Вакуумное_напыление (журналы и методы по фхомнту для всех 8ми семинаров также лекций чутка)

Термическое вакуумное напылениеПолучение тонких пленок является одной из основных задач технологииизготовления микросхем, а метод термического вакуумного напыления (ТВН) однимиз самых распространенных до настоящего времени. Данный метод состоит изследующих основных этапов: нагреве в вакууме наносимого вещества дотемпературы испарения, транспортировке парогазового облака через вакуум отиспарителя до подложки и конденсации пара на поверхности подложки.Исследования процессов испарения твердых тел, начатые классическими работамиГерца, Кнудсена и Лэнгмюра дали к настоящему времени весьма обширнуюинформацию о плотности паров практически всех элементов и большого числаразличных соединений.

Скорость испарения, в основном, определяется давлениемпара испаряемого вещества. Для вакуумного напыления большинства веществприемлемые скорости испарения (>10-4 г·см-2·с-1) достигаются при давлении пара≥10-2 мм рт. ст. Использование современных экспериментальных методовисследования (масс-спектрометрия, изотопный анализ, атомно-адсорбционнаяспектрометрия и др.) открыло возможности для экспериментального изученияпроцесса испарения отдельных компонентов сложных систем, влияния различныхфакторов на эти процессы. Обычно процесс испарения связан с плавлениемматериала, хотя температура испарения может отличаться от температуры плавленияна сотни градусов. К примеру, температура плавления для алюминия, золота имарганца 961, 1063 и 1244 градусов Цельсия, а температура испарения 1150, 1465 и980 градусов Цельсия соответственно.

Марганец начинает интенсивно испаряться(сублимировать) раньше, чем плавиться. Поэтому за температуру испаренияпринимают температуру, при которой парциальное давление паров испаряемоговещества составляет приблизительно 1,3 Па.Физически процесс испарения твердого тела связан с флуктуационным преодолениемотдельными атомами или молекулами потенциального барьера на границе твердоетело-газ или твердое тело-вакуум. Вероятность такого процесса при температуре Топределяется фактором Больцмана exp(-U/KT), где U – величина потенциальногобарьера, K – постоянная Больцмана. Это означает, что температурная зависимостьдавления пара над поверхностью твердого тела определяется уравнением:ln(P)=a+b/Tгде a и b представляют собой характеристики конкретной системы, при этомвеличина b пропорциональна энергии испарения.

Это уравнение достаточнохорошо описывает наблюдаемые температурные зависимости насыщенных паровв широкой области температур для большого числа систем, но в ряде случаевимеет более сложный характер, особенно для систем, в которых возможныфазовые переходы типа порядок-беспорядок, ферромагнетизм-парамагнетизм ит.п.1Для создания покрытия значительная часть частиц должна адсорбироваться наподложке или вследствие химической реакции образовать новое соединение.Поток испарившихся частиц в вакууме образуется в случае, когда давление параиспаряемого материала превышает давление остаточных газов в камере.Интенсивность испарения материала из расплава оценивают с помощьюуравнения Герца - Кнудсена:Ne=(2πmkTT)-1/2Peгде Ne - число молекул на единицу площади в единицу времени;m - молекулярная (атомная) масса;kT - постоянная Больцмана; Т - температура поверхности источника (К); Pe равновесное давление пара испаряемого вещества.

Это давление пара можетбыть выражено через скорость потери массы источником на единице площади:Второй этап транспортировка пара от испарителя к подложке. Если считать, чтоскорости молекул в момент испарения распределены по максвелловскомузакону, то тогда от точечного испарителя они будут двигаться во всехнаправлениях с равной вероятностью. Плотность потока пара будет описыватьсявыражением:Ф(α)=Ф0COS(α)где Ф(α) - плотность потока в направлении, составляющим с нормалью кповерхности угол α; Ф0 - его плотность при α = 0. Это уравнениепредставляет собой косинусоидальный закон распределения.Рис.1.

Геометрия процесса напыления при методетермического вакуумного напыления2В соответствии с ним испарение вещества происходит не равномерно во всехнаправлениях, а преимущественно в направлениях, близких к нормали киспаряемой поверхности (кратчайшее расстояние от испарителя до подложки),где cos имеет максимальное значение. При этом масса испаряемого вещества,приходящегося на единицу поверхности подложки, зависит от расстояния отцентра подложки вследствие чисто геометрических соображений, как этопоказано на рис.1. Тогда зависимость толщины напыляемой пленки d отрасстояния от центра подложки L для точечного испарителя, расположенного нарасстоянии h от подложки, будет определяться как:где ρ - плотность напыляемого материала; Me - общее количество испаренноговещества.Удобнее пользоваться отношением толщины пленки в центре подложки d0 ктолщине пленки d на удалении L от центра:3Краткое описание установки для напыления тонкихпленок на примере установки УВН-2М-2Установка УВН-2М-2 обеспечивает получение тонких пленок наповерхности тонких пластин - подложек методом термического испаренияматериалов в вакууме.В рабочем объеме в подколпачном устройстве вакуумной установкисоздается высокий вакуум, необходимый для получения качественныхпленок.

Вакуумная схема установки изображена на рис.2.После того, как вакуумная установка подготовлена к работе, внутрикамеры 8 сначала создают предварительный низкий вакуум порядка 10  ммрт.ст. Для этого включается форвакуумный насос (1), открывается вентиль(4), а ручка распределительной коробки (5) находится в положении (Н) «низкий вакуум». Величина вакуума контролируется с помощьютермопарного вакуумметра (6).2869104высоковакуумный затворзапусквоздуха73251Рис.

2. Вакуумная система установки УВН-2М-21- форвакуумный насос. 2 - форбаллон. 3 - диффузионный (паромасляный)насос. 4 - вентиль. 5 - ручка распределительной коробки. 6 - термопарныйвакуумметр. 7 - ионизационный вакуумметр. 8 - рабочая камера.9 - резиновый уплотнитель. 10 - воздушный клапан.4После достижения необходимого предварительного вакуумамм. рт.ст., ручка распределительной коробки устанавливается вР=2положение (В) «высокий вакуум». При этом включается высоковакуумныйпаромасляный диффузионный насос (3).

Давление в системе понижается довысокого вакуума порядка 10 6 мм рт.ст. Величина высокого вакуумаконтролируется ионизационным вакуумметром (7), при этом форвакуумныйнасос продолжает работать. В форбаллоне (2) поддерживается постоянномм.рт.ст. Это необходимо дляпониженное давление порядкауменьшения перепада давления на входе и выходе высоковакуумного насоса,что способствует снижению коэффициента сжатия газа и, следовательно,уменьшению или предотвращению его конденсации. По достижениинеобходимого рабочего вакуума (5 10 6 мм рт.ст.) в системе можноприступать к напылению.Величина достигнутого вакуума контролируется с помощьювакуумметра, состоящего из двух частей: термопарного вакуумметра (дляконтроля низкого вакуума) и ионизационного вакуумметра (для контролявысокого вакуума).Принцип действия термопарного вакуумметра основан на зависимоститемпературы спая термопары, а следовательно и термоЭДС от давлениявнутри открытого баллона манометрической лампы ЛТ.

Схема егопредставлена на рисунке 3.Рисунок 3. Схема термопарного вакуумметраПри давлении больше 10 3 мм рт.ст. (0,133 Па) основной механизмтеплообмена  конвекция, т.е. за счет передвижения частиц воздуха. Черезпроволоку внутри лампы пропускают стабилизированный ток, в результатечего температура проволоки повышается и поддерживается около 200 0 С. Кпроволоке приварен спай термопары, и его температура становится такой же.5Это приводит к определенному значению ЭДС термопары, что фиксируетсяприборами.При пониженном давлении интенсивность теплообмена падает,температура спая, а, следовательно, и термоЭДС возрастает обратнопропорционально уменьшению плотности остаточного газа.При достижении более низких, чем 0,133 Па давлений основноймеханизм теплопередачи  излучение.

Поэтому при дальнейшем снижениидавления изменения температуры спая практически не происходит. Дляизмерения давлений Р < 0,133 Па используется ионизационный вакуумметр.Он представляет собой открытый стеклянный баллон лампы ЛМ-2 иизмерительный прибор с усилителем и стабилизаторами режима. Схемавключения лампы представлена на рисунке 4.КоллекторСеткаКатодРисунок 4. Схема ионизационного вакуумметраБаллон лампы через открытый конец соединяется с вакуумнойсистемой, где измеряется давление.

Проволочный катод окружен сеткой,которую, в свою очередь, окружает коллектор. Коллектор находится поднапряжением (30 В), сетка  под напряжением (+180 В). Электроны,эмитируемые катодом, устремляются к положительной сетке. Этостабилизированный ток катода I Э = 5 мА. Сталкиваясь с молекуламиостаточного газа, электроны ионизируют их. Определенное число ионовпритягивается к коллектору, находящемуся под отрицательнымпотенциалом. Это ионный коллекторный ток I И . Он и являетсяхарактеристикой плотности остаточного газа при давлении PГ :I и  S  I Э  PГ ,6где S  коэффициент пропорциональности.Обычно I И изменяется от 100 до 0,005 мкА в диапазоне давления газаPГ от 0,133 до 5  10 6 Па.Для нормальной работы лампы ЛМ-2 перед измерением необходимопроизводить прокаливание сетки электрическим током с цельюобезгаживания ее деталей.Прибор БИТ-1А объединяет измерительные схемы термопарного иионизационного вакуумметров и оформлен в виде переносного приборанастольного типа.Вакуумная установка УВН-2М-2 представляет собой однокамернуюустановку периодического действия.