Научная статья на тему 'Экспериментальное исследование осаждения тонких плёнок металлов методом наносекундного LCVD'

Экспериментальное исследование осаждения тонких плёнок металлов методом наносекундного LCVD Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
171
57
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НАНОСЕКУНДНОЕ LCVD / ОБРАЗОВАНИЕ И РОСТ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ МИКРОИ НАНОСТРУКТУР / NANOSECOND LCVD / THE FORMATION AND GROWTH OF TOPOLOGICAL MICROAND NANOSTRUCTURES

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Кузнецов Максим Викторович, Кочкарев Денис Вячеславович

В работе представлены результаты экспериментального исследования лазерно-пиролитического осаждения металлических плёнок на стеклянных и стеклянных хромированных подложках.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Кузнецов Максим Викторович, Кочкарев Денис Вячеславович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

EXPERIMENTAL STUDY OF THIN FILM DEPOSITION METALS BY NANOSECOND LCVD

The results of experimental studies of laser pyrolytic deposition of metal films on glass and chrome-plated glass substrates are presented.

Текст научной работы на тему «Экспериментальное исследование осаждения тонких плёнок металлов методом наносекундного LCVD»

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСАЖДЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЁНОК МЕТАЛЛОВ МЕТОДОМ НАНОСЕКУНДНОГО LCVD

Максим Викторович Кузнецов

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер НИС, тел. +7-952-923-40-99, e-mail: [email protected]

Денис Вячеславович Кочкарев

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер НИС, тел. +7-913-913-55-91, e-mail: [email protected]

В работе представлены результаты экспериментального исследования лазернопиролитического осаждения металлических плёнок на стеклянных и стеклянных хромированных подложках.

Ключевые слова: наносекундное LCVD, образование и рост топологических микро- и наноструктур.

EXPERIMENTAL STUDY OF THIN FILM DEPOSITION METALS BY NANOSECOND LCVD

Maksim V. Kuznetsov

Siberian State Geodesic Academy , 10 Plakhotnogo, Novosibirsk 630108 Novosibirsk, engineer, tel. (952) 923-40-99, e-mail: [email protected]

Denis V. Kochkarev

Siberian State Geodesic Academy , 10 Plakhotnogo, Novosibirsk 630108 Novosibirsk, engineer, tel. (952) 923-40-99, e-mail: [email protected]

The results of experimental studies of laser pyrolytic deposition of metal films on glass and chrome-plated glass substrates are presented.

Key words: nanosecond LCVD, the formation and growth of topological micro- and nanostructures.

Целью выполнения представленных в настоящей публикации экспериментальных исследований является получение данных о параметрах осаждения тонких плёнок металлов методом наносекундного LCVD в условиях атмосферного давления газовой среды.

Результаты исследований методов наносекундного LCVD представлены в работах [1-5]. Значительным преимуществом лазерной технологии является одностадийный характер создания топологических структур, возможность получения наноразмерных формируемых элементов, самосовмещение структурных элементов последовательно формируемых структур.

Как показано в упомянутых работах и ряде других работ, воздействие наносекундного сфокусированного лазерного излучения на поверхность подложки, расположенной в парах летучих элементоорганических соединений,

приводит к образованию на поверхности островка металла. Процесс термохимический, имеет характер пиролиза, но на размеры островка практически не влияет тепловое расплывание нагреваемой излучением зоны в связи с малой длительностью облучения. С учётом экспоненциальной зависимости скорости пиролиза от температуры наносекундное LCVD позволяет достигать при формировании структур разрешения, не ограничиваемого длиной волны излучения.

В условиях открытой атмосферы разложение МОС ведется на облучаемой поверхности в адсорбированном (или конденсированном) на поверхности слое молекул и в пристеночном (толщиной порядка единиц мкм) слое атмосферы.

В качестве реагентов в технологии LCVD использовались МОС различных металлов; в данном исследовании проводится анализ процессов получения плёнок рения разложением декакарбонила дирения Re2(CO)10. Карбонил представляет собой при комнатных условиях порошок; давление насыщенных паров рнас ~ 2 Па при температуре 60 °С, температура кипения 180 °С, температура интенсивного разложения примерно равна 400 С, молярный вес М = 0, 652 кг/моль [6].

Для получения на подложке плёночных микрорисунков использовались проекционная и контурно-проекционная оптические схемы формирования.

При лазерном воздействии на поверхность подложки за время импульса облучения нагревается облучаемая поверхность и подложка на некоторую глубину. Максимальное значение изменения температуры поверхности в середине облучаемой зоны при гауссовском распределении интенсивности излучения в пучке определяется формулой [ 7 ]:

где Я - коэффициент отражения поверхности, Р0 - плотность падающей мощности излучения, т - длительность лазерного импульса, кт - коэффициент теплопроводности подложки, р - плотность подложки, с - удельная теплоёмкость подложки.

Если на подложке располагается тонкая металлическая плёнка, полученная ею при лазерном воздействии тепловая энергия может распространяться в подложку за счёт теплопроводности. Если лазерные импульсы короче 100 нс, и удельная теплоёмкость плёнки много больше теплоёмкости прогретого за время импульса слоя подложки, то приращение температуры плёнки за время импульса можно вычислить по формуле [8]:

РЛИ

где индексом «1» обозначены величины, относящиеся к плёнке, И -толщина плёнки.

Глубина проникновения тепла внутрь подложки за время импульса определяется длиной тепловой волны

(1 - Я)Р,т‘'2

(1)

£т =^атт , (3)

к

где “г =-^ - коэффициент температуропроводности. рс

Плёнка металла на подложке растёт при термической диссоциации молекул реагента, находящихся в адсорбированном состоянии на поверхности или в газовой фазе. В случае адсорбированных молекул результирующая реакция пиролиза декакарбонила дирения следующая:

Яе2 (СО)^ = 2Яе*оЫ + 1000“. (4)

Результирующая реакция пиролиза в газовой фазе с образованием атомного пара металла может быть записана в виде:

Яе2 (СО)7 = 2Яе ^ +10 (СО)"“. (5)

Скорость роста плёнки определяется количеством молекул карбонила, диссоциированных на поверхности за импульс лазерного облучения, умноженным на частоту следования импульсов [5]. При распаде молекулы декакарбонила дирения образуется два атома рения, поэтому в уравнении появляется множитель 2:

/ . ч 2ъш _ 2ъЫ

и( м / с ) = —0/ = —“—“ 0/ (6)

5оР

Здесь ъа - площадь, занимаемая атомом металла поверхности, ша - масса атома, ъ0 - площадь, занимаемая молекулой МОС на поверхности в мономо-лекулярном слое, р - плотность металла, 0 - доля молекул мономолекулярного слоя МОС, подвергшихся распаду при облучении, f - частота лазерных импульсов, Ыа - атомная масса металла, ЫА - число Авогадро. При получении плёнки рения ъа = 5,9 • 10_2° м2, ъ0 = 6 • 10“19 м2, Ыа = 0,186 кг/моль, р = 21-103

-5

кг/м . В уравнении не учтены молекулы, диссоциирующие в газовой фазе.

Лазерная установка, используемая для наносекундного LCVD в условиях открытой атмосферы, описана в [5]. Используется излучение азотного лазера с длительностью импульса 6 нс и частотой следования импульсов до 1 кГц, объектив с фокусным расстоянием 6 мм проецирует изображение трафарета на поверхность подложки с уменьшением; газ-носитель, содержащий пары МОС, омывает подложку в области формируемого изображения. Плёнки наносились непосредственно на стеклянную подложку и на стеклянную подложку с нанесённым слоем хрома толщиной ~ 0,1 мкм.

Был проведен ряд экспериментов с целью выявить зависимость толщины полученных пленок от температуры Т (то есть, от парциального давления реагента) в реакционной зоне, длительность облучения 60 с.

Интенсивность лазерного пучка в зоне реакции изменялась с помощью устанавливаемых на пути излучения светофильтров с коэффициентом пропускания к. В таблице 1 приведена зависимость расчётного значения лазерно-индуцированной температуры подложки от коэффициента ослабления светофильтра; при расчёте использованы теплофизические характеристики

плёнки рения, то есть, эти данные справедливы для стадии процесса, когда на подложке уже образовалась плёнка металла.

Таблица 1. Зависимость плотности мощности Р8 от коэффициента к

светофильтров

Рб, 107 Вт/см2 7,60 5,60 3,40 1,70 1,14 0,82 0,60 0,58 0,48 0,31

к 100 74 45 22 15 11 9 8 6 4

На рис. 1 наглядно видно как происходит осаждение рения. В начальный момент облучения подложки толщина пленки была равна нулю следовательно температуру в центре мишени следует рассчитывать по формуле (1) ЛТХ = 850 К. Коэффициент отражения поверхности R следует брать рения т.к. до начала облучения на поверхности подложки формируется монослой карбонила. Температуру в центре зоны облучения а конце осаждения можно рассчитать по формуле (2) Л Т = 1115 К.

Рис. 1. Пленки полученные с использованием светофильтра с пропусканием 29%, осаждения велось в течении 20, 30, 40 и 50 секунд

Из результатов проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:

1. Наиболее качественные пленки рения получаются при индуцированной облучением температуре в центре зоны реакции, равной 450-550 К, и нагревании

подложки и газораспределительной пластины до 307-317 К. Плотность

1 2

мощности излучения была равна (0,6-0,3)-10 Вт/см (рис. 2);

Рис. 2. Пленки полученные при температуре подложки ТтЬ равной 317К. Слева направо светофильтры 74, 45, 22, 15, 11, 9, 8, 6, 4

2. В случае увеличения температуры подложки осаждается рений из газовой фазы, имеет слабую адгезию с подложкой;

3. При увеличении мощности лазерного излучения и сохранении температуры подложки 307-317 К пленка не осаждается в центре пятна, однако по периметру зоны облучения появляется осадок (рис. 3);

Рис. 3. Температура подложки 312 К

4. При температуре подложки выше 317 К начинается процесс активного осаждения из газовой фазы (рис. 4);

У? '

1 0 л ш 2.0 к и 1.62ЕЗ 0002/01 |?ГС<< н

Рис. 4. Температура подложки 322 К р = 3,4 107 Вт/см2

5. При температуре подложки ниже 297 К рений не осаждается.

6. За 60 секунд облучения зоны реакции импульсным лазерным излучения с частотой 1 КГц осаждается 0,3 мкм, следовательно учитывая то, что пленка

росла только в момент падения импульса можно рассчитать скорость роста пленки по формуле:

и = к / тЫ, (7)

где ? - время осаждения; у - частота лазерного излучения.

В работе представлены результаты экспериментального исследования лазерно-пиролитического осаждения металлических плёнок на стеклянных и стеклянных хромированных подложках. Показано, что при повышенной температуре подложки, чему соответствует повышенное парциальное давление паров реагента, увеличивается роль процессов диссоциации молекул в газовой фазе, осадки становятся рыхлыми и обладают слабой адгезией к подложке. При увеличении плотности лазерной мощности выше оптимального значения толщина осадка уменьшается вплоть до полного его исчезновения, что объясняется, вероятно, испарением осадка. Оптимальное значение лазерно-индуцированной температуры слоя на подложке, при которой происходит наращивание слоя, находится в пределах 450 - 550 К.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Чесноков В.В., Земсков С.В., Игуменов И.Г. Лазерно-химическое осаждение пленок металлов // Тез. докл. 5 отрасл. научно-техн. конф. "Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем". - Нальчик, 1983.

2. Чесноков В.В., С.В. Земсков, И.К. Игуменов Способ локального нанесения покрытия на подложку // А.с. 1331369 СССР, МКИ Н 01 L 21/312, G 03 F 1/00.- № 3936434; Заяв. 6.06.85; Опубл. Бюл. № 30.// Открытия. Изобретения.- 1987.- С.260.

3. Резникова Е.Ф.. Химическое осаждение металлических плёночных структур из паров летучих соединений металлов с помощью мощного высокочастотного наносекундного импульсного УФ лазера. Автореф. дис. на соискание учен. степени канд. хим. наук / ИНХ СО РАН, Новосибирск, 1998.

4. Чесноков Д. В. Разработка и исследование наносекундной лазерной микротехнологии формирования оптоэлектронных структур: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук / СГГА. — Новосибирск, 2000.

5. Чесноков В.В., Резникова Е.Ф., Чесноков Д.В.. Лазерные наносекундные микротехнологии / - под общ. ред. Д.В. Чеснокова. - Новосибирск: СГГА, 2003.

6. Сыркин В.Г. Карбонилы металлов.- М.: Химия, 1983

7. Лазнева Э.Ф. Лазерная десорбция. - Л.: Изд-во ЛГУ,1990.

8. Вейко, В.П. Лазерная обработка пленочных элементов. - Л.: Машиностроение,

1986.

© М.В. Кузнецов, Д.В. Кочкарев, 2012

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.