Физика и технология тонких пленок О.С. Трушин Ярославль,

Физика и технология тонких пленок О.С. Трушин Ярославль, 2010

План Введение Методы нанесения пленок Эпитаксиальный рост Поверхностная диффузия Режимы эпитаксиального роста Гетероэпитаксиальные структуры Формирование текстуры Заключение

Введение Тонкие пленки в электронике (активные элементы, межсоединения) Тонкие пленки в оптике Тонкие пленки в технологии полупроводниковых лазеров Тонкие пленки в системах записи информации Тонкие пленки для создания плоских экранов

Введение: Применения тонких пленок Thin Film – thickness < 1 m

Основные методы получения пленок Электрохимическое осаждение Жидкофазная эпитаксия Напыление в вакууме - PVD (physical vapor deposition) Химическое осаждение пленок из газовой фазы – CVD (chemical vapor deposition)

Напыление пленок в вакууме (PVD) Термо-вакуумное напыление Молекулярно-лучевая эпитаксия Электронно-лучевое испарение Ионно-плазменное распыление Магнетронное распыление Лазерная абляция

Термо-вакуумное напыление

Молекулярно-лучевая эпитаксия

Электронно-лучевое испарение

Магнетронное распыление

Лазерная абляция

Химическое осаждение из газовой фазы Химическое осаждение из газовой фазы CVD Плазмохимическое осаждение с использованием металлоорганики MO CVD

Химическое осаждение из газовой фазы CVD

Экспериментальные методы мониторинга процессов роста пленок RHEED – Reflection High Energy Electron Diffraction LEED – Low Energy Electron Diffraction HAS – Helium Atom Scattering X-ray diffraction TEM – Transmission Electron Microscopy AFM – Atomic Force Microscopy STM – Scanning Tunneling Microscopy

Reflective High Energy Electron Diffraction (RHEED) STM, diffraction pattern and RHEED of Fe/Fe(001) growth

Low Energy Electron Diffraction (LEED) Low-energy electron diffraction (LEED) is a technique for the determination of the surface structure of crystalline materials by bombardment with a collimated beam of low energy electrons (20-200eV) and observation of diffracted electrons as spots on a fluorescent screen.

Helium Atom Scattering (HAS) HAS is unique in that it does not penetrate the surface of the sample at all!

Transmission Electron Microscopy a) Пар – Кристалл , b) Пар – Жидкость - Кристалл

Сканирующая туннельная (СТМ) и атомно-силовая (АСМ) микроскопия Nobel Prize in Physics, 1986 Gert Binnig and Heinrich Rohrer IBM Research Laboratory in Switzerland,.

Уникальные достижения СТМ

Surface diffusion The Ehrlich-Schwoebel barrier ES Cu/Cu(110)

Эволюция поверхности после напыления Cu/Cu(111)

Моделирование поверхностной диффузии методом молекулярной динамики (MD) 5 Cu atoms / Cu(111) T=300 K, 10^6 MD steps Main observation – Periodic change of cluster orientation

Атомные механизмы диффузии Моделирование методом молекулярной статики

Теория переходных состояний для описания диффузии Диффузия – активационный процесс

Моделирование поверхностной диффузии методом Кинетического Монте-Карло (KMC)

Моделирование поверхностной диффузии методом Кинетического Монте-Карло

Basic mechanisms of growth Adsorption of atoms from gas Cluster formation Critical size islands growth Coalescence of neighboring islands Percolation of island network Continuous film growth h>300 A

Рост пленок Ge/Si(111)

Режимы эпитаксиального роста пленок

Энергия поверхности The surface tension,  , is defined as the reversible work done in creating unit area of the surface

Wulff construction Shape = envelope (inner) of planes Pb crystal: a) 300 C, b) 320 C, c) 327 C

Термодинамика роста пленок Рост пленок – неравновесный процесс Кинетические факторы конкурируют с термодинамикой Приближение локального равновесия Рост слоя :  = 0, S> F+ S/F Островковый рост:  > 0, S< F+ S/F Условия смачивания:

Капилярная модель образования зародыша В условиях равновесия Изменение химического потенциала при давлении p Изменение энтальпии при образовании 3-х мерного зародыша из n - атомов Entalpy

Кинетические факторы роста пленок Some kinetic effects that may play a role in the incorporation of deposited adatoms. (a) Downhill funneling: the deposited particle slides down a slope until a local minimum of the surface height is reached. (b) Knockout process: the momentum of the arriving particle suffices to push out a surface adatom at a terrace edge. (c) Steering effect: attractive forces can influence the trajectory of the arriving particle significantly.

Морфология тонких пленок Roughening transition

Гетероэпитаксиальные структуры

Межслойная диффузия и формирование сплава на поверхности (a) vapor deposition of Pt onto Ru(0001) (b) annealing to 1350 K Driving force: segregation energetic deposition

Релаксация упругих напряжений

Сравнение теории с экспериментом

Двумерная атомная модель для исследования процессов зарождения дефектов Modified Lennard-Jones potential

Атомные механизмы релаксации

Модель погруженного атома (EAM) S.M. Foiles, M.I. Baskes, M.S. Daw PRB 33 , 7983 (1986) Atomic electronics density Repulsive potential Local electronic density

Cu/Ni(111) f=2.6 %

Ag/Pd(111) f=5.1%

Pd/Ag(111) f=-4.8%

Формирование текстуры

Анализ структуры пленок методом рентгеновской дифракции

Заключение Напыление пленок важный технологический процесс современной микро и наноэлектроники Качество пленки определяется ее кристаллическим совершенством Режим роста пленки определяется совокупностью технологических условий Поверхностная диффузия важнейший процесс для обеспечения кристаллического роста Релаксация упругих напряжений в гетероэпитаксиальных структурах приводит к образованию дефектов

Вопросы на экзамен 1) Технологии получения тонких пленок. Преимущества и недостатки разных методов получения пленок. 2) Эпитаксиальный рост. Режимы роста пленок. 3) Поверхностная диффузия 4) Гетероэпитаксиальные системы. Методы получения и применения в технике. 5) Релаксация упругих напряжений в тонких пленках. Дислокации несоответствия. Критическая толщина. 6) Методы экспериментальных исследований тонких пленок. Электронная микроскопия. Атомно-силовая микроскопия. Рентгеновская дифрактометрия.Текстура роста.

References К. Оура и др. Введение в физику поверхности, М. Наука 2006 I. Markov Crystal growth for beginners, World Scientific 2003 J. A. Venables Introduction to Surface and Thin Film Processes , Cambridge Univ. Press, 2001. H. Luth Surfaces and Interfaces of Solid Materials , Springer 1998.