Майсел Л. - Справочник - Технология тонких плёнок, страница 3

!. Вакуумное испарение компонента скорости атома или молекулы газа в р-направ- лении; скорость изменения уровня поверхности испаряе- мого вещества !ю сравневию с исходным, см.с-! объем молярный объем компонента скорости атома ялн молекулы гаээ в з-направ. ленни; поперечный размер, ширина ось в ярямоугольной системе координат молярная концентрация В.составляющей сплава ось в прямоугольной системе координат ось в прямоугольной системе координат; число ближайших атомов на поверхности при адсорбцин кислорода на плен- ках металла иозффициент, характеризующий переходный поток газа ив хв— у— г— 1.

ВВЕДЕНИЕ 18 Осажденные тонкие пленки были, по-видимому, впервые получены в 1857 г. Фарадеем [1! при проведении им опытов по взрыву металлических проволочек в инертной атмосфере. Дальнейшие эксперименты по осаждению пленок были стимулированы в Х!Х-м столетии интересом к оптическим явлениям, связанным с тонкими слоями вещества, и исследованиями кинетики и диффузии газов. В 1887 г. Нарволд [2[ на примере проводок из платины продемонстрировал возможность осаждения тонких металли.

ческих пленок в вакууме с использованием джоулева тепла. Годом позже Кундт [3[ применил этот же метод для измерения показателя преломления пленок металлов. В последукнцне десятилетия тонкие пленки использовались тилько для чисто физических исследований. Только с совершенствованием вакуумного оборудования, которое позволвло организовать мас. совое производство н контроль свойств тонких осажденных пленок, последние нашли промышленное применение. За последнюю четверть века области применения тонких пленок значительно расширились. В качестве примера можно привести просветляющве покрытия, зеркала, ннтерфереи.

ционные фильтры, солнечные очки, декоратнввые покрытия на пластиках и тканях, иеиользовиине тонких пленок в электронно-лучевых трубках и совсем недавно — в производстве микроэлектронных схем, Рассмотрение с различных сторон последнего применения н является целью написания данной книги, Часто вакуумное осаждеиие тонких пленок раесмвтрявают как один процесс, однако правильнее его представлять как несколько различных процессов, а именно: 1) переход вещества нз конденсированной фазы, которая может быть твердой или жидкой, в газообразкую; 2) перенос паров ввществв в пространстве от испарителя до подложки при пониженном давлении газа; 3) конденсация паров вещества при достижении подложив. Отсюда следует, что теория вакуумного испарения должна включать термодинамику фазовых переходов, позволяющую определить равновесное давление паров вещества, а также кинетичесную теорию газов, дающую физическую микроскопическую модель протекающих процессов.

Исследо* ванне довольно сложных процессов, которые наблюдаются при обмене молекул конденсированной фазы и парэ, приводит к теории испарения, которая является дальнейшим развитием кинетической теории. На основе упомянутых теорий может быть получено распределение осажденного вещества ио поверхности, окружающей нсиаритель.

Кинетические ас. пекты процессов конденсации, представляющие самостоятельный интереа, 2. Основы термодянвмнкн н кинетической теории газов будут рассмотрены отдельно в гл. й, посвященной явлениям зародышеобразовання н росту пленок. Качественное проведение процесса нспарення н его практнческое использование для получення пленок требуют прналечення сведеннй нэ разлячных смежных днсцнплнн, ноторые помогут прн решеннн практнческнх задач. Тановымн являются конструкция нспарнтелей, вопросы контроля н автоматнзацнн процесса испарения, а также разработка спецнальной техннкн нспзрення сплавов, соединений н смесей. Для осзждення тонннх плевок необходимо спецнальное вакуумное сбору.

дованне. Вопросы вакуумной технологии являются довольно сложными н нм отдельно посвящена гл. 2 настоящей книги. 2 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ И КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ Переход твердых тел нлн жидкостей в газообразное состояние может быть рассмотрен нак с макроскопнчесной, так н с микроскопической точек зрения. В первом случае рассмотренне основывается на термодинамике н приводит к колнчественным характернстнкам скоростн испарения, взапмодействяя между кспаряемым веществом н веществом нспарнтеля, стабнльностн соеднненнй, а также нзменеяня состава сплавов в процессе испарения. Во втором случае рассмотренне основывается на кннетнчесной теории газов н предлагает фнзнческую модель процесса испарения, которая описывается свойствамн индивидуальных частнц.

Зто рассмотренне в полной мере прнменнмо для процессов откачкн газов н, следовательно, связано с содержаннем гл. 2. Несмотря на то, что термодннзмнка н квнетнческая теория газов подробно рассмотрены в ряде монографнй, некого рые разделы этнх теорий, кмеющне непосредственное отношение к вакуумному нспереняю, будут обсуждены в этой главе; здесь же будут приведены уравнения, наиболее часто применяемые для опнсання этнх процессов. А. Равновесное давление паров различных веществ В термодннамнке конденсированное в газообразное состояння вещества характеризуются функциями, которые зависят от таких макроскопнческнх параметров, кэк давленые, температуре, объем н масса.

Особое значение имеет условие термодннамнческого равйовескя, прн нотаром два состояння вещества, например конденснрованная фаза к се пар, существуют прн одной в той же темпервтуре в контакте друг с другом без каких-либо измененнй во времени. Это означает, что количество нспаряющегося вещества должно быть равно колнчеству конденснрующегося вещества эа все время, пока поддерживается равновесие. Прн этик условиях твердые тела н жядкостн харантернзуются определенным давленнем варов, которое завлсат только от температуры. На первый взгляд может показаться, что равновесное давление пара не нмеет непосредственного отношення к процессу вакуумного нсяареняя, поскольку последннй заключается в переходе вещества нз одного сосгонння в другое.

Тем не менее мккроскопнческая теории н многочнсленные экспернментэльные данные показывают, что скоростн нспареяня яе могут превышать некоторого предела. пропорцнонального равновесному давленню пара. Следовательно, давление насыщенного пара над поверхностью конленснрованной фазы является важной величиной, позволяющей оце- Гл. 1. Вакуумное нспвренме где ЬО, ЬН н ЬЗ вЂ” измененяя свободной энергии Гиббса О, знтальпин Н н энтропии 5, связанные с данным процессом. Если в качестве независимых макроскопических параметров принять давление р и температуру Т, а объем Т считать зависимой величиной, уравненне (Ц может быть преобразовано в простое термодинамнческое соотношение.

Характеристические фуннции, записанные уравнением (1), являются ненормированными н, еле. довательно, количество вещества является также нх дополнительным параметром. Для практического нспользовзнця необходнмо знать зависимость термодинамнческих функцнй от макроскопнческнх параметров. Зтн зависимости могут быть получены экспериментально нлн теоретически прн рассмотрении замкнутой снстемы н бесконечно малого отклонения ее от состояния равновесия. Такое рассмотрение прнводнт к часто используемым уравнениям в частных производных (4): дО/дТ -8 (р сопз()1 (2) до/др (/ (Т сопз1), (3) где (г — объем вещества в замкнутой системе.

Полный днфференцнел сво. бодной энергии может быть записан в виде бО ° -$6Т+ Ир. (4) Зависимость энтальпкн н энтропия от температуры прн постоянном давления определяется уравненнвми в частных производных дН/дТ = Ср1 дБ/дТ = Ср/Т, (ба) (56) где Ср — теплоемкость системы прн постоянном давлении, Изменение свободной энергии ЬО равно нулю только для обрзтнмых процессов, проясходящкх прк термоднвамяческом равновесия между двумя состояннямн. Процесс прн такнх условиях должен протекать бесконечно медленно н, следовательно, является гнпотетяческнм.

Величине ЬО является количественной мерой, определяющей возможность перехода системы нз одного состояния в другое. Знание велнчяны ЬО дает возможность определить стабильность одного состояния по огношенню к другому. Еслн ЬО двух состояний равно нулю, то такие состояния могут сосуществовать без нзмененнй н. следовательно, находиться в равноееснн.

Характерные велнчнны макроскопнческах параметров в условиях термодннамического равновесия могут быть выведенм нз условия ЬО О. В случее чистой конденсированной фазы, находящейся в контакте с ее собственяым 16 ннть способность вещества к испарению н те температуры, прн которых достнжнмы необходимые скорости нспзрения. Переход конденснрованной фазы в пзр включает в себя преобразование тепловой энергнн, подведенной к нспаряемому веществу, в механическую энергию. В соответствнн со вторым законом термодинамики эффектнвность преобразования тепловой энергии ограннчена.