Метод термического нанесения пленок в вакууме

Процесс нанесения тонких пленок в вакууме состоит в создании направленного потока атомов или молекул и последующей их конденсации на подложке. При этом одновременно протекают три основных процесса: генерация направленного потока частиц осаждаемого вещества; пролет частиц в вакууме от источника к подложке; осаждение (конденсация) частиц на поверхности с образованием тонкопленочных слоев. При нанесении тонких пленок используют два метода генерации потока частиц в вакууме: термическое испарение и ионное распыление. В этой лабораторной работе изучается метод термического испарения.

Зависимость давления равновесного (насыщенного) пара вещества от температуры определяется из условия термодинамического равновесия пар – твердое тело, пар – жидкость и выражается формулой

где и – константы, характеризующие природу вещества. Температура, при которой давление насыщенного пара составляет приблизительно 1,3 Па, называется условной температурой испарения. Условная температура испарения большинства элементов выше их температуры плавления, т. е. испарение происходит из жидкого состояния. Некоторые вещества имеют условную температуру испарения ниже температуры плавления. Они достаточно интенсивно испаряются из твердого состояния. Процесс перехода вещества из твердого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу, называют сублимацией (или возгонкой).

Для определения скорости испарения, т. е. количества вещества, покидающего поверхность исходного вещества в единицу времени, необходимо воспользоваться максвелловским распределением молекул по скоростям, показывающим, какая доля частиц из общего количества обладает скоростями в диапазоне от до :

Здесь – компонент скорости, перпендикулярный к границе раздела; – число молекул в единице объема исходного вещества, м³; – масса молекулы, кг; – постоянная Больцмана, Дж/К; – температура испарения, K.

Число молекул , испаренных с единицы площади поверхности в единицу времени, т. е. скорость испарения с единичной площади поверхности, можно определить интегрированием в пределах от до . Здесь – скорость молекулы, при которой она покинет поверхность и перейдет в газовую фазу. Поскольку этот параметр неизвестен, для расчета скорости испарения применяется другой подход.

Рассмотрим случай, когда испаряемое вещество находится в термодинамическом равновесии со своим паром, который в этом случае называется насыщенным. При этом температура одинакова во всех точках системы и равна . Распределение молекул пара по скоростям также можно считать максвелловским, описываемым приведенной выше формулой, однако при нахождении скорости конденсации интегрировать необходимо от 0 до . В результате получаем

где – число молекул в единице объема паровой фазы.

Воспользуемся для пара уравнением состояния идеального газа. Для единичного объема

где – давление насыщенного пара, Па. Тогда

В состоянии равновесия , поэтому скорость испарения с единицы площади поверхности равна

Оценим скорость испарения алюминия при . Масса ато-
ма, определяемая произведением относительной атомной массы элемента (27 для алюминия) на величину атомной единицы мас-
сы ( кг), равна кг, Дж/К и =
= 1423 K. Тогда кг/(м² ×с).

При испарении сплавов, как правило, компоненты сплава испаряются независимо один от другого, подобно чистым металлам. Однако следует учитывать, что давления паров компонентов отличаются от давления паров чистых металлов при той же температуре. При испарении соединений возможна диссоциация молекул с преимущественным испарением более летучего компонента. Действие этих факторов приводит к тому, что состав потока испаренных частиц будет изменяться во времени. В связи с этим при напылении пленок сложного состава часто используются индивидуальные источники для каждого компонента соединения. При этом появляется возможность управления составом конденсирующейся пленки путем изменения температур источников.

Рис. 4. Испарение вещества с элементарнойплощадки

Скорость конденсации зависит от конфигурации испарителя и подложки. В случае точечного источника вещество испаряется с одинаковой скоростью во всех направлениях. В случае поверхностного испарителя количество испаренного вещества зависит от направления испарения. Если частицы в потоке не испытывают столкновений (такой поток называется молекулярным), то их движение аналогично распространению лучистой энергии и может быть описано известными из оптики соотношениями.

В соответствии с законом косинуса Ламберта–Кнудсена количество вещества , испаряемого элементом поверхности , проходящего в телесном угле по направлению , образующему угол с нормалью к поверхности испарителя (рис. 4), равно , где – общее количество вещества, испаренного с испарителя за время .

Если вещество поступает на площадку, наклоненную к направлению пучка на угол , то количество вещества, осажденного на такую площадку, равно

Поскольку , где – плотность, – толщина пленки, то

Скорость конденсации определяется как .

Если подложка расположена параллельно поверхности испарителя и – расстояние между ними, то , а (рис. 5).

Рис. 5. Испарение с малой площадки на параллельную плоскую поверхность

Тогда для поверхностного испарителя

для точечного –

Если площадка испарения не является бесконечно малой, то при определении толщины пленки необходимо произвести интегрирование по

Важным параметром пленки является равномерность распределения ее толщины на поверхности подложки. Из полученных формул следует, что при испарении из источника малой площади толщина пленки не является однородной вследствие неоднородности количества частиц, достигающих различных точек подложки в единицу времени. Максимально различающимися по толщине являются участки пленки в центре и на краю пластины. Отношение этих толщин для поверхностного испарителя равно для точечного – где – радиус подложки. Наиболее простым способом снижения неравномерности является увеличение расстояния . Однако это уменьшает скорость конденсации пленки. В такой ситуации рационально проводить одновременное напыление на партию пластин, размещенных на подложкодержателе сферической формы. В некоторых системах подложки для повышения однородности толщины совершают сложное планетарное движение.

Применение «оптического» приближения при выводе выражения для скорости конденсации можно считать обоснованным, если перенос вещества от источника к подложке происходит в режиме молекулярного потока. При осуществлении такого режима обеспечивается максимальная для системы заданной геометрии скорость роста пленки и снижаются потери испаряемого материала. Режим молекулярного потока реализуется, если исключены взаимные столкновения частиц потока друг с другом и их рассеивание молекулами газа рабочей камеры. Для этого необходим достаточно глубокий вакуум.

Вакуум принято условно разделять на низкий, средний, высокий и сверхвысокий. Критерием разделения является отношение , где – средняя длина свободного пробега молекул газа, определяемая их взаимными столкновениями и соударениями со стенками, а – характерный линейный размер вакуумной камеры. Очевидно, что значение зависит от концентрации молекул и, следовательно, от давления. Для определенного газа при постоянной температуре произведе-
ние является константой. Если единицы измерения и – метр
и паскаль, то, например, для воздуха при 20 °С.

При низком вакууме . Молекулы при этом испытывают постоянные столкновения друг с другом, вследствие чего их пути представляют собой ломаные линии. На стенках сосуда постоянно имеется слой адсорбированных молекул. Примерная область давлений, соответствующая низкому вакууму – Па.

Высокий вакуум характеризуется тем, что . Взаимодействие между молекулами из-за их малого количества практически исчезает, и они движутся прямолинейно в пределах предоставленного объема, сталкиваясь в основном со стенками сосуда. Примерная область давлений Па. Средний вакуум характеризуется тем, что . Ему соответствует область давлений Па. Сверхвысокий вакуум реализуется при давлениях ниже Па.

Для анализа процессов, происходящих при нанесении тонких пленок, большое значение имеет соотношение длины свободного пробега частиц потока наносимого вещества и расстояния от источника до подложки .

При нанесении пленок в среднем вакууме часть частиц испаренного вещества попадает на подложку без столкновений. Другая часть претерпевает большое количество столкновений с молекулами газа, первоначальное направление движения полностью нарушается. В результате некоторые частицы конденсируются на стенках камеры, образуя равномерное пленочное покрытие, или даже осаждаются на обратной стороне подложки.

При нанесении пленок в высоком вакууме частицы осаждаемого вещества летят независимо друг от друга по прямолинейным траекториям без взаимных столкновений и столкновений с молекулами газа, не изменяя своего направления (молекулярный поток), и конденсируются на стенках камеры и поверхности подложки.

Таким образом, если вакуум недостаточно высокий, замет-
ная часть частиц не попадает на подложку. Однако уже при давлении
р = Па составляет 50 см, что превышает реальное расстояние от испарителя до подложки (обычно не более 30 см). Таким образом, для создания прямолинейных траекторий движения молекул вещества в пространстве между испарителем и подложкой необходимо давление порядка Па.

При нанесении пленки на подложку падают два разных потока: полезный – атомы осаждаемого вещества и фоновый – молекулы остаточных газов. Остаточные газы, поглощаемые растущей пленкой, ухудшают электрофизические параметры пленки (повышается ее сопротивление, уменьшается адгезия, возникают внутренние напряжения и др.). Чем больше в остаточной атмосфере вакуумной камеры примеси активных газов, тем сильнее их отрицательное влияние на качество наносимых пленок. Для снижения этого влияния в некоторых случаях требуется понижение давления до уровня Па или ниже.

Все вакуумные установки для нанесения тонких пленок состоят из следующих основных элементов: источника потока частиц осаждаемого материала, вакуумной системы и транспортно-позиционирующих устройств. Нанесение пленок производится в вакуумной камере. В ней имеются источник наносимого материала и подложкодержатель. В типовой установке вакуумная камера – это цилиндрический колпак из нержавеющей стали, который может подниматься вверх для доступа к подколпачным устройствам. В опущенном состоянии колпак герметизируется прокладкой из вакуумной резины. Колпак оборудован краном для напуска в камеру воздуха и датчиками для измерения вакуума.

Контроль параметров пленок