ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический

университет"

Кафедра физики твердого тела

Методические указания

к практическим работам

по дисциплине «Тонкопленочные материалы и устройства»

для студентов направления 223200.68 «Техническая физика» (магистерская программа подготовки «Прикладная физика твердого тела») очной формы обучения

Воронеж 2013

Составитель канд. физ.-мат. наук Л.И. Янченко

УДК 539.21

Методические указания к практическим занятиям по курсу «Тонкопленочные материалы и устройства» для студентов направления 223200.68 «Техническая физика» (магистерская программа подготовки «Прикладная физика твердого тела») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Л.И. Янченко. Воронеж, 2013. 15 с.

В методических указаниях приводятся краткие теоретические сведения, темы практических занятий и самостоятельных работ.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 223200.68 «Техническая физика» (магистерская программа подготовки «Прикладная физика твердого тела»), дисциплине «Тонкопленочные материалы и устройства».

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле Мет.практика.doc.

Предназначены для студентов пятого курса.

Ил. 4. Библиогр.: 28 назв.

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. В.А. Юрьев

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Ю.Е. Калинин

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013

Тонкопленочные материалы и устройства

Относительно недавно в связи с общим развитием экспериментальной техники (в частности вакуумной техники) и радиоэлектроники внимание физиков привлекли новые, ранее не исследованные объекты которые получили название тонкие плёнки. Данные объекты представляют собой чрезвычайно тонкие плёнки нанесённые на подложку, толщина которых измеряется сотнями нанометров.

Оказалось, что объекты, имеющие столь малые размеры, кардинально меняют свои свойства. С тонкими плёнками связаны такие явления, как технологии получения высокого вакуума, процессы и различные механизмы формирования пленок, многокомпонентные системы, технологические аспекты напыления, методы исследований, получения подложек и другие. Исследование данных объектов имеет решающее значение для совершенствования микроэлектронных устройств и для науки в целом.

Хорошо известно, что свойства тонкой пленки могут сильно отличаться от свойств массивного материала, особенно если толщина пленки очень мала (рис. 1). Эти «аномальные» свойства обусловлены спецификой структуры пленки, которая, в свою очередь, обусловлена процессами, происходящими во время образования пленки. Тонкую пленку можно получить с помощью таких простых процессов, как ковка или прокатка массивного куска материала. Однако чаще тонкие пленки получают путем осаждения материала на подложку, атом за атомом. В качестве примеров можно привести получение жидкой или твердой пленки путем конденсаций из паровой фазы или электролитическое осаждение металлической пленки из раствора. При таком осаждении происходит фазовый переход. Наиболее понятен процесс образования пленки при конденсации из паровой фазы. Получение тонких пленок с помощью вакуумного напыления или газотранспортных реакций представляет наибольший интерес с точки зрения практики.

Рис. 1. Типовая зависимость удельного сопротивления пленки от толщины

Конденсация означает переход из газообразного состояния в жидкое или твердое. С точки зрения термодинамики, для того, чтобы произошла конденсация, необходимо только, чтобы парциальное давление материала пленки в газовой фазе было равно или больше равновесного давления паров этого материала над конденсированной фазой при данной температуре. Однако это справедливо только в том случае, если имеет место конденсация на уже сконденсированный материал пленки или на подложку из того же материала. В общем случае подложка по своей химической природе отличается от материала пленки. При этом необходимо рассматривать еще и третью фазу, а именно, адсорбированную, в которой атомы пара уже адсорбированы на подложку, но еще не связаны с другими адсорбированными атомами. Конденсация начинается с соединения нескольких адсорбированных атомов в небольшие скопления, которые называются зародышевыми центрами, или зародышами, а процесс их образования — зародышеобразованием. Так как маленькие частицы обладают более высоким давлением паров, чем массивный ма­териал при тех же условиях (уравнение Гиббса— Томсона), для того чтобы произошло образование зародыша, необходима степень пересыщения больше единицы. Процесс увеличения зародышевого центра и образование, в конце концов, однородной пленки называется ростом пленки. Часто образование зародышей и рост происходят одновременно в процессе образования пленки. Процесс конденсации недостаточно рассматривать просто как случайное падение на подложку липких пробковых шариков, которые прилипают там же, где упали. Наоборот, адсорбированные атомы обладают достаточно большой поверхностной подвижностью, и в результате ярко выраженные островки из материала пленки на подложке образуются даже спустя длительное время после образования зародышевых центров. В конце концов, эти островки сливаются и образуют непрерывную пленку, но это происходит только после того, как средняя толщина пленки составит несколько атомных слоев.

В основу классификации видов роста кристаллических плёнок положены качественно морфологические признаки. В настоящее время принято разделение на три основных вида по характерным структурным и морфологическим превращениям, происходящим на всех стадиях роста.

Так же, на сегодняшний день, теоретические модели влияния зарядов и электромагнитных воздействий на процессы роста тонких пленок находятся в зачаточном состоянии. По-видимому, будущий прогресс, как в теоретическом описании, так и в практическом приложении лежит именно в этой области. Дальнейшего развития требует теория зарождения многокомпонентных систем. Построение строгой теории, позволяющей заранее рассчитывать состав образующихся пленок, еще далеко от завершения. Серьезного исследования требует теория перехода пар-жидкость-кристалл с учетом изменения внутренней симметрии. Особый интерес представляет объяснение причины возникновения столь разнообразных структур при росте пленок из расплавов эвтектического состава.

Просуммировав всё вышеизложенное можно сказать, что фронт исследований физики поверхности и процессов образования на ней новой фазы необычайно широк и требует тщательного изучения.

Уже более тридцати лет развитие физики и технологии тонких полупроводниковых пленок и тонкопленочных структур оказывает существенное влияние на успехи современной электронной техники.

Удивительный прогресс в микро- и оптоэлектронике, оптике и в других областях техники, преобразивший информационный мир за короткий период, непосредственно связан с развитием тонкопленочных технологий. При выращивании пленок экспериментаторы и технологи вынуждены контролировать целый ряд параметров, таких, как материал и структура подложки, ее температура, состав пара, интенсивность его поступления. Обычно эти параметры подбирают эмпирически для получения нужных структуры и состава пленки. В последнее время требуется получать все более и более сложные пленки как по составу, так и по структуре, например высокотемпературные сверхпроводящие пленки, пленки материалов с исключительно низкими зна­чениями плотности насыщенного пара (TiN, GaN), пленки, содержащие квантовые нити и квантовые точки, и т.д., что невозможно без анализа сложных физических явлений, протекающих в процессе роста тонких пленок.

Изучение механических, электрических, магнитных и теплофизических свойств пленок, позволило установить ряд особенностей, процессов в тонких пленках. Физические процессы в тонких пленках протекают иначе, чем в массивных материалах или толстых пленках.

Незначительные для массивных материалов структурные дефекты в тонких пленках могут оказать весьма существенное влияние на ее характеристики ввиду малого значения их толщины. А также, в тонких пленках возможны эффекты, которые вовсе отсутствуют у массивных структур материалов.

Отличительные особенности, возникшие при исследовании тонких пленок, привели к тому, что в настоящее время физику тонких пленок можно рассматривать, как вполне оформившееся научное направление. Результатом научно-исследовательских и конструкторских работ, стало широкое использование тонких пленок в микроэлектронике в качестве активных и пассивных элементов микросхем, элементов магнитной памяти ЭВМ и криотронов. Пленки заняли свое место среди отражающих и поглощающих покрытий, детекторов радиации, оптических систем и многих других сфер деятельности человека. Развитие физики тонких пленок и пленочного материаловедения стимулируется расширением круга задач, решаемых микроэлектроникой.

Практическое занятие № 1