На примере железо - иттриевого граната (ЖИГ)

На примере железо - иттриевого граната (ЖИГ) удается показать, что при распылении происходит не только частичная диссоциация исходного соединения, но и изменение валентного состояния элементов.

На рис. 13 видно, что элементный состав плёнки имеет явно выраженную зависимость от температуры подложки и энергии ионов первичного пучка.

Эти факты иначе, как диссоциацией исходного вещества при распылении объяснить не удаётся.

Анализ вещества, поступающего на подложку, с помощью метода масс-спектрометрии вторичных ионов показал, что масс-спектры мишени ЖИГ содержали ионы, соответствующие элементам граната и продуктам реакции: Y⁺,YO⁺,Y₂⁺,Y₂O⁺, Y₂O₂⁺,Y₂O₃⁺, Fe⁺, FeO⁺, FeO⁺, Fe₂⁺, Fe₂O⁺, Fe₂O₂⁺, Fe₂O₃⁺.

* - Мольная доля Fe

** - Отклонение от стехиометрии в формуле по Fe, %

а	б

Рис. 13. Зависимость мольной доли железа в плёнке, осаждённой с использованием источника типа “Луч”: а - от температуры подложки; б - от энергии первичных ионов аргона

Результаты анализа показывают, что молекулы феррит - граната диссоциируют как на оксиды, так и на отдельные атомы. Эти результаты можно перенести с большой степенью вероятности и на процесс распыления плёнок, где энергия ионов аргона составляет 1-3 кэВ, так как в диапазоне энергий до 10 кэВ характер взаимодействия ионов с веществом не меняется.

Рис. 14. Оже-электронные спектры мишени железоиттриевого граната после обработки ионами аргона с энергией 1 кэВ: а - время обработки 10 мин; б - время обработки 40 мин

Метод не позволяет зарегистрировать целиком молекулу ЖИГа Y₃Fe₅O₁₂ (из-за большой массы). Но поскольку в спектре не наблюдалась молекула ортоферрита YFeO₃, которая является обязательной промежуточной стадией синтеза и распада граната, можно заключить, что молекулы граната в поступающих на подложку частицах нет.

Из состава распылённых элементов видно, что может изменяться не только химический состав, но и валентное состояние элементов в результате процесса распыления.

Анализ Оже-спектров поверхности ЖИГ после распыления, представленных на рис. 14, показал, что в спектре мишени присутствует только окисленное железо. Анализ расщепления Оже-линии железа M₂₃VV свидетельствует об образовании на поверхности a-Fe₂O₃. Отсутствие в спектрах мишени линии иттрия может быть объяснено с одной стороны различием в коэффициентах распыления между иттрием и железом и селективным распылением иттрия с другой. Аналогичные данные были получены и при ионном стравливании плёнок Y₃Fe₅O₁₂, где концентрация иттрия также резко уменьшалась и иттрий в ряде случаев совсем исчезал из спектра после бомбардировки поверхности ионами аргона.

Уменьшение концентрации иттрия на поверхности мишени хорошо кореллирует с увеличением его в плёнке. Для получения стехиометрического состава ЖИГ необходимо в мишень вводить избыток железа. Этот факт также наглядно свидетельствует о диссоциации исходного вещества в процессе распыления и синтезе исходного соединения в виде пленки на подложке.

Выводы

1. При распылении однокомпонентного материала ионами инертного газа скорость распыления прямо пропорциональна плотности ионного тока.

2. При распылении в среде активного газа скорость роста плёнок, а значит скорость распыления может уменьшаться, что связано с химическими реакциями, протекающими на поверхности распыляемой мишени.

3. В составе распыляемых частиц появляются фрагменты соединений материала мишени и активного газа. Возможно изменение валентного состояния распыляемого материала.

4. При распылении многокомпонентных материалов может происходить диссоциация исходного соединения и изменение химического состава поверхности. Глубина нарушенного слоя определяется режимами распыления.

Подбором состава исходной мишени, газовой среды и режима мишени удаётся вести распыление материала в равновесном режиме распыления, обеспечивая необходимую стехиометрию пленок ЖИГ и других подобных соединений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Корж И.А., Петрова В.З., Филатова И.В. Применение ВЧ-магнетронного распыления для формирования диэлектрических пленок. М.: Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника, 1980. Вып. 4. С. 24-27.

2. Белевский В.П., Хорошилов В.И. Электронно-лучевые испарители ИЭЛ-2, ИЭЛ-3. М.: Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника, 1967. Вып. 4. С. 44.

3. Белевский В.П., Герман Л.П., Костин Е.Г., Сидоренко С.И. Коррозионная стойкость металлических пленок, полученных термоионным испарением. - В кн.: Тонкие пленки в интегральных схемах и ионные методы создания пленочных структур. Киев, 1976.

4. Белевский В.П., Белорус Н.В., Костин Е.Г., Чугаев В.Н. Влияние ионной бомбардировки в процессе осаждения пленок на формирование их структуры, электрофизические и физико-технологические свойства. - В кн.: Тонкие пленки в интегральных схемах и ионные методы создания пленочных структур. Киев, 1976. С. 65.

5. Станишевский А.В., Точицкий Э.И. Углеродные пленки, полученные импульсной конденсацией в вакууме. - Письма в ЖТФ, 1990. Том 16. Вып. 19, 76-78.

6. Саенко В.А. Устройство термоионного осаждения. - Приборы и техника эксперимента, 1985. № 3. С. 3-15.

7. Schiller S., Heisig V., Goedicke K. Alternating ion plating-a uay to high rate ion vaporous deposition. - I.Vac. Sei.Technol., 1974, v.11, №4, рp. 858-864.

8. Чопра К.Л. Электрические явления в тонких пленках. - Пер. с англ. М.: Мир, 1972.

9. Ройх И.Л., Колтунова Л.Н., Федосов С.М. Нанесение защитных покрытий в вакууме. М.: Машиностроение, 1976.

10. Технология тонких пленок / Под ред. Л. Мaиссела. М.: Советское радио, 1977. С. 74.

11. Василенко Ю.А., Кочурихин В.Е., Слепцов В.В., Кузнецов В.В., Хан Ю.С. Изучение изменений адсорбционной структуры пленок с помощью адсорбции ксенона. - Труды МХТИ. Москва, 1984. Вып. 133. С. 90-95.

12. Ивановский Г.Ф., Шкиров В.С., Слепцов В.В., Хейфец А.А. Влияние обработки потоком ионов аргона растущего на стеклянной подложке слоя CdSe на размер зерна и адгезию. - В кн.: Тонкие пленки в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем. Воронеж, 1978. С. 85.

13. Aeisenberg S., Charbot R.W. Physie s of ion plating and ich beam deposition. - I. Vac.Sei.Technol., v.10, № 1, 1973, р. 104-107.

14. Barber L. The sputtering of solicts and the creation of surface microstructure. - Vacuum, v. 24, 310, 1974, р.469-473.

15. Ефременков В.М., Юрасова В.Е. Структура эпитаксиальных пленок Si, полученных катодным распылением. - Известия АН СССР. Физика. Т. 32, № 6. 1968. С. 1056-1063.

16. Плешивцев Н.В. Катодное распыление. М.: Атомиздат, 1968.

17. Майссел Л.И. Нанесение тонких пленок катодным распылением. - В сб.: Физика тонких пленок. Т. 3. М.: Мир, 1968. С. 58-121.

18. Ивановский Г.Ф. Состояние и развитие ионной и ионно-плазменной техники в десятой пятилетке. - В кн.: Тонкие пленки в интегральных схемах и ионные методы создания пленочных структур. М.: 1976. Сер. 3. Вып. 2. С. 11-20.

19. Patten T.W., Moss R.W., Mcllanahan E.O., Pauleuicz W.T. Recent advances in materials synthesis by spytter deposition. thin Solid Films, 1981, v.83, №1, p.3-4.

20. Пат. США, кл. 427-39 (С 23 С 11/00). № 2961103. заявл. 7.11.74. № 521836, опубл. 1.06.76.

21. Минайчев В.Е. Вакуумное оборудование для нанесения пленок. М.: Машиностроение, 1978.

22. Данилин Б.С., Смирнова К.И. Формирование диэлектрических пленок при ионно-реактивном распылении. – Микроэлектроника. Т. 5. № 3. 1975. С. 286-288.

23. Светцов В.И., Тростин А.Н., Чеснокова Т.А. Катодное распыление меди в тлеющем разряде в хлоре. М.: Электронная обработка материалов, 1981. № 1, 56-58.

24. Ивановский Г.Ф., Слепцов В.В., Маишев Ю.П. Метод синтеза стехиометрических слоев селенида кадмия. - В сб.: Тонкие пленки в интегральных схемах и ионные методы создания пленочных структур. Киев, 1976.

25. Пленочная микроэлектроника. - Пер. с англ. / Под ред. Л. Холленда. М.: Мир, 1968.

26. Casamassima G., Ligonzo T., Murri R., Pinto N., Schiavulli L., Valintini A. Electronic properties of Amorphous gallium arsenide deposited by reactive sputtering. - Mater. Chem. and Phys., 1989, v.21, №3.

27. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем. – М.: Энергия, 1976.

28. Плазменная технология в производстве СБИС / Под ред. Н. Айнспрука и С. Брауна. – М.: Мир, 1987.

29. Технология СБИС / Под ред. С. ЗИ. – М.: Мир, 1986.

30. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно-плазменная обработка материалов. Радио и связь, 1986.

Содержание

Владимир Владимирович Слепцов