Данилин Б.С. - Вакуумное нанесение тонких плёнок (1051250), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Пр!4 этом на противоположной к маске стенке сосуда появляется размытое цэображение маски. Для высокого вакуума й70/й7 (» 1, т. е. число взаимодействий молекул и атомов газа в объеме намного меньше числа взаимодействий молекул и атомоп газа с поверхностью. Когда напыление пленок происходит нри высоком вакууме, атомы испаряемого вещества летят независимо друг от друга но прямым линиям без взаимных столкновений ч столкновений с молекулами остаточных газов вплоть до конденсации на поверхности стенок сосуда.
На противоположной к маске стенке образуется четкое иэобра- 7!гение маски, на закрытых частях которой полностью отсутствуют конденсировацнь!е частички пара. Иэоб!ражение маски в точности соответствует ее геометрической тени, которая могла бы быть получена в том случае, если нспаритель заменить точечным источником света. В табл. 2-1 и на рис. 2-1 приведены сводные данные, позволяющие оценивать число взаимодействий молекул газов с поверхностью при различных стена!ях вакуума, УВ Таблица 2-1 н н оенй ово оа н о о .„"о о во арик о, од вц о йк . ч он ес д в ода е я о о э н а в ! < в о о", .Сн ои МО ооо < Ванч мй1 1!Инне инне и также сравнивать число взаимодействий молекул в объеме и на поверхности.
Для опенки возможной степени загрязнения илсики остаточными гизамн в процессе ес конденсации дости ТОЧНО СОНОСтаВИтЬ ЧИСЛО МОЛЕКуо ОетатОЧНЫХ ГаЗОВ йгп, ударяк!шихся о поверхность конденсации, с числом мо- КуЛ ИСПаряСМОГО Всщсетза 14750 дОСтИГазбщнХ ПОдЛОжКИ в единицу времени. Если припять, что в составс остаточных газов преобладает азот (молскулярны!1 вес 28), то 14!и=3,88 ° 1022р, см-2 гек-', где р — давление остаточного газа, мм рг. сг.
В то жс время для сферического источника Л'и =4,79 10вв — „,, где со — скорость испарения металла, г ° сек-'; М вЂ” атомный вес металла; 51 — расстояние от источника испарения до поверх. ности конденсации. Рисунок 2-2 наглядно иллюстрирует возможную степень загрязненности пленки алюминия остаточными газами ири различном давлении в зависимости от скорости испарения. Так, например, при скорости испарения 79 7,0 !Ов 12 10 ! 1О 1 ! 1О-' 1 1О- ив 1 1О- 1 !О' 1 1О' 1 10- 1 10 в 1 !О! !О- 5,2 !о- 4,7 10' 4,7 1О' 4,7 И.
4,7!О в 4,7 10' 4,7 4,7 10 4,7 10 4,7 10в 4,7 10' 4,7 10* 4',7 Ив 4 7 1О' 2,5 10'в , 3З.И ° З,з. !Он з',3 !о З',3. 10 З,з !Он 3,3,1аа 3,'З.за ° 3',3.1О 3',З 1О З'Л 1О' З,'З.1О З,з !О З',3 1О 2,9 10'в 3,8 1Ом 3,8 10 ' 3.В. Им З,В.1О ' 3',В 1О з,а 1ао З,а.за 3',В 1О 3 8!Он '3,8 10о З.В зао з,а !Оо З,В 1О 1,В !О 3,2.10н 3'г !Овв З',2 10 3.2.10в' з,г.зо ' 3',2 И' 3,2 10а з,г,зо 3,2 И ' 3.2 10» З,г 1ав ЗЗЬ10 32 И' 2 5 10-в 1 9.10-в 1Л И- 1 9,10-в 1,9 !О- з,о и- 1;О.за-в 1,9 !0' 1,9 !О- 1,9 1,9 10 1,9 И 1',9.
1О 1,9 !0' — »1 Мо — м1 ' и Оо — « 1 Ун /а' /2 Р= 8- ° !ОА/гек и давлсшш )О-з мм рг. ст, о подложку ударяется примерно равное количество молекул газа и нспаряемого материала. При этом в ряде случаев имеет место диссоциация молекул газа на поверхности адсорбента (хемосорбция), в результате чего возника/от п(1очнь/е связи между пленкой и остаточными газами Так, например, такис / /77 /С / /77 /7777 ///Ь/7 Сщргя/Ь Нгяергя//1(яуьгч) Ряс. 2-2. Степень аагрязпенности пленки алюминия остаточными газани при различном иавлевии в зависимости от скорости испарения.
металлы, как кальций, стронций, барий, цирконий, титин, гафний, ванадии, ниобий, тантал, хром, молибден, вольфрам и железо хемосорбируют при комнатной температуре кислород, водород, окись углерода, углекислый газ, углеводороды (С,Н,, СзН, и др.) и азот. Никель и кобальт хемосорбируют тс же газы, за искл/оченисм азота. Алюминий, марганец и медь хемосорбируют кислород, окись углерода и углеводороды.
Кроме того, большинство материалов интенсивно сорбирует пары воды, В то жс время инертные газы в нейтральном виде свеженапыленными пленками даже такого активного металла, как титан, в заметных количествах не поглощаются. Вероятность прилипания (захвата) молекул газа при пх соуларении о поверхность того или иного материала зависит от энергии связи между газом и данным мате- 86 риалом. Большинство материалов избирательно сорбнрует газы, Поэтому состав газов, сорбируемых пленкой, будет существенно отличаться от состава остаточных газов в вакуумной системе, что наглядно видно из рис.2-3, на котором показан спектрмасс остаточных газов в рабочем объеме папылительной установки до н после напыления моноокпсн кремния.
22 28 16 17 73 1// Массы Рис. 2-3. Спектр масс остаточных газов в рабочем объеме усгаиовки ио и после (заштрихованные уча- стки) напыления мовоокиси кремния. До начала напыления остаточное давление р в рабочем объеме установки определяется выражением где 72 — количество газа, поступа1ощего в систему за счет газовыделения со стенок и натекания; 5 — эффективная скорость откачки используемого насоса.
Когда начинаются прогрев и испарение напыляемого материала, из него обычно выделяется дополнительное количество газа 6, причем часть молекул этого газа достигает подложки, взаимодействует с напылениой плен- 6 — 26! 81 кой и остается на ней в виде газовых включений, Если а — коэффициент, характеризуюший эту часть молекул, то остальное количество выделившегося газа (1 — а) 1 — а) 6 распространяется по рабочему объему вакуумной установки. В этом случае полное количество газа, поступаюп<его в рабочий объем, <,<'=О+ (1 — -а) 6. Коиденсируюшаяся пленка на площади А выполияег при этом роль дополнительного насоса со скоростьюоткачки 5, =АКа, где К вЂ” скорость откачки (газопоглоп<аю<цая спосоо.
ность) единицы площади напыленной пленки. Полная скорость откачки 5' = 5+ 5> = 5+ А Ка. Остаточное давление в процессе напыления <>' Я+ (! — а) О Д+ АКа Если площадь А, газопоглощяющая способность К с)+ б и коэффициент а малы, то р'= ., т. е. в процессе д напыления пленки будет наблюдаться увеличение давления.
Если А, К и а имеют зничпгсльную величину, а 6(<Я,то с) ч+ АКа и будет наблюдаться уменьшение давления в вакуумной системе за счет гетерирующего действия пленки. Адсорбцпя остаточных газов полупроводникамп, с одной стороны, может вызвать необратимые изменения поверхности полупроводника, а с другой стороны, изменить распределение носителей заряда в твердом теле. Например, кислород, адсорбируясь на поверхности германия, диссоцирует и в зависимости от давления газа и свойств материала проявляет свое воздействие либо как акцептор, либо как донор. Остаточные газы оказывают существенное влияние иа изменение коэффициен- !<3 та Холла, причем это влияние особенно резко выражено в процессе зарождения п роста пленки, где воздействие остаточных газов наиболее интенсивно.
У пленок из ферромагнитных материалов под действием остаточных газов проявляется изменение коэрцитпвной силы с толшпной пленки при наличии характерных максимумов и минимумов, которые становятся более резко выряженными по мере увеличения времени воздействия остаточных газов на пленку. Особенно сильно проявляется влияние остаточи<><х газов и в первую очередь кислорода, паров воды и углекислого газа на характеристики тонких пленок, используемых в качестве сверхпроводников. Не менее чувствительнь< к воздействию этих газов сверхпроводя<цие пленки из индия, ниобия, ванадия, тантала, карбида тантала, ингрида тантала и ингрида ниобия. Ояоигтва пленок, образующихся в результате катодиого распыления, также в значительной степени зависят от чистоты рабочего газа, которым чаще всего является аргон. Дооавка к аргону небольшой порции реактивного газа резко меняет электрические свойства напыляемых пленок (уделш<ое сопротивление и его тсмперятурный ко ффицпент).
В ряде работ [Л, 96, 99, 100! показано, что реша<ощее влияние ня свойства конденсированных топких пленок, получаемых путем термического испарения в высоко- вакуумной системе, оказывает не абсолютное значение вакуума (если р =10 — ' млс рт. ст.), а величина парцпальных давлений химически активных газов (в первую очередь кислорода, паров воды, углеводородов, углекислого газа н др.). В связи с этим имеется возможность получения высокочистых пленок металлов, полупроводников и диэлектриков не в дорогостоящих сверхвысоковакуумных установках с большой длительностью технологического цикла, а в обычных непрогреваемых высоковакуумных установках промышленного типа, откачпваемых до разрежения 10-" — !0-с мж рт.
ст., втом случае, если пх снабдить специальнь<ми устройствами, позволяющими снизить парциальные давления химически активных газов за счет их селективной откачки п обеспечить контроль остаточной среды в процессе конденсации пленки. Одним нз способов снижения парциальиых давлений химически активных газов в обычной непрогреваемой б~ 83 нторос направление, иитеищ>вио рачвиви>сеся за последние 5 †)О лет, основано на использовании приндипиальио новых откачных средств. К ниы относятся турбоыолекуляриые насосы, адсорбпионише угольные и ииолитовые насосы, титпновые испаритсльиые, электро- разрядные насосы и кондеисациоиные насосы.
Механические насосы Действие мсханическ>ш насосов основано на выталкивании газз, заполняющего рабочий объем, движущимися частями насоса. Насосы предназначены для удаления оснониой массы газа иэ откачиваемого объема и создания разрежения 10 — > — 10 ' л»н рт. ст. Они находят самостоятельное применение для откачки объемов в тех случаях, когда нс требуется более высокий вакуум, или используются в качестве вспомогательных насосов, создающих разрежение, необходимое для обеспечения нормальной раб>оты различного рода высоковакууми ы х и а с ос он. Наиболее распространенным видом механичесинх насосов являюгся насосы с масляным уплотнением вращающвхся частей.
У этих насосов имеется эксцентричный ротор и лопасти, разгоражива>ощие рабочую камеру насоса на несколько объемов. В пласгшшато-ста. торных насосах лопасти закреплены на статоре и находятся в скользящем контакте с эксцентричным ротором. В пластинчато-ро>орныт насосах лопасти вращаютгя вл>сстг с ротором, скользя по внутрсняей повсрюшсти с>атора. В н»сигах золоп>икового типа эксцентрический ротор имеет спгш>альпос клунжсрнос устройство, обеспечивающее всасыванпс и сжа>ис откачпааемого газа.
В процессе работы насоса объем рабочей камеры, механически узеличиваясь и уменьшаясь, соединяется в момент свое>о наименьшего значения с впускным патрубком насоса Прн последующем увеличении объема рабочей камеры в нее через впускной патрубок засасывается отка ~>ваемый газ.
Газ поступает в рабочую камеру до тех пор, пока она в момент своего наибольшего объема снова не разъедцн>пся са стороной впуска. Затем объем рабочей камеры начинает уменьшаться. Прн этом происходит сжатие газа до давления выше 1 ат, пока он нс откроет выпускного клапана, предохрани>ощего насос от обратного проникновения газа нз атмосферы. При высоких значениях предельного вакуума, ко~орые требуются от совреме»иых вращательных насосов, даже тщательная взаимная пригонка деталей насосов недостаточна, чтобы полностью воспрепятствовать перетеканшо газа со стороны вь>сокого давления н,> гторону впуска.
Высокие значения предельного вакуума в этом случае достигаются тем, что небольшие зазоры между движущимися частямн и деталял>и выпускного клапана уплотняются масляной пленкой, обеспечива>ащей высокую герметичность. Масляное уплотнение обеспечивает также гермеюшность салышка вала, которым привод>пся в движение ротор насоса. Качество заливаемого в насос масла существенным образов влияет на работу пасоса и в нерву>о очередь на величину предельно>о вакуул>а. Поснольку л>осло прежде всего служит дчя изолпрова- 66 иня областей с (>залповым давлением, оно должно обладать при ра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
