Физико-химические основы термовакуумного испарения и осаждения материалов

4. Физико-химические основы термовакуумного испарения и осаждения материалов

Технический вакуум. Степени вакуума. Методы получения и измерения различ­ных степенен вакуума. Средняя длина свободного пути. Остаточная атмосфера и ее взаимодействие с потоком испаряемого вещества.

Испарение чистых металлов в вакууме. Механизм испарения. Понятие о равно­весном давлении пара, насыщенном паре. Температура испарения, скорость испаре­ния. Испарение сплавов и химических соединений. Законы распределения конденсированного вещества на подложке. Электронно-лучевые и лазерные методы испарения.

 4.1. Возможности и перспективы вакуумных методов технологии.

Вакуумные методы технологии являются неотъемлемой частью технологии микроэлектроники. Эти методы используются в первую очередь для нанесения различного рода тонкопленочных покрытий:
контактные площадки (1); пленочные резисторы (2); межсоединения (3); пленочные конденсаторы (4); пленки и элементы схем на основе материалов со специфическими электрофизическими свойствами (сегнетоэлектрики, ферроэлектрики, пьезоэлектрики и т.п.); защитные (как правило, оксидные) покрытия. Вакуумные методы получения пленок основаны на нанесении материалов на поверхности твердых тел (подложек) в вакууме. Необходимость использования разреженной атмосферы определяется рядом обстоятельств. Во-первых, на поверхности твердых тел, находящихся в газовой атмосфере образуется адсорбированный слой, препятствующий образованию пленок. Во-вторых, Источники материалов пленок удалены от подложек, поток паров при этом транспортируется через газовую атмосферу и испытывает рассеяние на атомах газа. Величина рассеяния определяется, в частности и степенью разрежения. В третьих, химически активные газы, входящие в состав газовой среды могут образовывать нежелательные химические соединения с материалом растущей пленки. Таким образом, степень разряжения, состав газовой атмосферы (состав остаточной атмосферы) могут оказывать определяющее влияние на качество получаемых пленок.

4.2. Основные понятия вакуумной техники.

Вакуум – разреженный газ, находящийся при давлении ниже атмосферного. Понятие вакуума достаточно условно. Для количественной оценки степени вакуума Комитет стандартов Американского вакуумного общества предложил следующую классификацию:

Термин высокий вакуум в более широком смысле используется для систем с давлением ниже 10^-3 мм. рт. ст. Термин “форвакуум” используется для обозначения предварительного разряжения, достигаемого с помощью механических низковакуумных насосов.

Давление       p.
Концентрация молекул (атомов) в единице объема       n.
Средняя длина свободного пробега атомов или молекул l.
Температура газа    Т.
Критерий Кнудсена K_n= l / d (d – характерный размер вакуумного объема.)
Время образование (адсорбции) монослоя (t_m) газа на поверхности

4.3. Средняя длина свободного пробега молекул.

В первом приближении величина средней длины свободного пробега может быть определена из простой модели. При средней скорости молекулы за время dt она пройдет расстояние . При упругом столкновении максимальное расстояние сближения молекул, при котором произойдет рассеяние равно двум радиусам атомов R = r₁ +r₂ .

Средний путь, на котором произойдет одно столкновение:

или .

Более корректный учет движения молекул (все молекулы в движении!) приводит к формуле:

Эффективные диаметры молекул при 0 ^оС

l_ср » 0,68/р

§ 4. Перенос в газах.

При получении вакуума откачка (удаление молекул из объема) производится через трубопроводы. Скорость откачки зависит от геометрических размеров трубопровода, сорта частиц, их концентрации и скорости (температуры). В зависимости от соотношения давления (длины свободного пробега) и характерных размеров трубопровода различают два основных режима течения газов – вязкостный, который характеризуется превышением частоты столкновений молекул друг с другом над их столкновениями со стенками, Kn= l / d <<1; и молекулярный . Kn >1.

Вязкостный режим (Kn= l / d <<1).  

В случае вязкостного режима при протекании газа через трубу скорость слоев газа меняется в зависимости от их расстояния от стенки.

Молекулярный режим течения газа (Kn >1).  

Как видно, проводимость в молекулярном режиме не зависит от давления

4.6. Методы получения и измерения вакуума.

Вакуумные насосы – приборы для получения вакуума – подразделяются по принципу действия и по назначению. Исходя из первого признака, существуют механические насосы и физико-химические. По назначению вакуумные насосы делятся на сверхвысоковакуумные, высоковакуумные, средневакуумные и низковакуумные.
Основные параметры любого насоса: быстрота действия, предельное давление, наименьшее рабочее давление, наибольшее рабочее давление, наибольшее давление запуска и наибольшее выпускное давление.

1 - откачиваемый объем; 2, 3 - датчики давления; 4 - насос; 5 – трубопровод

Методы нанесения тонких пленок в вакууме

p_{вак –} давление в рабочей камере (остаточных газов

Т_п – температура подложки

V₀^max – максимальная скорость осаждения пленки

p_нас – давление насыщеного пара

М – молекулярная масса испаряемого вещества

Т_исп – температура испарения

F_и – площадь испарения

d – расстояние от источника до подложки

r – плотность вещества

Е – энергия испаряемых частиц

К_и – степень ионизации испаряемых частиц