Особенности получения тонкопленочного металлического конденсата из паровой фазы

 

3.3. Основные стадии процесса осаждения.

 

Процесс нанесения тонких пленок в техническом вакууме предполагает реализацию следующих основных стадий:

– образование газовой фазы (генерация паров, летучих продуктов);

– перенос атомов, частиц вещества от источника газовой фазы до покрываемой поверхности;

– взаимодействие частиц газовой фазы с поверхностью и образование тонких пленок.

Все известные методы нанесения пленок отличаются способами генерации газовой фазы, режимами и условиями массопереноса и пленкообразования.

Необходимым условием получения качественных тонких пленок является создание в рабочей камере высокого вакуума, что позволяет:

 

1.  Исключить процесс окисления  при нагреве металла до высоких температур.

 

2. Исключить химическое взаимодействие  атомов паровой фазы с молекулами остаточных газов. Это реализуется при условии:

 

,

 

где l – длина свободного пробега; d – характерный размер вакуумной камеры; σ – площадь сечения взаимодействия; n – концентрация атомов в газовой фазе. 

(8)

 

 

Давление паров в вакуумной камере p и их концентрация связаны соотношением p=nkT. Тогда получим следующее выражение для длины свободного пробега:

(9)

 

 

Так как свободный пробег молекул в воздухе при давлении 10-1 мм рт.ст. составляет около 0,4 мм и увеличивается обратно пропорционально давлению, то для процесса осаждения приходится откачивать рабочие камеры до 10-4 мм рт.ст. При таком давлении свободный пробег достигает 400 мм.

 

3. Благодаря вакууму устраняется теплообмен за счет теплопроводности газов и конвекции.

 

 

4. Использование вакуума позволяет  производить высокоэффективную  очистку поверхности, удалять адсорбированные  газовые слои. Основные методы  очистки поверхности заключаются в ее нагреве до температуры 250 - 300 °С, при которой происходит удаление адсорбированных молекул влаги, органических загрязнений и т.д., и ионной обработке поверхности.

 

При вакуумном осаждении тонких пленок предъявляются следующие требования к материалу подложек, на поверхности которых оно формируется:

 

1. Подложка в процессе осаждения  пленки не должна выделять  в вакууме летучие продукты. Часто при металлизации, в частности, полимерных материалов для уменьшения газовыделения поверхность подложки покрывают антидиффузионным слоем, который препятствует выделению летучих материалов в вакуум из объема материала.

 

2. Сохранение размеров и геометрической  формы при тепловом воздействии, которое имеет место при формировании  тонкой пленки. Данное условие  особенно важно для материала подложки, имеющей низкую термостойкость.

 

Характер распределения испаряемого вещества в пространстве над испарителем определяется двумя основными параметрами: рабочим давлением в вакуумной камере:       высокий вакуум (l >> d), средний вакуум (l » d) и низкий вакуум (l <<  d), где l - длина свободного пути молекул; d – линейный размер вакуумной камеры. Если давление паров испаряемого вещества (металла) при температуре испарения не превышает 1,33 Па, то при рабочем давлении в вакуумной камере порядка 10 2 Па и менее молекулы и атомы испаряемого вещества достигают поверхности подложки без столкновений между собой и с молекулами остаточных газов. В этом случае говорят, что реализуется молекулярный режим испарения и конденсации, для которого справедливы законы Ламберта:

Первый закон Ламберта: интенсивность испускаемых под углом φ к поверхности парообразования атомных частиц пропорциональна cosφ (jφ ~ cosφ, где φ– угол между направлением распространения частиц и нормалью к поверхности порообразования  (Рис.10)).

 Второй закон Ламберта: плотность потоков атомов обратно пропорциональна квадрату расстояния от зоны генерации паров до точки, в которой регистрируется плотность потока.

 

 

 

Рис.10. Пространственное распределение испаренных частиц.

По определению, плотность потока атомов равна:

(10)

 

где N–количество атомов, поступающих на нормально расположенную поверхность площадью S за время t.

Тогда на основании второго закона Ламберта получим

(11)

 

На основании данных законов предоставляется возможность расчета толщины осаждаемых пленок, определения оптимальных конструкционных параметров вакуумных установок.

 

 

Заключение.

Главной целью проделанной работы было знакомство с устройством вакуумного оборудования для получения тонких пленок, а так же обзор материала о тонкопленочных слоях, выяснение назначения тонких пленок, какими методами их наносят, и как контролируют параметры технологических процессов и осажденных слоев. Были рассмотрены основные стадии осаждения пленок и механизмы их роста.

 

Список литературы:

 

1. Минайчев В.Е. Нанесение пленок в вакууме/ Минайчев В.Е. -Москва. : "Высшая школа", 1989. -110с.
2. Поут Дж. Тонкие пленки взаимная диффузия и реакции /Под ред. Поута Дж., Ту К., Мейера Дж. Пер. с англ. под ред. Киселева В. Ф. ,  Поспелова В. В. -Москва.: Мир, 1982. -567 с.
3. Майссел Л. Технология тонких пленок: Справочник/ Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. Том 2. Перевод с англ. -Москва. : "Советское радио", 1977.
4. Иевлев В.М. Структурные превращения в тонких пленках / Иевлев В.М.,Трусов Л.И., Холмянский В.А. -Москва.: Металлургия, 1988.-326 с.

1 Патрубок - короткая труба, служащая отводом от основного трубопровода, резервуара и т.п., а также соединительной частью в трубопроводах.

2 Магнетронное распыление — это технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью магнетрона.

Магнетрон — это мощная электронная лампа, генерирующая микроволны при взаимодействии потока электронов с магнитным полем.

3 Магратрон — это магнетронное распылительное устройство, использующееся при напылении тонких плёнок на подложку. Слог «Маг» сокращённо означает магнетронное, «ра» — распылительное, «трон» — электроразрядное устройство.

4Фазовые переходы первого рода - фазовые превращения, при которых плотность вещества, термодинамические потенциалы, энтропия меняются скачком, выделяется или поглощается теплота фазового перехода.

5 Адатом или адсорбированный атом — атом, который находится на поверхности кристалла в процессе роста при молекулярно-лучевой эпитаксии, но ещё не встроился в кристаллическую решётку. Движется по поверхности, пока не найдёт потенциальную яму для встраивания — обычно вблизи ступеней на поверхности или какой-нибудь дефект.