Выращивание кристаллов : выращивание кристаллических пленок методом магнетронного напыления

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2936 

Кафедра материаловедения полупроводников и диэлектриков 

 
 
 

Выращивание кристаллов 

Выращивание кристаллических пленок 
методом магнетронного напыления 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва 2017 

УДК 621.793 
 
В92 

Р е ц е н з е н т  
д-р физ.-мат. наук, проф. Е.К. Наими 

А в т о р ы :  Ю.Н. Пархоменко, В.В. Антипов, Р.А. Жуков, 
О.М. Кугаенко, В.С. Петраков 

 
 
 
Выращивание кристаллов: выращивание кристаллических 
В92 пленок методом магнетронного напыления: лаб. практикум / 
Ю.Н. Пархоменко [и др.]. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 
2017. – 54 с. 
 

Практикум включает в себя материал, необходимый для подготовки и проведения лабораторной работы по выращиванию кристаллических пленок методом 
магнетронного напыления по курсу «Выращивание кристаллов». Изложены основы теории магнетронного напыления, дано описание аппаратуры, методик напыления и оценки качества полученных кристаллических пленок. 
Цель лабораторного практикума – приобретение студентами теоретических знаний и практических навыков по напылению монокристаллических 
пленок с применением метода магнетронного распыления в постоянном и 
высокочастотном электромагнитном поле. В процессе выполнения лабораторной работы студенты осваивают теорию и метод выращивания кристаллических пленок путем магнетронного напыления, овладевают навыками выбора материала и подготовки подложки для эпитаксиальной кристаллизации, 
осваивают методику работы и напыляют пленки на установке магнетронного 
напыления SunPla-40, исследуют структуру и проводят анализ влияния технологических факторов на структуру и физические свойства выращенных 
кристаллических пленок. 
Лабораторный практикум предназначен для студентов, обучающихся по направлению подготовки магистров 22.04.01 «Материаловедение и технология материалов» по программе «Кристаллы квантовой и оптической электроники». 

УДК 621.793 

 
 Коллектив авторов, 2017 
 
 НИТУ «МИСиС», 2017 

СОДЕРЖАНИЕ 

1. Цели и задачи лабораторной работы .................................................. 4 
2. Теоретическое введение. Физические аспекты получения 
тонкопленочных структур методом магнетронного напыления .......... 5 
2.1. Теоретические основы процесса магнетронного напыления .... 5 
2.2. Методы получения тонкопленочных структур, их 
преимущества и недостатки ................................................................ 9 
2.3. Механизмы эпитаксиального роста тонких пленок ................. 12 
2.4. Основные источники образования структурных 
дефектов. Особенности гетероэпитаксии ......................................... 15 
2.5. Физические основы технологии магнетронного 
распыления .......................................................................................... 18 
2.6. Принципиальная схема магнетронной распылительной 
системы. Основные рабочие характеристики 
магнетронного напыления ................................................................. 28 
2.7. Возможности и преимущества магнетронного 
нанесения пленок ................................................................................ 33 
3. Принцип работы магнетронных установок напыления .................. 36 
3.1. Производственная чистота технологического процесса 
получения эпитаксиальных пленок .................................................. 36 
3.2. Методика подготовки поверхности образцов 
подложки для выращивания пленок ................................................. 37 
4. Методика выполнения лабораторной работы 
по магнетронному напылению .............................................................. 41 
4.1. Методика магнетронного напыления 
и описание установки SunPla-40 ....................................................... 41 
4.2. Порядок выполнения лабораторной работы. 
Технологический цикл нанесения покрытий ................................... 46 
4.3. Определение характеристик выращенных пленок ................... 47 
4.4. Требования к отчету о выполнении лабораторной работы ..... 49 
Контрольные вопросы ............................................................................ 50 
Библиографический список ................................................................... 51 
Приложение 1. Основные физические константы ............................... 52 
Приложение 2. Ведомость процесса выращивания кристаллических 
пленок на установке магнетронного 
распыления SunPla-40 ............................................................................ 53 
 

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ 
ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ  

1. Получение теоретических знаний и практических навыков по 
выращиванию монокристаллических пленок (МП) путем эпитаксиальной кристаллизации с применением метода магнетронного напыления в постоянном и высокочастотном электромагнитном поле. 
2. Овладение навыками выбора материала и подготовки поверхности подложки для эпитаксиальной кристаллизации МП. 
3. Освоение методики работы на установке магнетронного напыления SunPla-40 и выращивание кристаллических пленок. 
4. Исследование структуры и физических свойств выращенных 
кристаллических пленок. 
5. Анализ влияния технологических факторов процесса напыления на структуру и физические свойства МП. 

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ. 
ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОЛУЧЕНИЯ 
ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР МЕТОДОМ 
МАГНЕТРОННОГО НАПЫЛЕНИЯ 

2.1. Теоретические основы процесса 
магнетронного напыления 

Разработка технологии нанесения металлических и диэлектрических 
пленок на различные поверхности актуальна для получения новых перспективных материалов как для микроэлектроники, так и для устройств 
наноэлектроники. Пленки малой толщины используются при нанесении 
резистивных и проводящих покрытий в промышленности и при изготовлении элементов интегральных микросхем в микроэлектронике, при 
формировании контактов для изучения электрических свойств новых 
материалов, при создании светофильтров, отражающих и светопроводящих покрытий оптоэлектроники, в современных литографических 
процессах. Разработаны оптические просветляющие и упрочняющие 
алмазоподобные DLC-покрытия (Diamond Like Carbon) для прецизионного машиностроения и других высокотехнологичных отраслей производства, срок службы таких изделий увеличивается в 5–20 раз (в зависимости от обрабатываемого материала).  
Вопросы, связанные с механизмами роста пленок, становятся чрезвычайно важными для оптоэлектроники при создании гетероструктур и 
многослойных структур, для которых требуется высокая степень однородности состава при толщине менее 100 Å. Актуально создание тонкопленочной наноградиентной оптики путем нанесения чередующихся 
диэлектрических слоев толщиной от несколько десятков до ста нанометров, при общей толщине структуры не более одного микрона. 
Основные методы получения тонкопленочных структур – термовакуумное (резистивное) напыление, электронно-лучевое напыление 
(молекулярно-лучевая эпитаксия), лазерное испарение (абляция), вакуумно-дуговое испарение, магнетронное напыление – приведены в 
табл. 2.1. До середины 70-х годов прошлого столетия тонкие слои наносились на подложки в вакууме в основном методом термического 
испарения исходного материала или химическими методами осаждения. Наиболее перспективными в настоящее время являются магнетронные распылительные системы, которые широко используются в 
технологиях нанесения покрытий вакуумно-плазменными методами.

Таблица 2.1 

Методы нанесения тонкопленочных покрытий 

Наименование 
метода 
Условия 
реализации метода 
Основные виды 
покрытий 
Преимущества 
метода 
Недостатки метода 

Термовакуумное 
(резистивное) 
испарение 

Рабочая среда: вакуум 
10–2...10–3 Па. 
Испарение металлов 
резистивным нагреванием 

Металлические покрытия: 
Al, Ag, Cu, Zn, Cd, Cr, Ni, 
Co, Si 

Высокая скорость осаждения. 
Возможность получения толстых покрытий. 

Недостаточно плотная структура покрытий. Невысокие 
механические свойства. Аморфные или 
поликристаллические пленки 

Электронно-лучевое 
испарение. 
Молекулярнолучевая эпитаксия 

Рабочая среда: вакуум 
10–4...10–3 Па, реактивные 
газы N2, O2, CH4. 
Испарение металлов сфокусированным электронным пучком с дополнительной ионизацией 

Металлические покрытия: 
Al, Ag, Cu,Ti, Cr, Ni, Co, Si.
Керамические покрытия: 
TiN, ZrN, TiC, ZrC, TiCN, 
ZrCN, Al2O3, TiO2, SiO2, 
ZrO2, ZrO2/Y2O3 

Высокая скорость осаждения. 
Возможность получения толстых монокристаллических 
покрытий (до 200 мкм). Высокая чистота покрытий (минимум примесей). 

Трудно обеспечить 
равномерность толщины и стехиометрии на изделиях 
сложной конфигурации. Низкая степень 
загрузки объема 
рабочей камеры.  

Лазерное 
испарение 
(абляция) 

Рабочая среда: вакуум 
10–5...10–3 Па. 
Испарение материалов 
различного состава лазерным импульсом длительностью от микросекунд до 
фемтосекунд 

Покрытия для микроэлектроники: Sb2S3, As2S3, 
SrTiO3, BaTiO3, GaAs. 
Алмазоподобные покрытия 
(DLC) с высокими характеристиками 

Получение покрытий сложных 
соединений. Высокая чистота 
покрытий (минимум примесей). Возможность получать 
монокристаллические пленки. 

Сложность 
реализации.