Tермовакуумное напыление тонких пленок, страница 2

Для уменьшения загрязнения испаряемого вещества молекулами остаточного газа желательно увеличивать скорость осаждения пленки.

Испаренные атомы, траектория которых пересекается с поверх­ностью подложки, сталкиваются с подложкой и либо вновь отражаются в результате упругого соударения, либо, передав часть энергии атомам подложки, будут адсорбироваться на ее поверхности. Проникновение атомов внутрь подложки даже при максимальных значениях энергии испapeнных атомов можно пренебречь.

Скорость конденсации измеряется числом атомов (молекул) m, сцепляющихся с поверхностью подложки за единицу времени m = m₀ • α,

где m₀ - число атомов (молекул), ударяющихся о поверхность подложки в единицу времени; α  - коэффициент аккомодации, равный отношению числа атомов, сконденсировавшихся на подложке, к числу атомов, ударявшихся о ее поверхность за единицу времени.

Процесс конденсации существенно зависит от температуры подложки и плотности  потока достигающих подложки испаренных атомов.

С увеличением температуры подложки возрастает вероятность пов­торного испарения (реиспарения) атомов, попавших  на подложку и мигрирующих по ее поверхности в течение некоторого времени, из-за случайного отклонения их энергии и превышения энергии связи с подложкой. Существует такая температура подложки,  называемая критической Т_кр , при превышении которой все атомы вновь испаряются с поверхности подложки и пленки не образуется. Критическая температура зависит от природа конденсируемого вещества, природы подложки и степени ее чистоты, а также от плотности падающего атомарного потока. Уменьшение плотности пара (падающего атомарного потока) при фиксированной температуре также может привести к полному повторному испарению атомов. Если же плотность пара достаточно велика, то атомы, достигающие подложки и мигрирующие по ней, образуют скопления, вероятность повторного испарения которых значительно ниже, чем отдельных атомов, т.к. для их одновременного испарения нужна значительно большая энергия.

Такие скопления  более длительное время связаны с поверхностью подложки и имеют тенденцию к дальнейшему росту за счет присоединения других мигрирующих атомов.

Таким образом, может быть введено понятие критической плотности потока ν_кр , ниже которой при фиксированной температуре подложи конденсация не происходит.

Критическая температура и критическая плотность потока связаны между собой.

Критическая температура для данного вещества тем выше, чем выше плотность  атомарного потока.

Казалось бы температура подложки  должна быть невысокой, чтобы вероятность реиспарения была мала.

Однако температура подложки  и скорость конденсации (напыления) существенным образом сказываются на структуре получающихся пленок. Это влияние оказывается различным для материалов с различной температурой плавления. В случае напыления пленки на подложку, имеющую низкую температуру, структура пленки получается мелкозернистой или даже аморфной, т.к. попавшие на подложку атомы почти не мигрирует, в результате возникает большое число зародышей, сливающихся в мелкозернистую пленку. При этом многие атомы закрепляются в метастабильных состояниях.

При увеличении температуры подложки интенсивность миграции атомов возрастает, поэтому зародыши возникают лишь в глубоких потенциальных ямах. Если разница между температурой подложки и темпера­турой плавления напыляемого материала невелика (для материалов с низкой температурой плавления: кадмий, магний, цинк и др.) небольшие зародыши пленки остаются длительное время в жидком состоянии. Если скорость конденсации высока, отдельные зародыши быстро вырастают и в жидком состоянии сливаются, образуя крупные кристаллы. В результате пленка получается крупнозернистой (в пределе - монокристаллическая).

При, медленной конденсации, а также для материалов с высокой температурой плавления (вольфрам, молибден, тантал, платина и др.) затвердевание зародышей происходит задолго до того, как возникшие зародыши достигнут такого размера, при котором они касаются друг друга. В этом случае возникает мелкозернистая пленка.

Скорость конденсации оказывает влияние все же и на структуру пленок из высокотемпературных материалов: при низкой скорости кон­денсации пленкой поглощается большое количество газов и образуется менее регулярная "рыхлая" структура.

Кроме того высокий нагрев подложки необходим для обеспечения десорбции с ее поверхности молекул (атомов) газов, воды и других примесей.

Различают физическую адсорбцию и химическую адсорбцию (хемосорбцию). Физическая адсорбция является результатов вандерваальского молекулярного взаимодействия между молекулами адсорбента (подложки) и сорбата (газа,  воды и т.п.). Процесс физической адсорбции проте­кает почти мгновенно, но прочность связи сорбата с адсорбентом мала. Плавное повышение температуры подложки приводит к уменьшению числа адсорбированных атомов, т.к. многие их них в своем тепловом движении становятся настолько активными, что их связь с подложкой ослабляется и они покидают подложку (десорбция).

Химическая адсорбция обусловлена химическими силами взаимодействия адсорбента с сорбатом. Этот процесс требует значительной энергии активаций и идет значительно медленнее физической адсорбции.

При нагревании подложки благодаря слабой связи физически адсорбированных молекул с поверхностью подложки, эти молекулы легко вновь десорбируются в вакууме.

Физическая адсорбция может развиваться и в хемосорбцию, если:

1. молекулы газа долго находятся в контакте с поверхностью подложки (пленки);

2. скорость откачки мала;

3. нагрев подложки слишком быстрый.

В последнем случае физически адсорбированные молекулы, не успев покинуть поверхность, перейдут в хемосорбированные. Следует отметить, что хемосорбция протекает только при наличии химического сродства между газом и адсорбентом (подложкой, пленкой).

Технологический процесс конденсации пара и образования на под­ложке тонкой пленки в твердой фаза не является длительным, в резуль­тате этого структура пленки не соответствует структуре с малой внутрен­ней энергией и такая структура не является стабильной. С течением времени или с изменением температуры эта структура изменяется, а следовательно, изменяются и электрические характеристики пленки.

Поэтому для стабилизации характеристик тонких пленок рекоменду­ется их тренировка при высокой температуре после напыления.

Термообработка резистивных пленок с целью улучшения их электрофизических свойств,  в основном их стабильности, широко используется в технологии изготовления ГИМС.

Во время термообработки протекают два основных процесса: процесс укрупнения зерен, сопровождающийся уменьшением  сопротивления пленки, и процесс окисления, приводящий к увеличению ее сопротивления.

Первый процесс приводит к упорядочению структуры пленки и сниже­ние числа дефектов структуры.

Процесс окисления вызывает образования окисного защитного слоя на поверхности пленки и уменьшению толщины проводящего слоя.

Таким образом, термообработка приводит к улучшения электрофизических свойств резисторов и повышает их стабильность,

Процесс термообработки может использоваться для индивидуальной и групповой подгонкисопротивления резисторов.