления, показывает, что более тяжелые атомы распыляемой мишени, сталкиваясь с атомами рабочего газа (аргон или кислородосодержащая атмосфера), достигают поверхности анода, практически сохраняя направленное движение и энергию, полученные ими в плоскости мишени. Направленные потоки более легких атомов распыляемой мишени достаточно быстро убывают, и их перенос на анод и подложку обеспечивается диффузионными потоками. Величина диффузионных потоков распыленных атомов определяется градиентом плотности термализованных распыленных атомов, граница термализации которых существенным образом зависит как от соотношения масс атомов распыляемой мишени и атомов рабочего газа, так и от начальной энергии распыленных атомов, определяемой энергией связи атомов мишени [Вольпяс В.А., Гольман Е.К., Цукерман М.А. Исследование процессов термализации и диффузии потоков распыленных атомов в газах. // ЖТФ. 1996, Т.66, Вып.4, с.16-23]. Таким образом, подложка в области, противоположной зоне эрозии мишени, в зависимости от состава и давления рабочего газа (которые определяют длину свободного пробега распыленных атомов относительно упругих столкновений), бомбардируется направленным потоком более тяжелых распыленных атомов мишени со средней энергией 2…10 эВ (масштаб энергий связи атомов мишени). Одновременно на эту область подложки диффузионными потоками осуществляется доставка более легких атомов распыляемой мишени с энергией ~0.1 эВ (температура атомной подсистемы газоразрядной плазмы). При этом угловое распределение более легких атомов распыляемой мишени, перешедших в диффузионный режим движения, на расстояниях от мишени, превышающих границу зоны термализации, имеет практически изотропный характер. Это приводит к их интенсивному уходу на стенки камеры распылительной системы и уменьшению их поверхностной плотности на подложке. Таким образом, на подложке, расположенной на аноде непосредственно под зоной активного распыления, соотношение поверхностных плотностей распыленных атомов с различными массами, увеличивается для более тяжелых атомов мишени.
Предлагаемый способ осаждения сегнетоэлектрических пленок на основе сложных оксидов методом ионно-плазменного распыления, позволяющий из одной распыляемой мишени с определенным стехиометрическим составом получать пленки с иным стехиометрическим составом, решается размещением подложки на аноде в области проекции зоны активного распыления мишени, т.е. зоны, в которой распыление мишени происходит наиболее интенсивно, и установкой параллельно оси распылительной системы цилиндрического диэлектрического экрана, имитирующего адсорбирующие стенки камеры распылительной системы, диаметр которого соизмерим с размерами подложки.
Сущность изобретения поясняется представленными чертежами:
фиг.1 - конструкция магнетронной распылительной системы, позволяющая реализовать заявляемый способ;
фиг.2 - зависимость соотношения потоков распыленных атомов Ba/Sr в сечении поверхности подложки от величины давления рабочего газа (кислорода) при расположении подложки на аноде на оси магнетронной распылительной системы;
фиг.3 - зависимость соотношения потоков распыленных атомов Ba/Sr в сечении поверхности подложки от величины давления рабочего газа (кислорода) при расположении подложки на аноде в области проекции зоны активного распыления мишени и введении цилиндрического экрана;
0.3
0.7
3
0.54
0.46
3
фиг.4 - зависимость стехиометрического состава осаждаемых пленок от величины давления рабочего газа (кислорода) при распылении мишеней со стехиометрическим составом ВаSrTiO и PbZrTiО.
x
1-x
3
x
1-х
3
Рассмотрим пример реализации предлагаемого способа на примере получения пленок BSTO путем ионно-плазменного распыления мишени из сложного оксида со стехиометрическим составом BaSrTiO. Для мишени из сложного оксида PZTO со стехиометрическим составом PbZrTiО, рассуждения носят аналогичный характер.
2
3
x
1-x
3
В заявляемом способе подложку из поликора (AlO) 3 (фиг.1), радиус которой равен 0,45 см, размещают на аноде 2 в области проекции зоны активного распыления мишени BaSrTiO 1, а между ней и мишенью 1 параллельно оси распылительной системы устанавливают цилиндрический экран 4, радиус которого равен 0,5 см, выполненный из диэлектрического материала. Смысл введения в пространство дрейфа мишень-подложка цилиндрического экрана состоит в том, что термализованные в объеме пространства дрейфа распыленные атомы Sr значительно быстрее распыленных атомов Ва переходят в диффузионный режим движения и, в большей степени, осаждаются на стенках цилиндрического экрана. При этом величина более тяжелого компонента мишени - потока распыленных атомов Ва, достигших сечения поверхности подложки, превышает величину потока распыленных атомов Sr. Поэтому в этом диапазоне высоких давлений рабочего газа соотношение потоков распыленных атомов Ba/Sr, достигших сечения подложки, ограниченной размерами цилиндрического экрана, адсорбирующего на своей внутренней поверхности более легкие атомы Sr, может существенно отличается от исходной стехиометрии распыляемой мишени. Это отличие соотношения потоков распыленных атомов Ba/Sr в области подложки, ограниченной размерами цилиндрического экрана, зависит от длины экрана и величины давления рабочего газа.
Результаты эксперимента сведены в таблицу (фиг.4).
0.3
0.7
3
Для мишени со стехиометрическим составом ВаZrTiO параметр стехиометрического состава х для подложки, расположенной на аноде в области проекции зоны активного распыления мищени, может достигать величины в пределах х=0.30-0.70 за счет изменения величины давления рабочего газа от 10 до 100 Па.
Сравнительный анализ изменения соотношения потоков распыленных атомов Ba/Sr в сечении поверхности подложки от давления рабочего газа (кислорода) в отсутствие и при введении в пространство дрейфа мишень-подложка цилиндрического экрана представлен на фиг.2 и фиг.3 соответственно.
Результаты статистического моделирования, подтвержденные результатами экспериментов реализации способа ионно-плазменного осаждения тонких пленок сегнетоэлектриков на основе сложных оксидов, доказывают расширение диапазона отклонения стехиометрического состава получаемых пленок в присутствии экрана от стехиометрического состава используемых мишеней. Как видно из примеров, приведенных в таблице (фиг.4), стехиометрический состав пленок, полученных без экрана, очень близок к стехиометрическому составу используемых мишеней, и незначительно повышается вместе с повышением давления. Например при давлении в 100 Па состав Ва (х) в пленке отличается от состава Ва в мишени на 0,12, в то время как при использовании экрана х изменяется на 0,4. Это очень большое изменение стехиометрического состава по отношению к стехиометрическому составу мишени.