СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК ОКСИДА ЦЕРИЯ
METHOD OF PRECIPITATING THIN CERIUM OXIDE FILMS

2
Изобретение относится к технологии тонких пленок, в частности к способу формирования равномерных по толщине пленок оксида церия (CeO) на подложках сложной пространственной конфигурации. Под термином подложки «сложной пространственной конфигурации» имеется в виду наличие у поверхности подложки зон, находящихся в области геометрической тени относительно источника (мишени) распыленных атомов. При использовании ионно-плазменного распыления это достигается регулированием режима транспорта распыленных атомов Ce в промежутке дрейфа мишень-подложка и может быть использовано для создания равномерных по толщине пленок оксида церия при решении ряда задач нанотехнологии, энергосберегающих технологий, в электронной, атомной и других областях науки и техники. Изобретение направлено на разработку способа ионно-плазменного нанесения тонких пленок оксида церия и повышение его технологической гибкости применительно к получению тонкопленочных покрытий на протяженные подложки сложной пространственной конфигурации.
Изобретение может быть использовано при напылении тонкопленочных структур оксида церия, как на постоянном токе, так и при высокочастотном напылении.
Одним из известных методов осаждения пленок оксидов металлов является метод магнетронного распыления [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 заданными электрофизическими свойствами.
При осаждении пленок на подложки сложной пространственной конфигурации формирование их свойств определяется технологическими параметрами процесса осаждения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ ионно-плазменного нанесения тонких пленок в вакууме, основанный на перемещении или вращении подложки в различных направлениях [Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. М.: Энергоатомиздат. 1989. 328 с.]. Он заключается в том, что для заданного формирования равномерных по толщине пленок на подложки сложной пространственной конфигурации держатель подложек перемещается или вращается в различных направлениях по заданному алгоритму.
Указанный способ обладает рядом недостатков: сложностью конструкции и низкой технологической гибкостью метода. Сложность конструкции распылительной камеры обусловлена наличием привода перемещения в зоне распыления и сложной системы расположения подложек. Низкая технологическая гибкость связана с тем, что для изменения скорости распыления мишени необходимо изменять алгоритм системы крепления подложек. Вместе с тем перемещение системы расположения подложек, даже в одном технологическом цикле, приводит к кратковременному прерыванию процесса осаждения, связанному с режимом зажигания газового разряда, и, как следствие, к образованию негативного переходного слоя между осаждаемыми слоями. Эти эффекты, связанные с перемещением подложек, делают невозможным реализацию наноразмерных слоев и возможность создания покрытий с равномерным распределением по толщине, необходимых для ряда задач нанотехнологии.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа осаждения тонких пленок оксида церия, позволяющего в одном технологическом цикле получать пленки с равномерным распределением по толщине на подложках сложной пространственной конфигурации.
Достигаемым техническим результатом изобретения является формирование равномерных по толщине покрытий оксида церия на подложках сложной пространственной конфигурации.
Технический результат достигается тем, что проводят магнетронное распыление металлической мишени церия в рабочей камере в атмосфере, содержащей инертный газ и кислород, при этом подложку размещают на аноде в области зоны активного распыления мишени на расстоянии от мишени, превышающем глубину зоны термализации распыленных атомов мишени при соотношении R/L в диапазоне 1,2÷1,5, где R - расстояние мишень-подложка, L - глубина зоны термализации.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Анализ процессов рассеяния при столкновении атомных частиц в области давлений, характерных для процесса ионно-плазменного распыления, показывает, что нетермализованные 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 термализованных 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., Козырев А.Б. Термализация атомных частиц в газах. // ЖЭТФ. 2011, т.140, вып.1(7), с.196-204.]. Таким образом, в зависимости от состава и давления рабочего газа (которые определяют длину свободного пробега распыленных атомов относительно упругих столкновений), на малых расстояниях от мишени, подложка бомбардируется направленным потоком распыленных атомов мишени со средней энергией 2…10 эВ (масштаб энергий связи атомов мишени). При расстояниях от мишени, превышающих глубину зоны термализации распыленных атомов, на поверхность подложки диффузионными потоками осуществляется доставка атомов распыляемой мишени с энергией ~0.1 эВ (температура атомной подсистемы газоразрядной плазмы). При этом угловое распределение атомов распыляемой мишени, перешедших в диффузионный режим движения, на расстояниях от мишени, превышающих границу зоны термализации, имеет практически изотропный характер. Таким образом, это приводит к их доставке практически на всю поверхность подложки сложной пространственной конфигурации, расположенной вне зоны термализации распыленных атомов мишени.
Сущность изобретения поясняется представленными чертежами: фиг.1 - конструкция магнетронной распылительной системы, где 1 - рабочая камера, 2 - подложка сложной пространственной конфигурации, 3 - зона термализации распыленных атомов мишени, 4 - магнитная система, 5 - мишень, 6 - анод; фиг.2 - неравномерность толщины осажденного слоя оксида церия по радиусу подложки при различных соотношениях R к L.
Рассмотрим суть изобретения при распылении мишени из церия (Ce), поясняющего сущность заявляемого способа. В диапазоне малых давлений рабочего газа (~ до 2 Па) граница зоны термализации L распыленных атомов Ce превышает длину пространства дрейфа мишень-подложка R<L. Поэтому в этом диапазоне малых давлений рабочего газа (~ до 5 Па) наблюдается существенная неравномерность толщины пленки h оксида церия по радиусу подложки r, расположенной в центре магнетронной распылительной системы.
При увеличении давления рабочего газа граница зоны термализации L распыленных атомов Ce становится соизмеримой с длиной пространства дрейфа мишень-подложка R≈L и распределение толщины пленки h(r) оксида церия по радиусу подложки становится более равномерным. Это обусловлено тем, что при увеличении давления рабочего газа длина зоны термализации L для распыленных атомов Ce уменьшается и становится соизмеримой с длиной пространства дрейфа мишень-подложка R.
В диапазоне высоких давлений рабочего газа (~ более 10 Па) граница зоны термализации L распыленных атомов Ce становится меньше длины пространства дрейфа мишень-подложка R>L. При этом распределение толщины пленки h(r) оксида церия по радиусу подложки становится практически равномерным. Но при увеличении давления рабочего газа достаточно быстро уменьшается скорость доставки распыленных атомов Ce на подложку, поэтому необходимо выбирать оптимальное соотношение величины давления рабочего газа и длины пространства дрейфа мишень-подложка.
Пример конкретной реализации способа
3
3
Подложку сложной пространственной конфигурации 1 (фиг.1) размещают в центре анода 6 (фиг.1) на оси магнетронной распылительной системы вне зоны термализации распыленных атомов мишени 3 (фиг.1) и при заданном расстоянии мишень-подложка R выбирают величину давления рабочего газа, соответствующую соотношению R/L≈1.2…1.5. Соотношение R/L из указанного диапазона выбирается из заданной величины неравномерности толщины Δh/h осаждаемой пленки оксида церия. Осаждение оксида церия осуществляется методом магнетронного распыления металлической мишени Ce (99,9%) при давлении 8 Па в среде аргона и кислорода. Расход аргона и кислорода составляет 40 см/мин и 35 см/мин соответственно. Соотношение длины пространства дрейфа мишень-подложка к зоне термализации в процессе распыления равняется R/L=1.4. В этих условиях были синтезированы пленки оксида церия с неравномерностью по толщине Δh/h=3%.
Таким образом, заявленный способ позволяет получать равномерные по толщине пленки оксида церия на подложках сложной пространственной конфигурации.