Особенности получения тонкопленочного металлического конденсата из паровой фазы

Когда последняя подложка из шлюза загрузки попадает на конвейер, кассета автоматически опускается вниз, затвор шлюза загрузки закрывается, отсекая его от рабочей камеры. После этого в шлюз загрузки напускается газ до атмосферного давления, поступает команда о замене пустой кассеты кассетой с новой партией подложек и оператор закрывает дверь шлюза. Шлюз через два форвакуумных клапана начинает откачиваться до давления 1,3 Па (10ˉ3 мм рт. ст.), затем закрываются форвакуумные клапаны, открывается затвор шлюза и начинается подача подложек на конвейер.

Во время перегрузки кассет (в течение 2-4 мин) и последующей откачки шлюза конвейер продолжает двигаться, но подложки, естественно, на него не поступают. Таким образом на конвейере образуется разрыв ряда движущихся подложек. Когда этот разрыв подходит к шлюзу выгрузки, автоматически подается команда об окончании выгрузки и закрывается затвор шлюза выгрузки. В шлюз выгрузки напускается воздух до атмосферного давления и включается сигнализация о необходимости провести перегрузку. Оператор открывает дверцу шлюза, вынимает кассеты с пластинами, ставит пустую приемную кассету и закрывает дверь. При этом шлюз через два форвакуумных клапана откачивается до давления 1,3 Па (10ˉ2 мм рт. ст.) . Затем закрываются форвакуумные клапаны, открывается затвор шлюза выгрузки, который оказывается подготовленным к приему очередной партии подложек, и работа установки продолжается.

При отказе микропроцессорной системы управления работу на установке можно довести до конца в ручном режиме.

 

2. Нанесение тонких пленок. Основные сведения.

Все вещества в зависимости от температуры нагрева могут находиться в одном из трех фазовых (агрегатных) состояний- твердом, жидком или газообразном (парообразном). Испарение, т. е. переход вещества в парообразное состояние, происходит, когда с повышением температуры средняя колебательная энергия его частиц возрастает настолько, что становится выше энергии связи с другими частицами и они покидают поверхность (испаряются) и распространяются в свободном пространстве.

Условной, практически установленной температурой испарения считается температура, при которой давление насыщенного пара вещества составляет приблизительно 13 Па.

Температуры плавления и испарения наиболее важных элементов приведены в табл. 1.

 

 

 

 

 

Таблица 1. Температуры плавления и испарения элементов.

 

Из этой таблицы видно, что условная температура испарения большинства элементов выше их температуры плавления, т. е. испарение происходит из жид кого состояния. Некоторые вещества имеют условную температуру испарения ниже температуры плавления, т. е. они достаточно интенсивно испаряются из твердого состояния. Процесс перехода вещества из твердого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу, называют сублимацией (или возгонкой).

Скорость испарения, т. е. количество вещества (в граммах), покидающее 1 см свободной поверхности в 1 с при условной температуре Ту, рассчитывают по формуле:

 

 

(4)

 

где М – молекулярная масс г/моль.

Скорость испарения большинства элементов при Ту составляет 10ˉ4 г/(см2.с). Для получения приемлемых скоростей роста пленки, а также экономного расходования материала (нередко дорогостоящего) следует создавать условия движения частиц испаряемого вещества преимущественно по направлению к подложке. При этом необходим достаточно глубокий вакуум, при котором исключаются столкновения молекул остаточного газа с молекулами вещества и рассеивание их потока на пути к подложке.

Поток испаренного вещества, состоящий из молекул (атомов), не претерпевающих на своем пути столкновений и рассеяний и движущихся вследствие этого прямолинейно, называют молекулярным потоком. Для определения условий существования молекулярного потока удобнее характеризовать степень вакуума не давлением остаточного газа, а средней длиной свободного пробега его молекул.

Из формулы (4) следует, что уже при давлении р = 10ˉ2 Па средняя длина свободного пробега молекул λ 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 10 ˉ3 - 10 ˉ5 Па.

Кроме того, необходимо обеспечивать равномерность распределения толщины пленки на подложке, что является одним из основных ее параметров. Толщина пленки в данной точке подложки определяется количеством частиц, достигающих ее в единицу времени. Площадь испарителей веществ во много раз меньше площади подложкодержателей (поэтому их называют точечными источниками). В результате добиться равномерности потока невозможно.

Как видно из рис.а) скорость нанесения пленки будет неодинакова в точке О ив точках А и В: чем дальше от оси OS эти точки, тем ниже скорость нанесения пленки и тем меньше ее толщина за данное время нанесения. При плоском подложкодержателе неравномерность толщины пленки составляет ± 20 %.

Наиболее простым способом снижения неравномерности распределения пленки по толщине является увеличение расстояния d. Однако это уменьшает скорость конденсации пленки, что отрицательно сказывается на ее свойствах. Максимально возможное расстояние d ограничено размерами рабочей камеры установки.

На практике применяют более сложные способы, одним из которых является придание подложкодержателю сферической формы рис.б) Неравномерность толщины пленки снижается при этом до ± 10 %.

 Если этого недостаточно, используют систему с двойным вращением, так называемую планетарную карусель рис.в), состоящую из приводной вращающейся оси 9, на которой установлены три подложкодержателя 7. Каждый подложкодержатель может вращаться вокруг собственной оси 8 при обкатывании по кольцу 6 . Так осуществляется планетарное движение подложек. При их использовании неравномерность пленок по толщине составляет  ± (3 - 4) %.

Процесс испарения и качество нанесенных пленок в значительной мере определяются типом и конструкцией испарителей, которые могут иметь резистивный или электронно-лучевой нагрев. Выбор типа испарителя зависит от вида испаряемого материала, его агрегатного состояния и температуры в процессе испарения, а также других факторов.

 

 

2.1. Испарители с резистивным нагревом.

 Испарители этого типа могут  быть с непосредственным или  с косвенным нагревом испаряемого  вещества.

Рис. 7 Испаритель с резистивным нагревом.

 Для хорошего теплового контакта  материал испарителя должен хорошо смачиваться расплавленным испаряемым веществом. Между материалом испарителя и испаряемым веществом не должны происходить никакие химические реакции. Для

изготовления испарителей используют тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал, молибден). Основное достоинство этих испарителей - отсутствие теплового контакта между их нагретыми элементами и испаряемым металлом, что обеспечивает высокую чистоту наносимой пленки. Однако они обеспечивают низкую скорость испарения, дают возможность испарять малое количество материала, а также не позволяют испарять диэлектрики и большинство металлов. Испарители с косвенным нагревом, в которых испаряемое вещество нагревается за счет теплопередачи от нагревателя, более универсальны, так как позволяют испарять проводящие и непроводящие материалы в виде порошка, гранул, проволоки, ленты и др. Так как форма испарителя с косвенным нагревом зависит от агрегатного состояния, в котором находится испаряемый материал, их подразделяют на проволочные, ленточные и тигельные.

 

 

Проволочные испарители применяют дня испарения веществ, которые смачивают материал нагревателя. При этом расплавленное вещество силами поверхностного натяжения удерживается в виде капли на проволочном нагревателе. Проволочные испарители изготавливаются V- и W-образной формы, а также спирале- и волнообразной.

 

Ленточные испарители применяются для испарения металлов, плохо удерживающихся на проволочных испарителях, а также диэлектриков и изготавливаются с углублениями в виде полусфер, желобков, коробочек или лодочек. Наиболее распространенными материалами для таких испарителей

является фольга толщиной 0,1 — 0,3 мм из вольфрама и молибдена.

 

Тигельные испарители используют, как правило, для испарения больших количеств сыпучих диэлектрических материалов. Тигли изготовляют из тугоплавких металлов, кварца, графита, а также керамических материалов.

2.2. Испарители с электронно-лучевым нагревом.

 

В таких испарителях используется явления термоэлектронной эмиссии или, другими словами, испускание электронов металлами, нагретыми до высокой температуры.

Рис 8. Испаритель с электронно-лучевым нагревом.

 

Электронная пушка предназначена для формирования потока электронов и состоит из вольфрамового термокатода 6 и фокусирующей системы 7. Электроны, эмиттируемые катодом, проходят фокусирующую систему, ускоряются за счет разности потенциалов между катодом и анодом (до 10 кВ) и формируются в электронный луч 8.

 

Отклоняющая система предназначена для создания магнитного поля, перпендикулярного направлению скорости движения электронов, выходящих из фокусирующей системы пушки, и состоит из полюсных наконечников 1 и электромагнита 2. Между полюсными наконечниками расположены водоохлаждаемый тигель 3 и электронная пушка. Отклоняя электронный луч магнитным полем, его направляют в центральную часть водоохлаждаемого тигля 3. В месте падения луча создается локальная зона испарения вещества из жидкой фазы. Нагретый электронной бомбардировкой материал 4 испаряется, и поток паров 5 осаждается в виде тонкой пленки 9 на подложке 10. Изменяя ток в катушке электромагнита 2, можно сканировать лучом вдоль тигля, что предотвращает образование "кратера" в испаряемом материале.

 

Медные водоохлаждаемые тигли емкостью 50 см3 и более обеспечивают длительную непрерывную работу без добавки испаряемого материала, который, кроме того, не контактирует в расплавленном виде с медными стенками тигля, а значит, и исключается их взаимодействие.

 

3.1. Термодинамика структурных превращений в тонких пленках.

 

Формирование тонкой пленки представляет собой фазовый переход первого рода4, при котором из трехмерной паровой фазы на поверхности подложки образуются и растут зародыши конденсированной фазы. При более детальном рассмотрении оказывается, что этот процесс подчас состоит из многих стадий, на каждой из которых ансамбль адатомов5 образует многочисленные двухмерные и квазидвумерные фазы и структуры, различающиеся типом дальнего порядка, способом расположения атомов в упорядоченных двухмерных структурах, характером эпитаксиального сопряжения с подложкой и т.д. При не слишком высоких температурах, когда основную роль в энергии системы играет энергетический, а не энтропийный член, характер образующейся структуры пленки и типы превращений определяются соотношением между энергией взаимодействия адатомов с подложкой и между собой.

Двухмерные структуры на границе раздела пленка — подложка можно разделить на два основных класса

согласованные структуры, характеризующиеся тем, что отношение периодов пленки и подложки выражается целым числом (простые согласованные структуры) или дробным рациональным числом (нониусные структуры). В первом случае все атомы пленки занимают на поверхности подложки энергетически равноценные позиции, во втором — в одинаковых положениях оказывается лишь некоторая часть атомов;

несогласованные (некогерентные) структуры, характеризующиеся иррациональным отношением периодов пленки и подложки. В этом случае в пленке может устанавливаться лишь более или менее протяженный ближний порядок.

Очевидно, что если энергия взаимодействия между атомами пленки меньше, чем энергия их взаимодействия с подложкой, т.е. потенциальный рельеф достаточно глубок, образуются согласованные структуры. В противоположном случае мелкий потенциальный рельеф не в состоянии "жестко" локализовать атомы пленки, что способствует формированию несогласованных структур.

Термодинамические свойства каждой из возможных структурных модификаций тонкой пленки описываются энергией Гельмгольца (5) F = U — TS, где U — внутренняя энергия; S — энтропия тонкопленочной системы.

 

3.2. Формирование пленок.

Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что особенности  зарождения и роста пленок в различных комбинациях материалов пленки и подложки в первую очередь определяются характером их взаимодействия на межфазной границе подложка — пленка.

Качественный энергетический критерий реализации того или иного механизма роста определяется из условия минимизации поверхностной энергии системы подложка — пленка.

 

 

 

 

 

3.2.1. Характерные механизмы роста пленок.

 

1) Механизм предполагает зарождение пленки путем образования изопированных трехмерных островков — зародышей; дальнейший рост, сопровождающийся увеличением размеров островков, их коалесценцией;  в итоге в зависимости от сочетания материалов подложки и пленки и условий роста формируется сплошная поликристаллическая или монокристаллическая пленке

2) Механизм предполагает зарождение на поверхности кристаллической подложки соответствия параметров кристаллических решеток пленки и подложки; при дальнейшем росте происходит релаксация упругой деформации путем введения на межфазную границу подложка — пленка дислокаций, компенсирующих несоответствие параметров сопрягающихся решеток и поэтому называющихся дислокациями несоответствия. Структура и ориентация пленки определяются структурой и ориентацией поверхности подложки.

3) Механизм предполагает двухмерное зарождение пленки с образованием трехмерных островков при последующем росте.

 

 

Рис. 9 Механизмы роста пленок.

Условие, разграничивающее реализацию того или иного механизма роста, можно получить из анализа соотношений между коэффициентами поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения поверхности равен свободной энергии единицы поверхности. Соответственно эти коэффициенты определяют силы поверхностного натяжения, действующие на единицу элемента длины границы раздела. Согласно этому определению сила dF, действует на бесконечно малый элемент dl границы раздела двух сред. (6) dF=σdl  Из условия равновесия для любого элемента длины линии соприкосновения подложки, трехмерного островка пленки и вакуума получим (7) σs=σs/F+σFcosƟ