В. И. Смирнов (987304), страница 18
Текст из файла (страница 18)
При формировании пленокна поверхности подложек очень важно обеспечить воспроизводимостьих параметров. Важно также, чтобы пленки обладали хорошей адгезиейк поверхности подложки и имели бы с ней согласованный температурный коэффициент линейного расширения.Хорошую воспроизводимость параметров тонких пленок дает метод термовакуумного испарения и группа методов ионно-плазменного распыления.Термовакуумный метод получения тонких пленок основан на нагреве в вакуумевещества до его активного испарения и конденсации испаренных атомовна поверхности подложки.
Все разновидности ионно-плазменных методов основаны на создании в газоразрядной камере ионов, ускоренииих электрическим полем и бомбардировке мишени из нужного материала. Распыленные атомы мишени, осаждаясь на поверхности подложки, образуютпленку. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Рассмотрим более подробно первый метод.4.1. Термовакуумное напыление тонких пленокСущность метода термовакуумного напыленияСущность метода термовакуумного напыления можно пояснитьс помощью упрощенной схемы установки, представленной на рис. 4.1.
Вещество, подлежащее напылению, помещают в устройство нагрева (испаритель) 1,где оно при достаточно высокой температуре интенсивно испаряется. В вакууме, который создается внутри камеры специальными насосами, молекулы испаренного вещества свободно и быстро распространяются в окружающее пространство, достигая,в частности, поверхности подложки 2. Если температура подложки не превышает критическогозначения, происходит конденсация вещества наподложке, то есть рост пленки. На начальном этапе испарения во избежание загрязнения пленки засчет примесей, адсорбированных поверхностьюиспаряемого вещества, а также для вывода испарителя на рабочую температуру используется заслонка 4, временно перекрывающая поток вещества на подложку.
В зависимости от функциональРис. 4.1. Схема установкиного назначения пленки в процессе осаждениятермовакуумного напыления контролируется время напыления, толщина, элек72трическое сопротивления или какой-либо другой параметр. По достижении заданного значения параметра заслонка вновь перекрывает поток вещества ипроцесс роста пленки прекращается.
Нагрев подложки с помощью нагревателя3 перед напылением способствует десорбции адсорбированных на ее поверхности атомов, а в процессе осаждения создает условия для улучшения структурырастущей пленки. Непрерывно работающая система откачки поддерживает вакуум порядка 10-4 Па.Разогрев испаряемого вещества до температур, при которых оно интенсивно испаряется, осуществляют электронным или лазерным лучом, СВЧизлучением, с помощью резистивных подогревателей (путем непосредственного пропускания электрического тока через образец из нужного вещества илитеплопередачей от нагретой спирали).
В целом метод отличается большим разнообразием как по способам разогрева испаряемого вещества, так и по конструкциям испарителей.Если требуется получить пленку из многокомпонентного вещества,то используют несколько испарителей. Поскольку скорости испаренияу различных компонентов разные, то обеспечить воспроизводимость химического состава получаемых многокомпонентных пленок довольно сложно.
Поэтому метод термовакуумного напыления используют в основном для чистыхметаллов.Термодинамика и кинетика процессов испаренияВесь процесс термовакуумного напыления можно разбить на три стадии:испарение атомов вещества, перенос их к подложке и конденсация. Испарениевещества с поверхности имеет место, вообще говоря, при любой температуре,отличной от абсолютного нуля. Если допустить, что процесс испарения молекул (атомов) вещества протекает в камере, стенки которой достаточно сильнонагреты и не конденсируют пар (отражают молекулы), то процесс испарениястановится равновесным, то есть число молекул, покидающих поверхность вещества, равно числу молекул, возвращающихся в вещество.
Давление пара, соответствующее равновесному состоянию системы, называется давлением насыщенного пара, или его упругостью.Скорость испарения молекул Vи определяется их количеством, покидающим единицу поверхности вещества в единицу времени. Для вакуума она определяется уравнением Герца-Кнудсенаα(p и − p к ),(4.1)2 πmkTгде ри и рк – давления насыщенного пара при температуре испаренияи конденсации соответственно; m – масса молекулы; k – постоянная Больцмана;Т – температура испарения; α − коэффициент испарения (для многих веществон не сильно отличается от единицы).Vи =73Обычно температура испарителя значительно превышает температуруподложки и стенок камеры, поэтому ри >> рк.
С учетом этого формулу (4.1)можно привести к видуVи = 2,63 ⋅ 10 24αp и,MTгде М – молярная масса вещества. Полученное выражение представляет собойуравнение Ленгмюра.Практика показывает, что процесс осаждения пленок на подложку происходит с приемлемой для производства скоростью, если давление насыщенногопара примерно равно 1,3 Па. Температура вещества, при которой ри = 1,3 Па,называют условной температурой Тусл. Для некоторых веществ условная температура выше температуры плавления Тпл, для некоторых – ниже.
ЕслиТусл < Тпл, то это вещество можно интенсивно испарять из твердой фазы (возгонкой). В противном случае испарение осуществляют из жидкой фазы.Для однокомпонентной двухфазной равновесной системы, например системы «твердое вещество − пар» или «жидкость − пар», в соответствиис правилом фаз Гиббса существует только один независимый параметр – температура вещества в испарителе Т, от которой зависит давление насыщенногопара ри. Эта зависимость выражается уравнением Клаузиуса-Клапейронаdp∆Qи=,(4.2)dT T(Vm.n − Vm.ж )где ∆Q – молярная теплота парообразования; Vm.n, Vm.ж – молярные объемы вещества в парообразной и жидкой фазах соответственно. Так как при испаренииVm.n >> Vm.ж, то молярным объемом жидкой фазы в уравнении (4.2) можно пренебречь.
Тогдаdp и∆Q=.(4.3)dT TVm.nПредполагая, что пар можно считать идеальным газом, запишем уравнение Менделеева-Клапейрона для одного моля пара:p Vm.n = RT,игде R – универсальная газовая постоянная.Выразим из него Vm.n, подставим в выражение (4.3) и разделим переменные. В результате получимdp и∆Q=dT.p и RT 2(4.4)Интегрируя уравнение (4.4), получим74∆Q+ const,RTгде const – постоянная интегрирования.Из полученного выражения следует, что давление насыщенного пара риувеличивается с ростом температуры по экспоненциальному закону.
Реальнаязависимость ln pи = f(T) является более сложной. Ее можно описать формулойlnpи = −AE,+ B + ClnT + DT +2TTгде A, B, C, D и E – эмпирические коэффициенты.Зависимости давления насыщенного пара от температуры для всех веществ, используемых для напыления тонких пленок, представлены в различныхсправочниках в форме подробных таблиц или графиков.lnp u =Кинетика процесса переноса испаренных атомов к подложкеВторая стадия процесса напыления тонких пленок – перенос молекул вещества от испарителя к подложке.
Если обеспечить прямолинейное и направленное движение молекул к подложке, то можно получить высокий коэффициент использования материала, что особенно важно при осаждении дорогостоящих материалов. При прочих равных условиях это повышает также и скоростьроста пленки на подложке.Произведем оценку давления остаточного газа в камере, необходимогодля того, чтобы молекулы испаряемого вещества переносились к подложке безстолкновения с молекулами остаточного газа. Вывод точных соотношений,описывающих поведение одиночной молекулы вещества в среде разреженногогаза, достаточно затруднен.
Поэтому произведем оценку с учетом ряда допущений.Будем считать, что эффективный диаметр молекулы испаряемого вещества и ее тепловая скорость имеют один порядок величины с аналогичными параметрами для молекул остаточного газа. Тогда вероятность w для молекул вещества преодолеть расстояние s от испарителя до подложки без столкновенийопределяется экспоненциальным соотношениемs w = exp −,(4.5) λ ср где λср – средняя длина свободного пробега молекул остаточного газа.Если, например, задать вероятность w = 0,95, то это соответствует длинесвободного пробега λср = 20 s. На самом деле эта оценка содержит в себе некоторую погрешность, так как средняя длина свободного пробега для молекул остаточного газа определяется в основном температурой стенок камеры (не силь75но отличающейся от комнатной температуры), а для молекул испаряемого вещества λср определяется температурой испарителя.Согласно молекулярно-кинетической теории вещества длина свободногопробега определяется соотношениемλ ср =kT2 πd 2 p,(4.6)где d – эффективный диаметр молекулы.
Если принять, что d ≈ 3,7⋅10-8 см (эффективный диаметр молекул воздуха), а Т = 300 К (комнатная температура), тоλср будет равна0,68(см).(4.7)рРеальныерасстояниямеждуиспарителемиподложкойв производственныхустановкахдлятермовакуумногонапыленияне превышают 30 см. Поэтому для того, чтобы с вероятностью w = 0,95 молекула смогла долететь до подложки без столкновений, длина ее свободного пробега должна быть примерно равна 600 см. Из (4.7) следует, что такое значениеλср обеспечивается при давлении остаточного газа р ≈ 10-3 Па. Рабочее давлениев реальных установках для напыления обычно на порядок ниже.
Так что можносчитать, что молекулы испаряемого вещества переносятся к подложке практически без столкновений с молекулами остаточного газа.Форма молекулярного пучка (диаграмма направленности испарителя)влияет не только на коэффициент использования материала, но и на равномерность толщины пленки по поверхности подложки. Последнее означает, чтоплотность потока вещества в плоскости подложки должна быть одинаковой повсей поверхности. Диаграмма направленности реальных испарителей зависитот формы, размеров и равномерности нагрева излучающей поверхности конкретного испарителя.
Практически оценить диаграмму направленности и связанную с ней степень равномерности толщины осаждаемой пленки можно лишьдля простых геометрических систем. В этих случаях используют аналогию между переносом молекул (прямолинейные траектории) и распространением света, что дает возможность для оценки скорости осаждения пленки использоватьзаконы геометрической оптики.Согласно этим законам (законам Ламберта-Кнудсена) скорость осаждения пленки в случае «точечного» источника испарения зависит от взаимнойориентации источника и подложки, а также обратно пропорциональна квадратурасстояния между нимиλ ср =Vосажд ~cosϕ ⋅ cosΘ,2r76где ϕ − угол между нормалью к поверхности«точечного» испарителя и радиус-вектором,проведенным от испарителя к подложке; θ −угол между нормалью к подложке и направлением распространения молекул испаренного вещества. На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
