Физико-химические основы термовакуумного испарения и осаждения материалов

Широкое применение в радиоэлектронике получили тонкие металлические, полупроводниковые и диэлектрические пленки, выращиваемые на неориентирующих и ориентирующих подложках.

Основными методами получения пленок на не ориентирующих является вакуумное испарение, ионное распыление и химическое осаждение.(1)

Технология нанесение тонких пленок и создание вакуума в рабочих камерах установок базируются на молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Вещества в природе состоят из мельчайших частиц – молекул, которые могут существовать самостоятельно и обладают всеми свойствами данного вещества.

Наблюдения за поведением любого вещества показали, что его молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении независимо от того, в каком находится состоянии вещество: жидком, твердом или газообразном. Это движение обусловлено внутренней кинетической энергией вещества, которая связана с его температурой. Поэтому беспорядочное движение, в котором находятся молекулы, называют тепловым, а теорию, изучающую тепловое движение молекул, – кинетической теории материи.

Если твердое подвергнуть нагреву, то при некоторой температуре оно начнет размельчаться и превращаться в жидкость. При дальнейшем нагревании жидкость начинает испаряться, превращаясь в пар, т.е. переходит в газообразное состояние.

Разреженное состояние газа, т.е. состояние, при котором давление газа в некотором замкнутом герметичном объеме ниже атмосферного, называют вакуумом.(2)

1. Нанесение пленок в вакууме

Процесс нанесения тонких пленок в вакууме состоит в создании потока частиц, направленного в сторону обрабатываемой подложки, и последующей их конденсации с образованием тонкопленочных слоев на покрываемой поверхности.

Таким образом, при нанесении тонких пленок одновременно протекают три основных процесса: генерация направленного потока частиц, осаждаемого вещества; пролет частиц в разряженном (вакуумном) пространстве от их источника к обрабатываемой поверхности; осаждение (конденсация) частиц на поверхности с образованием тонкопленочных слоев.

В соответствии с этим вакуумные установки для нанесения тонких пленок, несмотря на многообразие их назначения и конструктивного оформления, состоят из следующих основных элементов: источника генерации потока частиц осаждаемого материала; вакуумной системы, обеспечивающей требуемые условия для проведения технологического процесса; транспортно позиционирующих устройств, обеспечивающих ввод подложек в зону нанесения пленок и ориентирования обрабатываемых поверхностей относительно потока частиц наносимого материала.

Процесс нанесения тонких пленок в вакууме состоит из следующих операций:

- установки и закреплении подлежащих обработке подложек на подложкодержателе при поднятом колпаке;

- закрытии (герметизации) рабочей камеры и откачки ее до требуемого вакуума;

- включении источника, создающего атомарный (молекулярный) поток осаждаемого вещества;

-нанесении пленки определенной толщины при постоянно работающих источнике потока частиц и вакуумной системе;

- выключении источника потока частиц, охлаждении подложек и напуске воздуха в рабочую камеру до атмосферного давления;

- подъеме колпака и съеме обработанных подложек с подложкодержателя.

2. Метод термического испарения

Основан на нагреве веществ в специальных испарителях до температуры, при которой начинается заметный процесс испарения, и последующей конденсации паров вещества в виде тонких пленок на обрабатываемых поверхностях, расположенных на некотором расстоянии от испарителя. Важным фактором, определяющим эксплуатационные особенности и конструкцию установок термического испарения, является способ нагрева испаряемых материалов: резистивный (омический) или электронно-лучевой.

3.Степени вакуума

Вакуум – это состояние разряженного газа, которому соответствует область давления ниже 10⁵ Па, т.е. ниже атмосферного давления. В зависимости от степени разрежения, различают низкий, средний, высокий и сверхвысокий вакуум. Области давления газов, соответствующие различному вакууму, показаны в таблице 1.(3)

Таблица 1.

4. Средняя длина свободного пути молекул

Согласно молекулярно-кинетической теории, все молекулы (атомы) газов находятся в постоянном беспорядочном тепловом движении. Хаотичное движении молекул объясняется их взаимными столкновениями. В результате этого путь молекул в пространстве при их тепловом движении представляет собой ломаную кривую, состоящую из отдельных прямолинейных участков. Эти участки соответствуют перемещению молекулы без соударения с другими молекулами. Каждый излом пути является результатом упругого столкновения рассматриваемой молекулы с другой молекулой.

Для простоты будем считать, что после столкновения молекула может с равной вероятностью полететь в любую сторону независимо от своего первоначального направления движения.

Путь, проходимый молекулой газа между очередными столкновениями газа, не может быть одинаковым из-за хаотичности теплового движения молекул. Поэтому говорят о среднем пути, совершаемом молекулой газа между двумя очередными столкновениями.

Средняя длина прямолинейных промежутков, из которых слагается зигзагообразный путь молекул газа, называется средней длиной свободного пути молекулы, обозначается λ и является одним из важнейших понятий вакуумной техники.

Очевидно, что значение λ зависит от концентрации молекул. При атмосферном давлении, когда концентрация молекул высока, в результате теплового движения они очень часто сталкиваются друг с другом Чем ниже концентрация, т.е. чем меньше молекул содержится в единице объема газа, тем реже из взаимные столкновения и больше λ. Так как концентрация молекул газа в объеме пропорциональна давлению ρ, значение λ обратно пропорционально давлению газа.

Ниже приведена средняя длина свободного пути молекул воздуха при  20º С и различных давлениях, которую можно рассчитать по формуле

λ=5•10^-1/ρ.

Таблица 2.