Диссертация (1025103), страница 5
Текст из файла (страница 5)
количество вещества, испаряемое за 1 секунду с1 см2 поверхности испаряемого материала, можно посчитать по формуле [30]: = , √ ≈ · − √ ,где – скорость испарения, г/см2∙с; – давление насыщенного пара (10-2 Торр); – молекулярный вес;(1.1)27 – абсолютная температура, K.«На основании исследований кинетики процесса кристаллизации тонкихпленок [31, 32] было установлено существование двух различных механизмовконденсации металлов и сплавов: «пар-кристалл», т. е. конденсация изпарообразногосостояния непосредственнов кристаллическое и«пар-жидкость», т. е.
конденсация пара в жидкость, которая может остаться впереохлажденном аморфном состоянии или закристаллизоваться» [30].«Структура и свойства тонких пленок, полученных путем вакуумноготермического испарения, в значительной степени определяются условиями ихконденсации и зависят от природы испаряемого вещества и соответствия егоструктуры структуре подложки; природы подложки, степени ее очистки,микрорельефа и температуры поверхности в процессе конденсации на нейиспаряемого вещества; степени вакуума и состава остаточной среды в процессеиспарения вещества и его конденсации; скорости испарения веществ; углападения молекулярного пучка на подложку; толщины пленки» [30].«Адгезия пленки к подложке во многом зависит от наличия окисногослоя, который может возникнуть в процессе осаждения между пленкой иподложкой.
Такой окисный слой образуется, например, при напылении железаи нихрома, чем объясняется хорошая адгезия этих пленок. Пленки из золота,которое не подвержено окислению, имеют очень плохую адгезию, поэтомумежду золотом и подложкой создают промежуточный подслой из материала свысокой адгезией.
Желательно, чтобы образующийся слой окиси былравномерно распределен между пленкой и подложкой. Если же окисьнеравномерно распределена между пленкой и подложкой или же располагаетсяна поверхности пленки, то ее свойства могут сильно измениться» [30].«На образование окислов большое влияние оказывает состав остаточныхгазов в рабочем объеме установки, особенно наличие паров воды.
Привысокотемпературном и длительном отжиге пленки в вакууме или в защитной(инертной) атмосфере количество окисла возрастает и может возникнутьокисление пленки» [30].28«Наличие загрязнений сильно влияет на электрофизические свойствапленок. Условия роста пленки изменяются, если загрязнения располагаются наподложке в форме небольших изолированных друг от друга островков. Взависимости от того, какая энергия связи больше – между материалом пленки иматериалом загрязнения или же между материалом пленки и подложкой –пленка образуется либо на островках, либо на обнаженной части подложки.Поэтому перед напылением необходимо тщательно очищать подложки, а такжепредохранять их от появления масляных пленок, возникающих в результатепроникновения паров рабочих жидкостей из насосов» [30].«Размерзеренистепеньшероховатостиподложкиоказываютсущественное влияние на структуру образующейся пленки.
Для получениягладкойповерхностипроизводяттермическуюполировкустеклянныхподложек нагревом и оплавлением поверхностного слоя. При этом неровностиподложки не превышают 10 Å. Для устранения микронеровностей иногда наподложку предварительно напыляют слой моноокиси кремния толщиной1000 ÷ 10000 Å» [30].В Таблице 2 показана связь условий осаждения и получаемых свойствпленок [30].Таблица 2.Связь между свойствами пленок и условиями их осажденияСвойство пленкиРазмер зеренФакторы, влияющие на указанные свойстваЗагрязнение подложкиСостояниеповерхностиподложки(степеньшероховатости, наличие кристаллов)Материал пленки и подложкиПодвижность атомов напыляемого материала наповерхности подложки (температура подложки,скорость осаждения)Отжиг пленки29Таблина 2. (Продолжение)РасположениеЗагрязнение подложки (нарушение структуры пленки)кристаллов в пленкеТемпература подложки (обеспечение необходимойподвижности атомов напыляемого материала)Типподложки(монокристаллическая,поликристаллическая или аморфная)Адгезия пленки кЗагрязнение подложкиподложкеМатериал пленки и подложкиДополнительные процессы (например, образованиепромежуточного слоя окисла между пленкой иподложкой)Подвижность атомов напыляемого материалаЗагрязнение пленкиЧистота испаряемого материалаРаспыление материала испарителяСостав остаточных газовМатериал пленки и подложкиТемпература подложкиДавление остаточного газаСкорость осажденияВероятностьстолкновенийатомовпарасмолекулами газа в полетеОкисление пленкиСтепень химического сродства напыляемого материалак кислородуСостав остаточных газовПоглощение водяных паров подложкойТемпература подложкиСоотношениенапылениямеждудавлениемискоростью30Таблина 2.
(Продолжение)Напряжения в пленкеМатериал пленки и подложкиТемпература подложкиРазмерзерен,наличиевключений,кристаллографические дефекты в пленкеОтжигУгол между струей пара и подложкой«В зависимости от конкретных условий напыления пленки одного и тогоже вещества могут иметь следующие структуры: монокристаллическаяструктура, если вся пленка представляет собой сплошную кристаллическуюрешетку атомов данного материала; коллоидная (мелкозернистая) структура,состоящаяизкристалловразмерамименее100Å;гранулярная(крупнозернистая) структура, имеющая кристаллы размерами 1000 Å и более, иаморфнаяструктура,характеризующаясяотсутствиемкристаллическойрешетки» [30].Недостатком метода термического испарения являются большие потеринапыляемого материала.
Из общего телесного угла в π стерадиан, под которымчастицы напыляемого материала разлетаются из испарителя, на подложкупопадает лишь несколько долей процента.Также распылять материал для последующего его осаждения можно спомощью электронных и ионных пучков и оптических квантовых генераторов.«В электроннолучевой технологии различают два способа обработкипленок: «теплым» и «холодным» пучком электронов. В процессе обработкиэлектроны проникают в материал на некоторую глубину. Эффективностьвоздействия электронов пропорциональна удельной мощности луча и времениего воздействия на объект.
Удельная мощность луча в материале объектапропорциональна интенсивности луча и ускоряющему напряжению и обратнопропорциональна площади поперечного сечения и зависит от распределения31электронов по глубине проникновения. Время воздействия луча на каждуюточку обрабатываемой поверхности обратно пропорционально скоростиотносительного перемещения луча по поверхности объекта. Следовательно,максимальнаяглубинапропорциональнапроникновенияквадратулучаускоряющеговматериалнапряженияиобъектаобратнопропорциональна плотности материала» [30]: = , ∙ −,(1.2)где – ускоряющее напряжение, В; – плотность материала объекта, г/см3.«Большая концентрация энергии пучка электронов в малом объеме ипрактически мгновенное ее выделение обеспечивают высокую селективностьобработки, при которой инерционный теплоотвод за счет теплопроводностисоставляетлишьничтожнуючастьэнергии,расходуемойнанагревобрабатываемой зоны.
Например, при температуре в зоне облучения 6000 °Cтемпература в точках, находящихся на расстоянии 1 мкм от зоны, не превышает300 °C. Поэтому электроннолучевая обработка во многих случаях сводится кселективному испарению материала объекта в зоне облучения» [30].В Таблице 3 [30] приведены значения мощности электронного пучка,необходимой для испарения некоторых металлов и сплавов из керамического имедноговодоохлаждаемого тигля при расстоянии между источником иподложкой, равном 20 см.«При бомбардировке поверхности испаряемого материала пучкомускоренных электронов наблюдается явление вторичной электронной эмиссии,в результате которого имеют место потери энергии, обусловленные рассеяниемэлектронов. Так, например, при бомбардировке золота потоком первичныхэлектронов с энергией 10 кэВ потеря энергии за счет рассеяния вторичныхэлектронов достигает 30 %.
Поток вторичных электронов вызывает перегреварматуры напылительной установки, стенок вакуумной камеры и подложки,что может изменить электрофизические свойства осаждаемой пленки» [30].32Таблица 3.Сопоставление мощности электронного пучка со скоростью испарениянекоторых металлов из керамического и медного водоохлаждаемого тиглей прирасстоянии между источником и подложкой, равным 20 смМощность электронного пучка, кВтМеталл, сплавСкоростьКерамическийМедныйтигельводоохлаждаемый тигельАлюминий0,31,25Хром0,30,42Нихром0,20,60,5Золото0,351,55Таллий―1,50,5испарения, мг/с«Для обработки пленок применяются также ионные пучки, обладающиепо сравнению с электронными рядом ценных преимуществ (большой срокслужбы, отсутствие рентгеновского излучения, отсутствие необходимостииметь высокий вакуум в рабочем объеме установки и др.)» [30].«Обработка пленок с помощью оптических квантовых генераторов (ОКГ)возможна благодаря следующим свойствам луча: точная фокусировкасветового пятна (до размеров порядка длины волны света) с помощьюнесложных оптических систем; получение высокой плотности энергии в луче(108 ÷ 1010 Дж/см2), достаточной для испарения любого непрозрачногоматериала; точная дозировка энергии излучения, позволяющая осуществлятьсамые различные процессы: от термической обработки поверхности доиспарения материалов, и кратковременность воздействия (10-3 с), котораяобеспечивает локальность зоны нагрева и постоянные свойства прилегающихучастков обрабатываемого материала» [30].«Основным преимуществом использования ОКГ для нагрева веществ сцелью их испарения и последующего осаждения является кратковременностьнагрева.
Так, например, при интенсивности излучения 108 Вт/см2 поверхность33материала нагревается до температуры кипения за время 10-8 ÷ 10-9 с. В связи сэтим различные компоненты сложного соединения испаряются практическиодновременно, несмотря на значительное различие температуры кипениякаждого компонента.
Скорость разлета частиц, испаренных с помощью лучаОКГ, достигает нескольких километров в секунду. Это обеспечиваетпрактически одновременное осаждение паров различных компонентов наподложку и их последующее взаимодействие, в результате которого образуетсяисходное сложное соединение того же самого стехиометрического состава»[30].Еще один широко используемый метод нанесения покрытий – катодноераспыление. Для нанесения тонких металлических пленок методом катодногораспыления используется явление разрушения катода в результате егобомбардировки ионизированными молекулами разреженного газа. Катодомслужитпластина,сеткаилирешетка,изготовленныеизматериала,подвергаемого распылению.
Напыление пленки производят при давлении10-1 ÷ 10-2 Торр в остаточной атмосфере воздуха или в инертном газе, чащевсего в аргоне. Для зажигания тлеющего разряда между катодом и анодом черезограничительный резистор подается высокое напряжение от 1 до 20 кВ.«Дляполученияоптимальныхусловийраспыленияподбираютсоответствующее соотношение между тремя величинами: расстоянием междукатодом и анодом, приложенным напряжением и давлением газа» [30].«Преимущество катодного распыления перед термическим испарением ввакууме заключается в том, что с его помощью можно получить бо́льшуюповерхность покрытия и равномерность толщины полученных пленокблагодаря тому, что при катодном распылении материал напыляется наподложку не с точечного источника, а с плоской поверхности катода, размерыкоторого могут значительно превышать расстояние от катода до подложки»[30].«Не менее важным достоинством данного способа распыления являетсяпостоянный химический состав распыляемого материала, в то время как при34термическом испарении материала его компоненты испаряются с различнойскоростью, вследствие чего состав пленки сильно отличается от составаисходного материала» [30].«Путем катодного распыления удается получать пленки тугоплавкихметаллов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
