01 (989560), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Потеря дальнего порядка в расположении атомов приводит к тому, что в некристаллических материалах вообще, а в пленках в особенности, даже при неизменном химическом составе может реализовываться различная атомная структура. А это приводит к различным свойствам материала. (На этом основан метод структурной модификации свойств, который мы рассматривали в прошлом семестре).

Поэтому, даже если химический состав поддерживается неизменным, свойства пленок некристаллических материалов сильно зависят от режимов и условий их получения.

Исходя из сказанного, мы можем назвать следующие основные факторы, определяющие химический состав, атомную структуру, а следовательно, и свойства пленок некристаллических полупроводников (раздаточный материал, рис. 2-2):

Химический состав пленки определяется химическим составом пара напыляемого вещества. Последний, в свою очередь, зависит от:

• химического состава испаряемого вещества;

• температуры испарителя (возможность диссоциации материала);

• конструкции испарителя (открытый, с квазизамкнутым объемом, взрывного испарения и т. д.);

• температуры подложки (возможность реиспарения с подложки отдельных элементов);

• давления и состава остаточной атмосферы (захват атомов газа), зависящих в свою очередь от параметров вакуумной установки.

Атомная структура пленки во многом определяется подвижностью конденсирующихся на подложке атомов. В свою очередь, подвижность атомов зависит от:

• температуры подложки (чем выше температура, тем больше подвижность атомов);

• кинетической энергии конденсирующихся частиц, которая, в свою очередь, определяется температурой и конструкцией испарителя;

• скорости роста пленки (чем больше атомов поступает в единицу времени на подложку, тем меньше, при прочих равных условиях, их подвижность). Скорость роста, в свою очередь, определяется скоростью конденсации частиц, а следовательно, геометрией рабочей камеры, скоростью испарения из испарителя, зависящей от температуры и конструкции испарителя. Кроме того, скорость роста пленки зависит от возможности и скорости реиспарения атомов с подложки, а следовательно, от температуры подложки;

• молекулярного состава пара (малые частицы более подвижны), определяемого температурой и конструкцией испарителя, а также структурой испаряемого вещества (пример с селеном);

• материала и состояния подложки (аморфная, кристаллическая).

Адгезия пленки к подложке определяется кинетической энергией конденсирующихся частиц, состоянием поверхности подложки, а также соотношением свойств материалов пленки и подложки (например, коэффициенты термического расширения).

При малых толщинах, свойства пленки зависят от её толщины (островковая или сплошная пленка, влияние подложки).

Скорость реиспарения с подложки

Скорость роста пленки

Кинети-кая энергия частиц

Химический состав

пара

Молек-ный состав

пара

Скорость испарения из испарителя

Скорость конденсации

Геометрия рабочей камеры

Химический состав испаряемого вещества

Структура испаряемого вещества

Конструкция испарителя

Температура испарителя

При производстве приборов на основе некристаллических полупроводников необходимо учитывать все перечисленные выше факторы.

Рассмотрим, как эти проблемы решаются при производстве селеновых электрофотографических цилиндров (ЭФС) – фоточувствительных элементов копировальных (ксерокс) аппаратов. Размеры ЭФС: длина 300, 420, 660 мм (по ширине копируемого оригинала), диаметр от 30 до 250 мм. Я специально выбрал устройство на основе элементарного материала – селена, чтобы исключить хотя бы один фактор – изменение химического состава.

Из эксперимента известно, что при напылении на подложку, находящуюся при комнатной температуре пленки селена получаются полностью некристаллическими (без кристаллических включений). Однако, такие пленки имеют низкую энергию активации кристаллизации и самопроизвольно кристаллизуются даже при комнатной температуре.

Напротив, пленки селена, напыленные при Т_подл.= 70 – 80 °С, имеют кристаллические включения. Но основная некристаллическая часть селена обладает большой энергией активации кристаллизации и остается в стеклообразном состоянии даже при повышенных температурах.

Причина этого лежит в различной степени полимеризации молекул селена в пленках. При низких температурах подложки подвижность конденсирующихся на неё фрагментов цепочечных молекул селена мала. Поэтому полимеризация отдельных фрагментов в длинные цепочечные молекулы, а также их взаимная упаковка в кристаллическую решетку мало вероятны. В результате получаем некристаллическую пленку, состоящую из коротких цепочечных фрагментов. Понятно, что энергия активации кристаллизации такого материала невелика. (Коротким фрагментам легче перестроиться в кристаллическую решетку).

При высоких температурах подложки, благодаря высокой подвижности конденсирующихся фрагментов, они полимеризуются в длинные цепочечные молекулы. В ряде мест эти молекулы упаковываются в кристаллическую решетку и возникают кристаллические включения. Но зато там, где эти молекулы расположены неупорядоченно, для перестройки их в кристаллическую решетку требуется значительно бо’льшая энергия.

Исходя из этого, к установке и процессу напыления селеновых электрофотографических цилиндров должны предъявляться следующие требования:

1. Температура подложки должна быть как можно выше (высокая подвижность фрагментов молекул на подложке и, как следствие, высокая степень полимеризации молекул), но не достигать температуры кристаллизации селена (так как пленка должна быть некристаллической).

Это, в свою очередь, требует обеспечения возможности точного контроля и регулировки температуры.

1. Для обеспечения в паровой фазе фрагментов молекул бо’льшей величины температура испарителя должна быть невысокой, а испаряемый материал должен содержать возможно бо’льшие молекулы.

2. С другой стороны, для улучшения адгезии пленок селена к подложке необходимо увеличивать кинетическую энергию частиц пара, а следовательно, увеличивать температуру испарения.

Рассмотрим один из возможных вариантов решения этих противоречивых требований (раздаточный материал, рис. 2-3):

Рабочая камера 1 вакуумной установки имеет цилиндрическую форму. Кольцевые испарители 2 расположены на внутренней поверхности стенки камеры по всей её высоте. Их нагрев осуществляется нагревателями 3.

Цилиндрическая металлическая подложка ЭФЦ 4 располагается по оси камеры.

Для обеспечения в паровой фазе напыляемого вещества молекул больших размеров, загруженный в испарители стеклообразный селен предварительно термообрабатывают для перевода его в кристаллическое (тригональное) состояние. (Вы помните, что тригональный селен состоит из длинных спиралевидных цепочечных молекул). А само напыление проводят при температуре испарителя 210 -215 °С. Поскольку температура плавления тригонального селена 218 °С, это означает, что напыление проводится из твердой фазы, то есть методом сублимации.

Температура подложки. Нагрев подложки осуществляется радиационным методом за счёт теплового излучения испарителей. При этом

Т_подл.

t

в процессе напыления температура подложки растет, достигая к концу напыления 80 – 85 °С. При таких температурах в обычных условиях происходит кристаллизация селена.

Поэтому, если после напыления оставить подложку для естественного охлаждения (пунктир на рисунке), то за время охлаждения слой селена закристаллизуется.

Выход заключается в резком охлаждении подложки сразу по окончанию процесса напыления (см. рисунок). Но как это сделать в вакууме? Тепловые процессы инерционны, а хладоагент в вакуум не подведешь.

Решение: цилиндрическая подложка является стенкой вакуумной установки (см. рисунок установки), то есть внутренняя часть цилиндра находится в атмосфере. Это позволяет значительно точнее контролировать температуру подложки (термопары 5) и осуществлять её резкое охлаждение подачей через трубу 6 смеси воздуха и воды.

При этом остается не решенным вопрос с адгезией пленки. Так как температура испарителя низка, кинетическая энергия фрагментов молекул в паре тоже невелика и не обеспечивает хорошей адгезии. Для решения этой проблемы в рабочей камере между испарителями 2 и подложкой 4 установлен дополнительный струнный нагреватель 7. Этот нагреватель включается в начальный момент напыления (когда формируется часть слоя, прилегающая к подложке) и разогревается до температуры 1500 – 2000 °С. Благодаря этому происходит дополнительный разогрев паров селена и увеличение кинетической энергии осаждаемых на подложку частиц.

Характеристики

Список файлов лекций