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. 
Молекулярно-
лучевая 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. 

Окончание табл. 2.1 

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

Вакуумно-дуговое 
испарение 

Рабочая среда: вакуум 
10–3...10–2 Па. Реактивные 
газы N2, O2, CH4; 
Р = 0,01...1 Па, 
Т = 300...600 °С. 
Испарение металлов в катодном пятне дугового 
разряда. Осаждение покрытий с высокой степенью 
ионного воздействия 

Металлические покрытия: 
Ti, Zr, Hf, Cr, Ta, Ni, Co,Si, 
MCrAlY (M = Ni, Co) 
Керамические покрытия: 
TiN, ZrN, CrN, TiC, TiCN, 
ZrCN, TiAlN, AlCrN, TiO2, 
ZrO2. 
Нанокомпозиты: 
TiAlN/Si3N4, AlCrN/Si3N4. 
Покрытия DLC 

Высокая скорость осаждения. 
Относительная простота технической реализации. Эффективная ионная очистка изделий перед нанесением покрытий. Высокие свойства керамических покрытий. 

Наличие в структуре 
покрытий микрокапельной металлической фазы. Относительно высокие температуры осаждения 
покрытий. 

Магнетронное 
распыление 

Рабочая среда: чистые газы 
Ar, N2, O2, CH4; 
Р = 0,05…1 Па, 
Т = 60...6000 °С. 
Ионное распыление металлов в магнетронном разряде 

Полный спектр металлических покрытий: Al, Ag, Au, 
Cu, Zn, Sn, Cd, Ti, Zr, Hf, 
Cr, Ta, Ni, Co, Si, MCrAlY
(M = Ni, Co). Керамические 
покрытия: TiN, ZrN, CrN, 
TiC, TiCN, ZrОN, TiAlN, 
AlCrN, TiBN CrAlTiYN, 
TiO2, ZrO2, Al2O3, SiO2. 
Нанокомпозиты: 
3D: TiAlN/Si3N4,TiN/BN, 
AlCrN/Si3N4, ZrN/Cu, 
ZrO2/Al2O3. 
2D: TiN/NbN, TiN/CrN, 
TiN/AlN, TiN/CN. 
Покрытия DLC 

Плотная микро-, нано- и монокристаллическая структура 
металлических и керамических покрытий при полном 
отсутствии капельной фазы. 
Возможность нанесения покрытий на термочувствительные материалы при низких 
температурах. 
Наиболее широкий спектр 
покрытий различного назначения, гетероструктур и многослойных структур, высокая 
скорость осаждения, монокристалличность металлических 
и керамических покрытий. 

Относительная 
сложность технической реализации 
метода при получении реактивных 
(керамических) покрытий. 
Относительно высокая стоимость оборудования 

Разработка магнетронов в 20–30-е годы XX в. связана с именами 
известных физиков: А. Халла (США), А. Жачека (Чехия), М.А. БончБруевича, Н.Ф. Алексеева, Д.Е. Малярова (СССР). Магнетрон – 
электровакуумный прибор, мощный генератор электромагнитных 
волн, в котором управление электронным потоком осуществляется с 
помощью магнитного поля. Применение магнетронного разряда для 
распыления и нанесения покрытий предложено голландским физиком Ф.М. Пеннингом. В начале 70-х годов прошлого века было изобретено планарное магнетронное распыление.  
Планарная технология (planar – плоский) – основа микроэлектроники, включающая совокупность способов изготовления полупроводниковых приборов и интегральных схем путем формирования их 
структур только с одной стороны пластины (подложки), вырезанной 
из монокристалла. Технология основана на создании в приповерхностном слое подложки областей с различными типами проводимости 
или с разными концентрациями примеси одного вида, образующих 
структуру полупроводникового прибора. Планарная технология 
обеспечивает возможность одновременного изготовления в едином 
технологическом процессе огромного числа (до нескольких сотен и 
даже тысяч) дискретных полупроводниковых приборов или интегральных микросхем на одной подложке. Наличие на одной стороне 
пластины выходов всех областей позволяет осуществить их коммутацию в соответствии с заданной схемой с помощью пленочных металлических проводников. Групповая обработка обеспечивает хорошую воспроизводимость параметров приборов и высокую производительность при сравнительно низкой стоимости изделий. 
Принцип технологии магнетронного напыления основан на распылении поверхности катода-мишени ускоренными ионами рабочего 
газа, образующимися в плазме тлеющего разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, и формировании потоков атомов материала мишени в направлении поверхности, на которую осаждается 
пленка. Разработка систем магнетронного напыления была вызвана 
необходимостью увеличения скорости распыления материалов и, соответственно, скорости осаждения покрытий, а также уменьшения 
давления в технологическом объеме для снижения концентрации загрязнений в растущей пленке. Вскоре после разработки и создания 
промышленных магнетронных распылительных систем (МРС) произошли большие изменения в технологии нанесения тонких пленок. 
МРС позволяют распылять практически все виды материалов, как 
проводящих, так и мишеней из непроводящих материалов, включая 

металлы и сплавы, простые и сложные диэлектрики, полупроводники 
и керамику. Напыляемые материалы могут сочетаться в различных 
комбинациях и в виде многослойных покрытий, причем толщина может составлять от десятков нанометров до десятков и сотен микрон. 
Конструктивные принципы построения магнетронных устройств 
позволяют достаточно просто реализовать задачу нанесения однородных покрытий на широкоформатные поверхности. Однако для 
каждого материала наносимого покрытия необходима разработка 
конфигурации магнитного поля над поверхностью катода, а также 
пространственного распределения характеристик плазмы в магнетронной распылительной системе. Метод магнетронного распыления 
позволяет контролировать параметры плазмы, и, как следствие, изменение условий осаждения пленки, определяющих электрофизические и структурные свойства наносимого покрытия, в широком диапазоне. Наибольший диаметр подложек выращиваемых для промышленного применения кристаллов (при изготовлении, например, 
интегральных схем), равен 300…450 мм (в разработке 600 мм) для 
кремния, 50…200 мм – для арсенида галлия, 10…50 мм – для нитрида галлия. Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %). 
Эпитаксиальный процесс ориентированного роста кристаллов на 
кристаллической поверхности с середины XX в. широко внедрен в 
производство полупроводниковых электронных приборов для обеспечения рабочих характеристик и малых размеров приборов. Годовой объем выпуска различных типов эпитаксиальных структур в настоящее время составляет ориентировочно несколько сот миллионов 
квадратных сантиметров.  
Основные физические константы, необходимые для анализа процесса магнетронного напыления, представлены в прил. 1. 

2.2. Методы получения тонкопленочных 
структур, их преимущества и недостатки 

Условия реализации методов получения тонкопленочных структур различных материалов представлены в табл. 2.1. Классическим 
методом создания тонкопленочных структур является термовакуумное (резистивное) испарение и конденсация в сверхвысоком вакууме. Процесс испарения и качество нанесенных пленок в значительной мере определяются типом и конструкцией испарителей, которые 
могут иметь резистивный или электронно-лучевой нагрев. Резистивным нагревом называют нагрев электропроводящего тела, обладающе

го высоким электрическим сопротивлением, при прохождении через 
него электрического тока. Условной, практически установленной 
температурой испарения считается температура, при которой давление насыщенного пара вещества составляет приблизительно 1,3 Па 
(1 Па = 0,0075 мм рт. ст.). Однако при вакуумном испарении структура тонких пленок металлов или элементарных полупроводников 
обычно получается поликристаллической или аморфной, т.е. невозможно получить монокристаллическую пленку с определенной кристаллографической ориентацией поверхности. Особые сложности 
заключаются в технологии многослойных структур и связаны с необходимостью обеспечения высокого качества роста материалов 
слоистых структур и совершенства границ раздела между материалами для достижения планируемых физических свойств. 
Для получения высококачественных тонких пленок и многослойных структур используют чаще всего механизмы эпитаксиального 
роста материала пленки на соответствующей монокристаллической 
подложке. Эпитаксия (от греч. «эпи» – на, над, при, и taxis – расположение) – ориентированный рост одного монокристалла на поверхности другого (подложки). Эпитаксия определяется условием сопряжения кристаллических решеток кристалла и подложки. Наибольшее 
распространение получил метод молекулярно-лучевой эпитаксии 
(МЛЭ), позволяющий формировать совершенные монокристаллические слои различных материалов на нагретой подложке в условиях 
сверхвысокого вакуума. К настоящему времени накоплен достаточно 
большой объем как теоретических исследований, так и практических 
работ в этой области. Одним из основных требований проведения молекулярно-лучевой эпитаксии является обеспечение высокого вакуума в 
ростовой камере – 108…10–10 мм рт. ст., или 1,33  10–6…1,33  10–8 Па 
(1 мм рт. ст = 133 Па). Средняя длина свободного пробега атомов без 
столкновений должна превышать расстояние от источника до подложки. Метод успешно применяется для выращивания тонких пленок полупроводников, металлов, диэлектриков, магнитных материалов, высокотемпературных сверхпроводников, полупроводниковых 
сверхрешеток и многослойных магнитных структур и др.  

Под термином «сверхрешетка» принято понимать твердотельную 

структуру, в которой помимо периодического потенциала кристаллической решетки имеется дополнительный потенциал, период которого существенно превышает постоянную решетки. В последние годы все большее распространение для выращивания полупроводниковых сверхрешеток приобретает технология роста из газовой фазы с 

использованием металлоорганических соединений (РГФ МОС), где 
используется процесс эпитаксиального роста материалов на нагретой 
подложке при термическом разложении металлорганических соединений. Механизмы роста в методе РГФ МОС изучены не так глубоко, как в МЛЭ, однако этим методом успешно выращивают большинство полупроводниковых соединений типа AIIIBV, AIIBIV и AIVBVI. 
Из методов эпитаксиального роста для получения полупроводниковых сверхрешеток может быть использована и жидкофазная эпитаксия, при которой монокристаллические слои получают из контактирующих с подложкой пересыщенных растворов. С понижением 
температуры избыточное количество полупроводника осаждается из 
раствора на подложку, что связано с уменьшением растворимости 
полупроводникового материала. Наилучшие результаты дает жидкофазная эпитаксия для полупроводниковых соединений типа AIIIBV и 
их твердых растворов. Многослойные полупроводниковые структуры получают в многокамерных реакторах для жидкофазной эпитаксии созданием последовательных контактов подложки с разными 
расплавами. 
В методе лазерного испарения вещество нагревается с помощью 
сфокусированного излучения лазера, находящегося вне вакуумной 
камеры, с высокой локальностью нагрева небольшого участка испаряемого вещества, что позволяет исключить загрязнения из разогретых частей обычных испарительных систем. Метод отличается точной фокусировкой светового пятна с помощью оптических систем; 
высокой плотностью энергии в луче (108…1010 Дж/см2), достаточной 
для испарения любого непрозрачного материала; точной дозировкой 
энергии излучения.  
В технологии магнитных многослойных структур применяют различные методы электролитического осаждения. Тонкие магнитные 
пленки и многослойные магнитные структуры могут быть получены 
различными методами напыления, включая высокочастотное и магнетронное распыление. Эти методы позволяют получать слои практически любого состава.  
Термовакуумные методы напыления имеют следующие недостатки. 
1. Низкая скорость осаждения покрытий. Для большинства методов напыления, кроме магнетронного, она составляет 1…2 нм/с. 
2. Невозможность получения монокристаллических пленок. 
3. Недостаточно плотная структура покрытий. Неравномерность 
толщины и стехиометрии пленок на изделиях сложной конфигурации. Невысокая воспроизводимость свойств пленок.