11.7.1. Нанесение пленок в вакууме

Испарение в вакууме

Процесс нанесения на подложку тонких пленок металлов и неметаллов с использованием термического испарения в вакууме состоит из двух этапов: испарение вещества и кон­денсация его частиц на подложке. При нагревании вещество обычно сначала плавится, а затем образуется пар, однако в ряде случаев некоторые материалы, минуя жидкую фазу, переходят в парообразное состояние.

Рис. 11.7.2. Температурная зависимость давления насыщенных паров для некоторых металлов. Точ­ками обозначены температуры плавления

Сверхвысокий вакуум широко используется для проведе­ния технологических процессов создания ИС, особенно при производстве арсенид-галлиевых структур. Испарение в сверхвысоком вакууме предотвращает загрязнение поверхности подложки и осаждаемого материала остаточными газами и случайными примесями. Согласно законам термодинамики, количество молекул, покидающих единицу площади в еди­ницу времени, определяется выражением

N=N₀ exp(-E_a/KT)

где No—константа, слабо зависящая от температуры; Е_а.— энергия активации для испарения, соответствующая энергии, необходимой для удаления с поверхности материала одной молекулы, находящейся в связанном состоянии. Пары над поверхностью вещества в зависимости от температуры имеют определенное давление (рис. 11.7.2).

П

(11.7.1)

где N—концентрация молекул при данных давлении и тем­пературе; δ—эффективный диаметр молекул; m—масса мо­лекул; — среднеквадратичная скорость молекул. В табл. 11.7.1 в качестве примера приведены вычисленные по формуле (11.7.1) значения средней длины свободного пробега для молекул воздуха.

Таблица 11.7.1 Средняя длина свободного пробега для молекул воздуха

Следует отметить, что интенсивность испарения частиц из точечного источника на поверхности испарителя под углом φ к нормали этой поверхности пропорциональна cos φ, а число испаренных атомов, достигших поверхности подложки, обрат­но пропорционально расстоянию от испарителя до подложки.

С

(11.7.2)

где ω — скорость испарения; Р — давление насыщенного пара; М — молекулярный вес; Т — абсолютная температура, К.

Скорость осаждения тонких пленок описывается обычно числом атомных слоев пленки, наращиваемых на поверхность подложки за секунду. Нетрудно подсчитать, что число ато­мов, размещающихся в монослое на 1 см² поверхности под­ложки, составляет около 10¹⁵. Для получения приемлемых скоростей выращивания тонких пленок требуется давление паров источника обычно порядка 1 Па (1 мм рт. ст.==133 Па). В ряде случаев ввиду повышенной химической активности и склонности к разложению испаряемого вещества на темпера­туру его нагрева накладываются ограничения. Для высоко­температурного нагрева обычно используют следующие ме­тоды: резистивный, индукционный, облучение световым, ла­зерным или электронным пучком (рис. 11.7.3).

Испарение сплавов

Для получения тонких пленок с заданными физико-хими­ческими свойствами возникает необходимость производить ис­парение многокомпонентных веществ. В любом, даже самом чистом, материале находятся примеси, концентрация которых обычно лежит в интервале 10^-6—10^-3 ат.%. Таким образом, получение пленок всегда связано с испарением или распыле­нием концентрированных или разбавленных растворов.

Согласно закону Рауля, парциальное давление паров К-го компонента в растворе Р_к связано с концентрацией К-го компонента в паре С_пк или растворе С_жк следующим соотношением:

P_к=C_пк Р_общ = Р⁰_к С_жк (11.7.3)

где Р_общ—общее давление в системе; Р_к—давление насы­щенных паров чистого компонента К.

Реальные вещества строго не подчиняются этому закону, для них вводится так называемый коэффициент активности для К-го компонента в растворе а_к. Коэффициент активности показывает, насколько сильно поведение компонента в раство­ре отличается от закона Рауля (11.7.3)

P_к=а_к Р⁰_к С_жк (11.7.4)

(11.7.5)

Уравнение (11.7.5) обычно используется для нахождения со­става пара при испарении многокомпонентных составов. Основной трудностью в этих расчетах является определение вида функции a=f(P, Т, С), которая может быть найдена методами статистической физики или же определена экспе­риментально.

Рис. 11.7.3. Зависимость концентрации пара от концентрации жидкости при постоянной температуре

В практических расчетах обычно пользуются диаграммами (рис. 11.7.3). Прямая Линия OD соответствует идеальному раствору, подчиняющемуся закону Рауля (11.7.3). При испарении реальной жидкости состава С_жА равновесная концентрация пара соответствует С_пв. В зависимости от сте­пени отклонения системы от равновесия концентрация пара у поверхности подложки может меняться от точки С_пА до С_ПВ. Концентрация пара состава С_ПВ ведет к образованию фазы состава С_жс. Таким образом, испарение компонента сплава с концентрацией С_жА при постоянной температуре приводит в зависимости от сдвига равновесий к конденсации состава, меняющегося от С_жА до С_жс.

Получение тонких пленок сплавов связано со значитель­ными трудностями, связанными в частности с различными скоростями испарения компонентов, состав пленки при этом может значительно отличаться от состава испаряемого мате­риала (рис. 11.7.4).

Рис. 11.7.4. Зависимость толщины (а) и состава (б) пленки от времени испарения при конденсации бинарного сплава

Профиль распределения концентрации одно­го из компонентов осажденной пленки зависит также от ско­рости диффузии компонентов к поверхности испарения из глубины расплава. Диффузия в жидкости может происходить как из-за наличия градиента концентрации, так и градиента температуры (термодиффузии). На практике в целях предот­вращения этого процесса, а также процессов термоконвективного и конвективного переносов расплав энергично переме­шивают.

Из сказанного выше следует, что состав осаждаемых пле­нок зависит как от характера взаимодействия компонентов в расплаве, так и от их индивидуальных физических свойств. Немаловажное значение имеют конкретные характеристики используемой аппаратуры, степень автоматизации управле­ния процессом и контроля свойств выращиваемой пленки, со­става расплава и других характеристик.