ЭИПТ-1 (Сборник лекций Панфилова), страница 6

Рентгеновские лучи выбивают электроны,которые несут информацию о состоянии химических связей атомов, а измерениеэнергетического спектра эмиттированных с поверхности электронов позволяетосуществлять химический анализ приповерхностной области образца.e2Oe2e1e(работа выхода)ВалентнаязонаMLKЭнергетические уровни электронов атомаРис.34 Принцип метода электронной оже-спектроскопииВ ионно-рассеивающей спектроскопии твердых поверхностей применяютсяионные пучки низких энергий (0,1 - 1 кэВ) относительно большой интенсивности,сфокусированные в пятно малого диаметра на исследуемую поверхность и перемещаемыепо ней с помощью ионно-оптической системы. В большинстве случаев используютсяионы инертных газов.

Метод упругого обратного рассеяния легких ионов с большойэнергией, например, гелия при 1 - 3 МэВ, называемый резерфордовской спектроскопиейобратного рассеяния, используется для изучения дефектов кристаллической решеткипосле имплантации и отжига, распределения примесных атомов в кристалле и дляисследования поверхностей и тонких пленок.В методе вторичной ионной масс-спектрометрии анализируются массыраспыленных первичным ионным пучком вторичных ионов. Для этой цели обычноиспользуются квадрупольные масс-спектрометры с разрешением порядка 1 а.е.м. (атомнаяединица массы). Изображения поверхностных неоднородностей могут получаться путемпроецирования или растровым сканированием. Первичный ионный пучок используетсятакже для удаления поверхностных слоев при исследовании профилей концентрации поглубине с шагом порядка 5 нм.

Вторично-ионные масс-спектрометры могут работать как вкачестве ионного микрозонда, так и для формирования реального изображенияповерхности. Они позволяют наблюдать все химические элементы, включая водород,исследовать отдельные изотопы элемента, их номера и время жизни. По чувствительностиэтот метод превосходит электронную оже-спектроскопию и электронный зондовыймикроанализ.Таким образом, в качестве инструмента для измерений, контроля и исследованийэлектронные, ионные, оптические и рентгеновские лучи позволяют определятьгеометрические размеры вплоть до размеров отдельных атомов (0,1 - 0,3 нм), выявлятьхимический состав вещества с погрешностью до 10-4 % как на поверхности образца, так ипо всей его толщине.

Возможность получать элементы изделий с размерами 10 - 25 нмнаталкивается на явления, связанные с фундаментальными свойствами материалов,эффекты электромиграции и пробоя диэлектриков, изменения удельного сопротивления,рассеяния мощности, тепловых, механических и других характеристик. Преодоление этихограничений, свойственных микромиру, связано с поиском новых физических эффектов,как для создания микроструктур новых типов, так и разработки новых технологическихметодов.Важной особенностью применения измерения и контроля в вакууме являетсяобъединение в оборудовании технологических и аналитических операций, т.е. созданиеаналитико-технологических комплексов (рис.52).

Уникальные исследования поверхностиможно проводить только на сверхвысоковакуумном аналитическом оборудовании(Рис.53).Расчет режимов ЭИПТ и показателей качества изделийСвойства тонких пленок и качество тонкопленочных покрытий в значительноймере зависят от стадии роста пленки на поверхности подложки. Существует несколькотеорий роста тонких пленок в вакууме, из которых наибольшее практическое применениенашли термодинамическая и молекулярно-кинетическая теория.Количество осаждающихся атомов или молекул n1и задерживающихся наединице поверхности подложки на время жизни адатома (адсорбированного атома) aравноN 1 E n1  N1 a  Vо A exp дес  , шт / м2 , kT M где N1 – поток осаждающихся на единицу поверхности подложки в единицу времениатомов или молекул, атом/(м2.с);  - частота собственных колебаний адатома (1014 Гц);Eдес - энергия активации десорбции, Дж; T - температура подложки, К (условием,необходимым для образования адатома, является Ea > kT, где Ea - энергия осаждающихсяатомов или молекул (Рис.

19)).Так как температура (энергия) осаждающихся атомов или молекул большетемпературы поверхности подложки, то адатомы перемещаются (диффундируют) поповерхности и могут либо покинуть поверхность (десорбировать), либо остаться на ней.Процесс роста тонкой пленки включает в себя несколько стадий (Рис.20): 1) перемещениеадатомов по поверхности, их соединение и образование зародышей; 2) укрупнениезародышей за счет захвата новых адатомов; 3) слияние зародышей и образованиеостровков; 4) слияние островков; 5) образование несплошной пленки; 6) образованиесплошной пленки.НагревательEa>kT T, КПодложкаVо Поток атомов или молекулРис.19 Схема осаждения атомов или молекул на подложку123456Рис.20 Стадии формирования тонкой пленкиСуществует понятие «критический радиус зародыша», которое объясняет стадиюзарождения тонкой пленки: минимальное количество адатомов, при котором энергия(температура) десорбции зародыша меньше температуры поверхности подложки.Критический радиус зародыша равенrк р 8ra3или3kT ln ps prк р 2,E дисгде ra – радиус одного адатома; ps и p - давление насыщенного пара при температуреиспарения материала и температуре поверхности подложки T, соответственно;  коэффициент поверхностного натяжения (10-4 Дж/см2); Eдис - энергия диссоциациизародыша (2.103 Дж/см3).

При приведенных в скобках данных критический радиусзародыша и количество составляющих его атомов приблизительно равны:r2rк р  10 7 см  10 А и nк р  к р 2  6...7шт .raСкорость образования зародышей Vз зависит от rа и rкр, потока осаждающихся наединицу поверхности в единицу времени атомов или молекул N1, энергии активациидесорбции Eдес и диффузии Eдиф , температуры поверхности подложки T и может бытьрассчитана по следующей формуле:2 E дес  E диф  за р1  ra , 2 .Vз    N 1 exp4  rк р kT м сВремя образования зародышей равно1, с.rк2рVзТемпература поверхности подложки является одним из важнейших факторов,определяющим не только скорость образования зародышей и роста пленки, но иструктуру и свойства тонкопленочного покрытия.

Структура пленки определяетсяхарактером зависимости максимального количества устойчивых зародышей оттемпературы поверхности подложки T (Рис.21 а): при T >T0tз  E дес  E диф ,n зmax  n0 exp kTа при T< T0n зmax n0 N 1 E диф exp, kT где n0 - количество отдельных атомов, которое может поместиться на единице площадиподложки (n02.1018 шт/м2). T0 называется критической температурой, выше которойимеет место неполная конденсация, когда коэффициент аккомодации <1, время жизниадатома меньше времени диффузии (перемещения) адатома по поверхности подложкиa<диф, rкр > ra, а максимальное количество устойчивых зародышей не зависит от потокаосаждающихся атомов или молекул N1, т.е.

созданы условия для роста кристаллическойпленки. Если подложка относительно холодная (T< T0), то максимальное количествоустойчивых зародышей зависит от N1 и практически каждый осевший атом или молекулаостается на подложке, т.е. при полной конденсации 1, a>диф, rкр  ra, а пленкаполучается аморфной.lg nз, зар/м2lg n0кристаллическая(а<диф)m, кгT1 <T2 < T3аморфная(а>диф)rкрrаrкр>rа<1неполнаяконденсация1полнаяконденсацияt, с1/T1/T0Размеры зоны захвата атомов и молекула)б)Рис.21 Зависимость количества зародышей (а) и скорости увеличения массы тонкойпленки (б) от температуры подложкиИзменение размеров зоны захвата адатомов при увеличение температурыповерхности подложки объясняется увеличением или уменьшением вероятностиобразования зародышей с радиусом, равным или большим критического.

Увеличениемассы растущей пленки во времени тем больше, чем меньше температура подложки(Рис.21 б), однако после образования сплошной пленки скорость дальнейшего увеличенияее массы слабо зависит от температуры подложки.Таким образом, чтобы получить аморфную, моно или поликристаллическуюпленку необходимо правильно выбрать режимы технологического процесса: скоростьосаждения Vо, температуру поверхности подложки T (Рис.22), энергию атомов и молекули др.T, K600 МоноПоликристаллическая500Аморфнаяпленка4000,020,10,15Vо, нм/сРис.22 Типовая зависимость структуры тонкой пленки от температуры подложки искорости осаждения пленкообразующих частицТолщина пленки оказывает существенное влияние на ее свойства, которые могутна порядки отличаться от свойств данного материала при толщинах, большихприблизительно 1 мкм.