Кинетика процесса переноса испаренных атомов к подложке
Вторая стадия процесса напыления тонких пленок – перенос молекул вещества от испарителя к подложке. Если обеспечить прямолинейное и направленное движение молекул к подложке, то можно получить высокий коэффициент использования материала, что особенно важно при осаждении дорогостоящих материалов. При прочих равных условиях это повышает также и скорость роста пленки на подложке.
Произведем оценку давления остаточного газа в камере, необходимого для того, чтобы молекулы испаряемого вещества переносились к подложке без столкновения с молекулами остаточного газа. Вывод точных соотношений, описывающих поведение одиночной молекулы вещества в среде разреженного газа, достаточно затруднен. Поэтому произведем оценку с учетом ряда допущений.
Будем считать, что эффективный диаметр молекулы испаряемого вещества и ее тепловая скорость имеют один порядок величины с аналогичными параметрами для молекул остаточного газа. Тогда вероятность w для молекул вещества преодолеть расстояние s от испарителя до подложки без столкновений определяется экспоненциальным соотношением
 |
где lср – средняя длина свободного пробега молекул остаточного газа.
Если, например, задать вероятность w = 0,95, то это соответствует длине свободного пробега lср = 20 s. На самом деле эта оценка содержит в себе некоторую погрешность, так как средняя длина свободного пробега для молекул остаточного газа определяется в основном температурой стенок камеры (не силь-но отличающейся от комнатной температуры), а для молекул испаряемого вещества lср определяется температурой испарителя.
|
|
|
Согласно молекулярно-кинетической теории вещества длина свободного пробега определяется соотношением
 |
 |
где d – эффективный диаметр молекулы. Если принять, что d » 3,7×10-8 см (эффективный диаметр молекул воздуха), а Т = 300 К (комнатная температура), то lср будет равна
Реальные расстояния между испарителем и подложкой в производственных установках для термовакуумного напыления не превышают 30 см. Поэтому для того, чтобы с вероятностью w = 0,95 молекула смогла долететь до подложки без столкновений, длина ее свободного пробега должна быть примерно равна 600 см. Из (4.7) следует, что такое значение lср обеспечивается при давлении остаточного газа р » 10-3 Па. Рабочее давление в реальных установках для напыления обычно на порядок ниже. Так что можно считать, что молекулы испаряемого вещества переносятся к подложке практически без столкновений с молекулами остаточного газа.
Форма молекулярного пучка (диаграмма направленности испарителя) влияет не только на коэффициент использования материала, но и на равномерность толщины пленки по поверхности подложки. Последнее означает, что плотность потока вещества в плоскости подложки должна быть одинаковой по всей поверхности. Диаграмма направленности реальных испарителей зависит от формы, размеров и равномерности нагрева излучающей поверхности конкретного испарителя. Практически оценить диаграмму направленности и связанную с ней степень равномерности толщины осаждаемой пленки можно лишь для простых геометрических систем. В этих случаях используют аналогию между переносом молекул (прямолинейные траектории) и распространением света, что дает возможность для оценки скорости осаждения пленки использовать законы геометрической оптики.
|
|
|
 |
Согласно этим законам (законам Ламберта-Кнудсена) скорость осаждения пленки в случае «точечного» источника испарения зависит от взаимной ориентации источника и подложки, а также обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними
где j - угол между нормалью к поверхности «точечного» испарителя и радиус-вектором, проведенным от испарителя к подложке; q - угол между нормалью к подложке и направлением распространения молекул испаренного вещества. На рис. 4.2 показано взаимное расположение «точечного» испарителя и подложки. Цифрами 1, 2 и 3 обозначены тигель с испаряемым веществом, кожух испарителя и подложка.
|
|
|
Примером «точечного» испарителя может служить капля расплава, образующаяся в результате воздействия сфокусированного электронного луча на распыляемой мишени. Другой пример – испарение из тигля через круглую диафрагму малых размеров в крышке испарителя (ячейка Кнудсена).
По мере испарения вещества интенсивность потока и диаграмма направленности для большинства типов испарителей постепенно меняются. В этих условиях последовательная обработка неподвижных подложек приводит к разбросу в значениях параметров пленки в пределах партии, обработанной за один вакуумный цикл. Для повышения воспроизводимости подложки устанавливаются на вращающийся диск-карусель. При вращении карусели подложки поочередно и многократно проходят над испарителем, за счет чего нивелируются условия осаждения для каждой подложки и устраняется влияние временной нестабильности испарителя.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 432; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!