Аспекты социологии научного познания в физике Поздняк Н.И. 10.02.22 1.22 Аспекты социология научного познания в физике. Аспекты социологии научного познания в физике Введение
 Скачать 1.97 Mb.
|
|
n 0 𝜕𝑇 𝜕𝑛 , где n 0 - единичный вектор, направленный в сторону возрастания температуры. Этот вектор можно разложить по координатным осям. grad T = 𝜕𝑇 𝜕𝑛 Cos(n , x) = 𝜕𝑇 𝜕𝑥 , grad T = 𝜕𝑇 𝜕𝑛 Cos(n , y) = 𝜕𝑇 𝜕𝑦 , grad T = 𝜕𝑇 𝜕𝑛 Cos(n , z) = 𝜕𝑇 𝜕𝑧 . В декартовой системе координат проще записать gradT = ∇ Т = 𝜕𝑇 𝜕𝑥 I + 𝜕𝑇 𝜕𝑦 j + 𝜕𝑇 𝜕𝑧 k. Тепловой поток Q можновыразитьчерез вектор плотности теплового потока q, как скалярное произведение вектора q и единичного вектора нормали n o к элементарной площадке изотермической поверхности. Q = ∫ 𝒒 𝒏o dS = ∫ 𝑞 n ds , где q n - проекция вектора q на направление нормали n o. В данном направлении интенсивность теплового потока максимальная. Правда, для изотропных материалов теплопроводность не зависит от направления теплового потока. Вектор плотности теплового потока q больше нуля, если угол между этим вектором и нормалью острый. Через малый элемент изотермической поверхности ds за малый промежуток времени dt, тепловой поток dQ пропорционален температурному градиенту 𝜕𝑇 𝜕𝑛 dQ = - 𝛌 𝜕𝑇 𝜕𝑛 dS dt, где 𝛌 – коэффициент теплопроводности, Вт м К Коэффициент можно получить экспериментально или теоретически. Для нескольких веществ значение 𝛌 при давлении воздуха одна атмосфера, а температура - 273 К Медь – 395, алюминий - 207, сталь 20 – 55, водород – 0,172, гелий - 0,143, воздух - 0,0244, водяной парк Вт м К . керамика – 0,8( для 10,6 мкм. При повышении температуры теплопроводность металлов увеличивается, а для большинства жидкостей уменьшается. В расчетах, особенно в лучевых способах нагрева вещества, удобно вместо теплового потока использовать плотность теплового потока q = dQ/ds dt , Вт/м 2 Вектор q направлен вдоль нормали к изотермической поверхности, те. в сторону уменьшения температуры q = - 𝛌n o 𝜕𝑇 𝜕𝑛 , или q = - 𝛌 grad T , где n o - единичный вектор нормали Выведем уравнение теплопроводности, исходя из закона Фурье (1768- 1830). Пусть к малому объему ΔV подводится тепловая энергия от внешнего и внутреннего источников с виде непрерывной функции q = q(x, y, z, t). Здесь q представляет собой объемную мощность источника тепла. Из теории поля предел отношения вектора q к величине объема тела V, когда объем стягивается в точку, пусть точка М, называется дивергенцией вектора q , Дж/м 3 с. divq = lim ∫ 𝒒 𝒏 𝑑𝑠 𝑉 при V → M. Тогда ΔQ = - divq ΔV Δt , где divq = 𝜕𝑞𝑥 𝜕𝑥 + 𝜕𝑞𝑦 𝜕𝑦 + 𝜕𝑞𝑧 𝜕𝑧 в декартовой системе координат. Внутреннюю энергию элемента ΔV, или энтальпию (h), в некоторый момент времени, можно определить из выражения 𝜌ΔVh(x, y, z, t), где 𝜌 – плотность вещества, кг/м 3 . Через время Δt имеем 𝜌 ΔV h(x, y, z, t + Δt) . ист = 𝜌ΔV [h(x, y, z, t + 𝛥𝑡) – h(x, y, z, t)] = divq ΔV Δt + q v ΔV Δt , правую и левую части разделим на - ΔV Δt и перейдем к пределу при Δt → 0 изменения функции энтальпии 118 lim ℎ(𝑥,𝑦,𝑧,𝑡 + 𝛥𝑡) − ℎ(𝑥,𝑦,𝑧,𝑡) 𝛥𝑡 = 𝜕ℎ 𝜕𝑡 если Δt → 0, т.к. T = T(x, y, z, t) и h =h(T, p) и p = p(x, Y, z, t) имеем 𝜕ℎ 𝜕𝑡 =( Т 𝜕𝑇 𝜕𝑡 + ( 𝜕ℎ 𝜕𝑝 ) T 𝜕𝑝 𝜕𝑡 , для изобарического процесса р = Const и поэтому 𝜕ℎ 𝜕𝑡 =( Т 𝜕𝑇 𝜕𝑡 = C p 𝜕𝑇 𝜕𝑡 , где C p - теплоемкость при постоянном давлении. В итоге ист 𝛥𝑡 = 𝜌C p 𝜕𝑇 𝜕𝑡 = -divq + q v , но q = - 𝛌gradT, тогда закон Фурье имеет вид 𝜌C p 𝜕𝑇 𝜕𝑡 = -div(𝛌gradT) + q v . Если 𝛌 = С, тогда 𝜕𝑇 𝜕𝑡 = 𝜆 𝜌Cp div(gradT) + Введем коэффициент температуропроводности через известные коэффициенты a= 𝜆 𝜌𝐶𝑝 , мс. Значение коэффициента - а для меди – 1,16*10 - 4 , для воздуха – 1,88*10 -5 , для воды(373К) - 1,69*10 -7 Теперь 𝜕𝑇 𝜕𝑡 = a[div(gradT) + q v ], или посредством оператора лапласиан в декартовой системе координат 𝜕𝑇 𝜕𝑡 = a(𝜕 2 𝑇/𝜕𝑥 2 + 𝜕 2 T/𝜕𝑦 2 + 𝜕 2 T/𝜕𝑧 2 ) + 𝑞 𝑣 𝜌𝐶 𝑝 , или 𝜕𝑇 𝜕𝑡 = a∇ 2 T + 𝑞 𝑣 𝜌𝐶 𝑝 , , полученное дифференциальное уравнение и есть уравнение Фурье. Пусть объемная плотность мощности источника тепла внутри материала выражается функцией – f(x, y, z, t) , тогда уравнение теплопроводности 𝜕𝑇 𝜕𝑡 - a ΔT = f(x,y,z,t) 𝜌𝐶𝑝 , где 𝜌𝐶𝑝 – удельная объемная теплоемкость вещества мишени, Т – температура в произвольной точке мишени. Функцию f(x, y, z, t) можно представить в форме f(x, y, z, t) = - 𝜕𝑞(𝑥,𝑦,𝑧,𝑡) 𝜕𝑥 = α(x)q(y, z, t)exp(− ∫ 𝛼(𝑥)𝑑𝑥 𝑥 0 ) . где α(x) – коэффициент поглощения лазерного излучения веществом мишени, q(y, z, t) 119 – плотность теплового потока на поверхности мишени во времени. При этом, в соответствии с законом Бугера-Ламберта поглощение световой энергии происходит согласно выражению q(x) = q 0 (1 – R)exp(− ∫ α(x)dx 𝑥 0 ), где R – коэффициент отражения поверхности мишени, который может изменится во времени, в результате воздействия высоких температур, q 0 - начальная плотность потока энергии лазерного луча, а α(x) − коэффициент поглощения света в поверхностном слое материала. В ряде случаев, коэффициент поглощения световой энергии не изменяется, например, при низких плотностях мощности излучения или для сверхкоротких импульсов. Тогда α(x) = Const и q(x) = q 0 (1 – R)exp(− 𝛼𝑥). Выбор типа лазера, и соответственно длины волны, излучения зависит от поставленной задачи, Для обработки конкретных материалов - металлов или диэлектриков, следует учесть их оптические характеристики. Металлы хорошо поглощают излучение неодимовых лазеров с длиной волны 1,06 мкм, и хорошо отражают излучение СО лазера с длиной волны 10,6 мкм. Большинство оптических диэлектриков прозрачны для 𝛌 = 1,06 мкм, и хорошо поглощают излучение на 𝛌 = мкм. Широкозонные полупроводники, типа сульфид цинка, на длине волны 10,6 мкм ведут себя как диэлектрики. Характерная величина коэффициента поглощения металлов α = 10 5 – 10 6 см- 1 , а коэффициент отражения для полированных поверхностей может доходить до 98%. у диэлектриков на соответствующей длине волны коэффициент поглощения лазерного излучения составляет значение 10 4 -10 5 см -1 (размерности см соответствует значение выражения hc/𝛌 = 19,86*10 —24 Дж = 1,24*10 —4 эВ. Величину прогретой области лучом лазера у металлов и широкозонных полупроводников можно грубо оценить как √𝑎𝑡, где а = 𝜆 𝜌𝐶𝑝 – температуропроводность. 120 Для решения задачи теплопроводности Фурье 𝜕𝑇 𝜕𝑡 - a ΔT = f(x,y,z,t) 𝜌𝐶𝑝 , необходимо добавить начальные и граничные условия. В условиях быстропротекающих и высокотемпературных процессов теплообменом с внешней средой можно пренебречь. Для локального поверхностного нагрева сфокусированным лазерным лучом начальное условие T(x, y, z, t) = Тн при t = 0. Для поверхностного нагрева, когда тепловая энергия передается вглубь, то есть, по оси Ох, граничное условие выглядит T(x, t) = 0 при x = 0. Решение похожей по смыслу задачи теплопроводности приведено у Карслоу и Егеря и Лыкова[x] вместе с таблицей функции ошибок Гаусса Ф(х) и Ф (x), в другой записи 𝑖 𝑛 erfcx Функция Ф(х) = 2 √𝜋 ∫ 𝑒 −𝜗 2 𝑥 0 d𝜗 при этом Ф) = 0, Ф) = 1, Ф(-х) = -Ф(х), Ф (0) = 1 Ф (х) = 1 – Ф(х) и 𝑖 𝑛 Ф ∗ (х) = ∫ 𝑖 𝑛−1 ∞ х Ф ∗ (𝜗)𝑑𝜗, где n = 2, 3, 4,… В упрощенном варианте, когда источником тепла является излучение лазера, решение имеет вид (работа Вейко В.П.) T(x, t) = 𝑞 2𝜋𝜆 х х {𝑒𝑥𝑝(𝛼 2 𝑎𝑡) [ 𝑒𝑥𝑝(−𝛼𝑥) Ф − 𝑥 2√𝑎𝑡 ) + 𝑒𝑥𝑝(𝛼𝑥) Ф + 𝑥 2√𝑎𝑡 ) + + 4𝛼√𝑎𝑡 𝑖 Ф ( 𝑥 2√𝑎𝑡 ) − 2𝑒𝑥𝑝(−𝛼𝑥) ]} Для непрерывного и импульсного лазерного нагревания мишени, следует выражение T(x, t) = 2 𝑞 0 𝜆 (1 − 𝑅)√𝑎𝑡 ( 1 √𝜋 − 𝑖 erfc 𝑟 0 2√𝑎𝑡 ) + Т н , для непрерывного излучения √𝑎𝑡 ≫ 𝑟 0 , а для импульсного излучения 𝑟 0 ≫ √𝑎𝑡 . Так как функцию erfcx можно разложить вряд, то для непрерывного излучения получим температуру в пятне T = 𝑞 0(1−𝑅) 𝜆 + н , для импульсного 121 излучения имеем : T = 2 √𝜋 𝑞 0(1−𝑅)√𝑎𝑡 𝜆 + Т н где 𝑞 0 – плотность потока излучения в лазерном пятне на мишени, R – коэффициент отражения поверхности мишени на определенной длине волны лазера, 𝜆 − коэффициент теплопроводности, а – коэффициент температуропроводности. Как уже отмечалось, плотность мощности лазерного луча на поверхности мишени описывается законом Бугера-Ламберта: q(x) = q 0 (1 – R)exp(− 𝛼𝑥), если коэффициент поглощения - α изменяется незначительно. Для широкозонных диэлектриков температуру на поверхности можно оценить по формуле T(x, t) = 𝑞𝛼𝑡 𝜌𝐶 exp(− 𝛼𝑥), или T(t) = 𝑞𝛼𝑡 𝜌𝐶 + нс учетом высокого значения коэффициента поглощения α и малого значения толщины прогретого слоях. Для металлов оценка температуры дает , T(t) = к + Тн. Полученные упрощенные формулы для оценки температуры при нагреванию лазерным лучом достаточно близки к результатам конкретных экспериментов. 14. Способы осаждения тонкопленочных покрытий Тонкопленочные полупроводниковые покрытия, широко используемые в фотоэлектрических устройствах, обычно получают методами вакуумного и безвакуумного осаждения катодное, резистивное, электроннолучевое, лазерное, молекулярной эпитаксией, газофазного осаждения и др. Все методы требуют чистоту материалов, чистоту поверхности для осаждения подложка, высокой степени вакуума, минимальных концентраций остаточных газов и соблюдения технологических требований. Механизм образования сплошной пленки начинается с образования зародышей по 122 разным схемам электромагнитной миграции и диффузии ионов по поверхности подложки. Базовой технологией изготовления микроэлектронных чипов является метод резистивного вакуумного испарения материалов, однако, сверхтонкие монокристаллические структуры устойчиво получаются лишь в технологиях эпитаксии газофазной и молекулярно-пучковой. Технология вакуумного напыления включает отдельные технологические этапы подготовка материалов и техники, получение необходимого вакуума, испарение мишени, перенос конденсата на подложку, формирование структуры покрытия. Для конкретной пленки подбирается материал мишени, исходя из физико-химических свойств вещества и формы мишени порошок, таблетка, массив или керамика, типа «Иртран». Выбор метода напыления, в первую очередь, зависит от назначения тонкопленочного покрытия, и, тем самым от мишени. В свою очередь, выбранный метод вакуумного напыления, требует соответствующей степени вакуума. Для катодных методов (катодное, магнетронное, ионно- плазменное, в том числе, высокочастотное) требуют вакуум от 1 Па до 0,01 Па. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии требует сверхвысокий вакуум ниже 10 -8 Па. Понятно, степень вакуума должна обеспечить свободный пробег молекул от мишени до подложки. Поток молекул и атомов, не испытывающий столкновений, называют молекулярным. В упрощенном варианте, механизм испарения заключается в том, что при повышении температуры поверхности мишени колебательная энергия частиц возрастает и становится выше энергии связи между частицами. На границе двух фаз энергия связи меньше, чем внутри материала мишени. Получая импульсы от соседних частиц, наиболее быстрые частицы покидают поверхность, то есть испаряются. Часть испарившихся частиц может вновь конденсироваться. В 123 итоге, получаем состояние равновесия. Температуру, при которой давление насыщенных паров не менее 1,3 Па, называют температурой испарения. Обычно, температура испарения выше температуры плавления. Но имеются вещества, которые испаряются из твердой фазы (лед, магний, хром, титан. Обычно, степень вакуума принято подразделять по групп низкий вакуум, когда средняя длина свободного пробега – l меньше размера камеры - d. Средний вакуум, когда l ≈ 𝑑 . Сверхвысокий вакуум, когда l≫ 𝑑. В настоящее время, в лабораторных условиях получен вакуум на уровне 10 -14 Па. В серийном производстве вакуумные установки обеспечивают степень до 10 -4 -10 -6 Па. В методах катодного и ионно-плазменного распыления степень вакуума, в принципе, должна быть низкой по причине поддержания высокой плотности плазменного разряда. Существует несколько разновидностей термического напыления тонких пленок. Выбор того или иного способа зависит от поставленной задачи и материала мишени. К основным методам термического напыления можно отнести обычный резистивный нагрев испарителя и лучевые методы лазерный и электроннолучевой. Резистивный метод основан на использовании джоулевого тепла при пропускании тока через нагреватель. Лучевые методы используют энергию квантов света и энергию ускоренных электронов. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Во всех случаях вещество мишени в результате фазовых превращений переходит из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное. Правда, имеется ряд веществ, которые могут сублимировать прямо из твердого состояния цинк, кадмий, магний. Испарившиеся частицы мишени в условиях высокого вакуума не испытывают столкновений и оседают на подложку, которая обычно прогревается. Имея достаточную тепловую энергию частицы мишени, могут или реиспариться, или адсорбироваться на подложку, передавая ей часть своей энергии. В 124 результате диффузионных процессов частицы могут мигрировать по поверхности подложки. Встретив на своем пути другую частицу, они могут объединиться, образуя постепенно группу, которая может стать центром кристаллизации или кластера. На начальном этапе формирования конденсата отдельные группы отдалены друг от друга. Таким образом, получается островковая структура, которая в дальнейшем трансформируется в сплошное покрытие по мере поступления конденсата. Структура покрытия на начальном этапе существенно зависит как от физических и механических свойств подложки, таки от ее температуры. Высокая температура подложки способствует миграционным процессам, те. увеличивается время диффузионного перемещения частица значит, растет вероятность формирования более крупных образований (зерен и кластеров. В этом случае островковая структура может сохраняться достаточно долго, а вновь поступающие частицы идут на достройку зерен. На холодных и неориентированных подложках, например, аморфных, миграционные процессы менее выражены и островковая стадия заканчивается значительно раньше. При этом размер зерен меньше и пленка становится сплошной раньше, однако, в этом случае не следует ожидать от нее кристаллического строения. Система вакуумного резистивного напыления включает необходимые элементы вакуумное оборудование, испаритель, подложкодержатель, нагреватели, источники питания, контрольно- измерительные приборы и др. Испаряемое вещество-мишень размещается на испарителе в виде токопроводящих лент, лодочек, спирали, нити или тугоплавких тиглей, косвенного нагрева. Проводящие испарители изготовляются из тугоплавких металлов тантал, молибден и вольфрам. Пока испаритель выводится в рабочий режим, подложка экранируется поворотной заслонкой. Температура 125 подложки играет существенную роль при формировании покрытия и ее чистоты. Осаждение паров вещества на подложку с низкой температурой выше, чем на горячую подложку. Однако, время формирования структуры пленки снижается ввиду низкой энергии миграции и диффузии адатомов. С другой стороны, скорость напыления на горячую подложку уменьшается в результате процессов реиспарения. Современные безмасляные вакуумные установки позволяют производить напыление при разряжении остаточных газов вплоть до 10 -11 мм.рт.ст. Процесс термического резистивного напыления зависит от многих факторов степени и чистоты вакуума, строения, чистоты и температуры подложки, химических свойств испарителя и мишени. При температуре испарения мишени, нагреватель не должен заметно испарятся, и вступать в химическое взаимодействие с веществом мишени. Сохранение одинаковой стехиометрии испаряемого вещества и состава пленки является ключевой задачей всех технологий тонкопленочного производства. Если компоненты сложного вещества мишени обладают разной летучестью, то при термическом испарении можно ожидать явление термической диссоциации. Однако, существуют вещества, например, MgF 2 , SiO 2 , и др, которые могут испаряться без изменения стехиометрического состава при условии, что температура мишени не слишком высокая, а давление в камере не слишком низкое. Экспериментально установлено, что вместо исходного соединения, например, АВ возможно образование ассоциаций типа AnBn, например, для соединений KCl, AgCl, NaCl. Доля таких образований может возрастать с понижением температуры на мишени. У соединений типа А 2 В 6 диссоциация чаще происходит сразу после испарения. На подложку оседают отдельные компоненты, которые затем могут снова образовать исходную стехиометрию. Проблему 126 нарушения стехиометрии тонкопленочного покрытия в методе резистивного испарения можно частично решить, используя разновидности этого метода. Так в режиме реактивного испарения, когда компоненты бинарного соединения имеют значительные расхождения давлений паров при одинаковой температуре, в вакуумную камеру вводят реактивный газ (кислород, азот, хлор и др. Молекулы газа компенсируют дефицит данных элементов в бинарном соединении на подложке и тем самым способствуют формированию стехиометрических покрытий. Такую же задачу решают методы дискретного взрывного испарения и испарения с двух и более резистивных нагревателей. В методе дискретного испарения на перегретый испаритель сбрасываются небольшие порции вещества мишени. Происходит почти мгновенное испарение, при котором бинарное соединение не успевает диссоциировать и оседает на подложку. Однако, ввиду высоких тепловых энергий из испарителя могут лететь не только атомы и молекулы, но и крупные частицы, ухудшающие характеристику конденсата. Напыление из двух источников уменьшает риск загрязнения подложки продуктами химического взаимодействия вещества мишени и нагревательного элемента, т.к. компоненты химического соединения мишени испаряются отдельно. Нов этом случае требуется предварительная отработка температурных и временных режимов. Следует отметить, что метод резистивного вакуумного напыления стал развиваться раньше других вариантов и, может быть, по этой причине разработан глубже и надежнее других методов вакуумного напыления. В настоящее время этот метод является основным в производстве элементов приборов электроники и микроэлектроники. К достоинствам данного метода напыления тонких пленок можно отнести 127 - относительная техническая простота - технологичность - высокий и относительно чистый вакуум, априори, не загрязняет подложку и конденсат - возможны сочетания с другими способами напыления - непосредственный технический контроль и регулирование параметров самого процесса напыления и конечного продукта обеспечивают воспроизводимость серийного продукта. К недостаткам самого метода в чистом виде без привлечения других средств можно отнести - возможность загрязнения покрытий частицами испарителя - трудно испарять тугоплавкие вещества - возможно селективное испарение сложных по химическому составу веществ - требуется относительно длительное время для подготовки самого процесса вакуумного напыления. Отдельного внимания требует рассмотрение метода термического напыления монокристаллических тонких и сверхтонких пленок в сверхвысоком вакууме. Этому методу дано собственное название – молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ), в отличии от газофазной эпитаксии, не требующей вакуума. В случае использования лазерного и электроннолучевого испарителей этот метод называют молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ). Собственно, технологии МПЭ и МЛЭ представляют собой методы термического напыления тонких пленок, но разработанных с учетом новейших достижений в области вакуумной техники, систем контроля и управления, достижений науки. Испарение вещества мишени происходит из эффузионной ячейки, и, если надо, из двух и трех ячеек, которые могут быть нагреты дои более градусов. Тигель ячейки изготовлен из пиролитического нитрид бора или особо чистого графита, который косвенно разогревают 128 электрическим током или лучом, чаще лазерным. Сверхвысокий вакуум обеспечивается средствами безмасляной откачки, предварительного прогрева всей системы и постоянного контроля параметров паровой фазы, температуры, давления остаточных газов, состояния поверхности подложки. Для этого используют квадрупольный масс-спектрометр, дифрактометр отраженных быстрых электронов, Оже–спектроскопия, электронная пушка с энергоанализатором вторичных электронов, ионная пушка для очистки подложки и ее травления и.т.п. При напылении сложных соединений компоненты соединения испаряют из отдельных эффузионных ячеек. Принято пространство между ячейкой и подложкой делить на зоны зона генерации молекулярных пучков, зона смешения потоков частиц и зона кристаллизации, непосредственно примыкающей к подложке, в которой начинается эпитаксия. К основным процессам эпитаксии на атомном уровне считаются адсорбция атомов и молекул на подложку, поверхностная миграция, присоединение адсорбированных атомов и молекул к кристаллической решетке подложки или новым сформированным эпитаксиальным слоям, термическая десорбция. Механизмы формирования эпитаксиальных покрытий непосредственно связаны с соотношениями сил поверхностного натяжения, а значит энергий активаций между атомами и молекулами верхнего слоя подложки ( 𝜎 пп ), между атомами и молекулами подложки и конденсата ( 𝜎 пк ), между атомами и молекулами конденсата ( 𝜎 кк ). Для трехмерного островка или зародыша полное смачивание будет при угле смачивания равном нулю ( 𝜑 = 0). В общем случае, имеем связь коэффициентов поверхностного натяжения 𝜎 пп = 𝜎 пк + 𝜎 кк Cos Если = 0 , то механизм роста пленки считается плоским, если 𝜑 = 9 градусов, то смачивания слабое и первичный слой пленки состоит из зародышей и островков. Для 𝜑 > на поверхности подложки в основном зародыши. Однако, существует критическая температура 129 подложки, при которой значительная часть частиц может реиспариться. От температуры подложки зависит скорость диффузии частиц на ней. Если атом или молекула успели провзаимодействовать с другими частицами на подложке, то они считаются адсорбированными. Замечено, что адсорбция отдельных атомов и молекул чаще происходит на дефектах, сколах и ступеньках кристаллической решетки подложки. В случае взаимодиффузии, при которой происходит обычный обмен частиц пленки и подложки, тогда можно ожидать более гладкую структуру поверхности покрытия. Из сказанного можно сделать некоторые выводы в отношении вариантов роста пленки. Послойный рост по Франку – ван дер Мерве подразумевает, что каждый новый слой образуется после завершения роста предыдущего. Островковый рост по Вальмеру-Веберу наблюдается в случае, когда энергия активации адатомов выше энергии связи адатома и подложки. В случае значительного несоответствия кристаллических решеток пленки и подложки более вероятен рост по Странски – Крастанова, когда на поверхности первого слоя формируются трехмерные островки, как основа для поликристаллической структуры тонкопленочного покрытия. Понятно, что совершенные монокристаллические эпитаксиальные пленки можно получить при гомоэпитаксии, когда имеется полное или близкое соответствие параметров решеток пленки и подложки. Кроме того, требуется оптимальное соотношение температуры подложки и плотности насыщенного пара вблизи подложки. Гетероэпитаксиальный рост пленок, когда имеется сильное несоответствие химических свойств пленки и подложки, требуется больше заботиться о параметрах напыления и контроля качества тонкопленочного покрытия. При больших скоростях поступления 130 конденсата на подложку трудно ожидать получение совершенных структур, поэтому в методе молекулярно-пучковой эпитаксии скорости напыления не могут быть высокими. С учетом сложности проблемы, установки молекулярно-пучковой эпитаксии, по определению не могут быть простыми. Это обычно, многомодульные системы, в которых комплексно решаются задачи самой технологии напыления, подготовки, контроля, управления и.т.п. Под эпитаксией тонких пленок понимают получение монокристаллического покрытия из паровой фазы на ориентирующую монокристаллическую подложку. В случае гомоэпитаксии мишень и подложка являются монокристаллическими одинакового химического состава. Для гетероэпитаксии различие в структурных свойствах мишени и подложки, состоящих из разных монокристаллов, должно быть условно не более десяти процентов. В противном случае, рост пленки будет сопровождаться образованием разного рода дислокаций, которые нарушают порядок кристаллической решетки. Рост пленки начинается с образованием мелких кристалликов на тех гранях подложки, где имеется максимальное структурное совпадение обеих атомных систем. По мере поступления конденсата плотность кристалликов на единицу площади возрастает, и пленка становится сплошной. При этом, первые атомные и молекулярные слои повторяют морфологию подложки, а затем формирование пленки идет независимо от свойства поверхности подложки. Лучевые методы напыления Принцип действия электроннолучевого испарителя условно напоминает работу электроннолучевого телевизора и вакуумных электроннолучевых приборов. Используется в многочисленных технологиях и научных исследованиях, в частности, для получения наноструктур в оптике и микроэлектронике. 131 Эмитируемые горячим катодом электроны ускоряются в электрическом поле. Управление электронным лучом и его фокусировка осуществляется магнитным полем. Процесс электронно- лучевого испарения заключается в бомбардировке материала мишени ускоренными электронами. Кинетическая энергия электронов преобразуется в теплоту. Между катодом и анодом устанавливается электростатическое напряжение величиной 10 – 25 кВ. Плотность мощности излучения на поверхности мишени может достигать значения 10 5 Вт/см 2 . В качестве примера рассмотрим нагревание мишени из керамики сульфида цинка (иртран-2) в импульсном режиме электронного луча. Мишень установлена на заземленный металлический держатель. eU = mV 2 /2 = Q 0 , Дж, где Q 0 – теплота, переданная мишени от одного электрона, Дж е – заряд электрона, Кл U – напряжение между катодом и анодом, В m масса электрона, кг V – скорость электронам с Пологая, что напряжение равно 20 кВ и средняя мощность электронного луча составляет около 50 Вт, имеем в каждую секунду тепловую энергию Дж. Тогда можно оценить величину тока луча и температуру на поверхности мишени. Q = NQ 0 , q = Ne, I =q/t I = Qe/Q 0 t = Q/Ut, отсюда I = 50/2*104 = 2,5 мА, Поверхностная плотность мощности излучения для электронного луча диаметром 1,5 мм составит Ps = P/S , те. приблизительно 700 Вт/см 2. Повышение температуры на поверхности мишени можно оценить из соотношения Qs = Т или ΔT = 3 Qs/ 4πR o 3 C 𝜌. где Qs = Ps t С – теплоемкость материала мишени, Дж/моль К, R 0 – эффективный радиус пятна разогрева, м, 132 𝜌 – плотность материала мишени, кг/м3, Пусть для сульфида цинка C=45Дж/моль К = 463Дж/кг К, 𝜌 = 4,08 г/см3 и R 0 = 1,5 мм, тогда через одну минуту температура станет около 1570 С. Этот результат является оценочным, т.к. не учитывает множество факторов, например, истинную глубину проникновения потока электронов в мишень, ослабление потока и энергии электронов из-за перезарядки поверхности мишени и др. Катодом обычно служит нагретая до высокой температуры вольфрамовая проволока. На него подается ускоряющее напряжение. Анодом служит сама мишень, если она из металла, или металлическая петля вблизи мишени, которые заземляются. Для фокусировки электронного луча используется электронная пушка, а для управления лучом, например, сканирование по поверхности мишени, служит магнитная линза, заимствованные из электронно-лучевых телевизионных систем. Для уменьшения нагревания металлического, обычно медного, держателя мишени, его охлаждают проточной водой, устраняя, тем самым, конденсат от загрязнения атомами мишени. Периодически катод приходиться менять, ввиду, зрозии и уменьшения его эмиссионных свойств, положительными ионами и химическими загрязнениями от испаряемого вещества и остаточных газов. Ионизация остаточных газов может приводить к расфокусировке луча, поэтому степень вакуума желательно держать на уровне не хуже Па. Опять же, при высокой плотности паров вещества и его ионизации между катодом и стенкой вакуумной камеры может возникнуть тлеющий разряд, мешающий управлением электронного луча. Если на катод подано напряжение порядка кВ может возникнуть мягкое рентгеновское излучение, от которого приходится защищаться свинцовым экраном. Испарение металлов, даже тугоплавких, типа молибден, вольфрам электронным лучом не вызывает принципиальных затруднений. Некоторые трудности возникают при испарении металлов с высокой 133 теплопроводностью, типа медь, алюминий. Другое дело, испарение диэлектриков и широкозонных полупроводников, поверхность которых заряжается отрицательно. Этот заряд препятствует дальнейшей бомбардировке, и испарение вещества мишени практически прекращается. В этом случае используют пульсирующий режим электростатического поля, а мишень устанавливается на металлический держатель. Вовремя паузы отрицательный заряд с поверхности мишени успевает стечь на землю. При воздействии на мишень остросфокусированным лучом, как правило, на поверхности мишени возникает кратер, образование которого можно уменьшить путем сканирования луча по поверхности. Для уменьшения попадания испарившихся частиц мишени на катод и управляющую систему можно использовать принцип масс- спектрометрии, при котором луч отклоняется на 180 и даже 270 градусов. Электронно-лучевой способ получения тонких покрытий используется не так широко, по сравнению с обычным резистивным методом термического напыления, скорее всего, из-за его сложности, однако, этот метод имеет ряд очевидных достоинств. Процесс формирования тонкопленочного покрытия зависит от многочисленных факторов степени пересыщенного пара, чистоты, совершенства и температуры подложки и др. Существует температурный порог эпитаксиального роста, ниже которой пленка останется неориентированной. В газофазном методе, в отдельных случаях, удается получать монокристаллические пленки на аморфных подложках, типа плавленый кварц. Но для этого, подложку специальным образом подготавливают, осаждая на нее ориентирующий подслой. 134 Разработаны и широко применяются такие методы эпитаксиального роста, как жидкостная, газофазная молекулярно-лучевая эпитаксия. При этом, под лучевой эпитаксией следует понимать варианты вакуумного напыления монокристаллических пленок и безвакуумный вариант, когда лазерное излучение способствует формированию эпитаксиальных покрытий в газофазном процессе. Методы эпитаксиального роста тонких пленок используется не только в микроэлектронике и оптике, но и для выращивания многослойных гетероструктур, используемых в полупроводниковых лазерах и интегральной оптике. Формирование макроструктур, например, кристаллов начинается на наноуровне, когда атомные и молекулярные слой за слоем постепенно образуют форму твердого тела, как результат массопереноса, действия температуры, давления, химической активности, концентрации и др. факторов. Само понятие тонкой пленки весьма условное. Слой вещества толщиной в один миллиметр значительно отличается от его массивного состояния. Микронные, а тем более, нанослои получают совершенно новые и уникальные физико-технические свойства, В настоящее время интерес физиков и технологов прикован к методам создания сверхтонких покрытий, измеряемых несколькими атомными слоями. Способов получения тонких покрытий достаточно много, это вакуумные и безвакуумные технологии, химические и электрохимические, термические и ионизационные и др. Однако основной задачей тонкопленочного производства является получение структур с заранее заданными свойствами. Слишком много факторов влияет на качество тонкопленочных покрытий - это качество вакуума, это физико-химические свойства мишени и подложки и их стерильная чистота, это, порой, непредсказуемая физика поверхностных явлений в процессе формирования структуры пленки, это строгое соблюдение технологического процесса напыления, путем контроля всех этапов получения покрытий с заданными характеристиками. В итоге, для 135 каждого нового изделия приходиться проводить постановочные эксперименты, добиваясь нужного результата. В микроэлектронной и оптической промышленности базовой технологией производства тонкопленочных покрытий является термическое вакуумное напыление с применением резистивных испарителей. С появлением лучевых источников энергии расширились возможности термических методов производства тонкопленочных покрытий любых материалов и со свойствами, недостижимых способом резистивного испарения. В принципе, перед технологами стоят три основных задачи при производстве изделий микроэлектроники – это соблюдение стехиометрии, однородность пленок по толщине и структуре, получение покрытий с ожидаемыми оптическими и электрофизическими свойствами. Одним из преимуществ лучевых источников, в особенности, лазерных, является их способность испарять любые ив том числе, самые тугоплавкие вещества. Другим достоинством является их управляемость и безынерционность. В отличие от непрерывного лазерного способа испарения, близкого, по сути, к электроннолучевому и резистивному методам, напыление импульсными лазерами в научной литературе уделено значительно больше внимания. Действительно, в импульсном испарении веществ можно получить совершенно новые эффекты, варьируя длительность и длину волны излучения, что, собственно, и привлекает исследователей. Лазерные методы напыления пока находятся на стадии экспериментального и теоретического изучения. В нанотехнологии метод импульсного лазерного напыления в условиях сверхвысокого вакуума уже применяется, как наиболее перспективный. Сверхкороткие, но мощные лазерные импульсы способны испарять единичные атомные и молекулярные слои, что и требуется для нанотехнологии. Несомненно, лазерные способы испарения материалов в серийном производстве изделий микроэлектроники и оптики займут свое место, ввиду уникальных свойств когерентного излучения оптических квантовых генераторов. 136 Серьезным преимуществом метода лазерного напыления является размещение оптического генератора вне вакуумной камеры. Это, с одной стороны, упрощает технологию, ас другой стороны, позволяет проводить напыление в условиях сверхвысокого вакуума, что для электронно-лучевого напыления является проблемой. В зависимости от поставленной задачи применяют режимы импульсного или непрерывного испарения мишени. Импульсное лазерное напыление (ИЛН) характеризуется достоинствами - в отличие от резистивного испарения, лазерный луч непосредственно воздействует на мишень, избегая тем самым загрязнений пленок веществами самого резистивного испарителя - возможность испарять самые тугоплавкие материалы, так как температура на мишени может достигать несколько тысяч градусов. Это обстоятельство позволяет получать стехиометрические покрытия, ввиду того, что при таких высоких температурах компоненты вещества мишени испаряются конгруэнтно, те. одинаково высокие мгновенные скорости напыления позволяют формировать беззародышевые сплошные мономолекулярные пленки, близкие по своим параметрам к пленкам, полученных способом молекулярно-пучковой эпитаксией. Одним из объяснений этого факта считается, что при импульсном частотном режиме за время между импульсами скорости миграции адатомов не хватает для образования зародыша и на подложку успевают адсорбироваться новые адатомы; - контролируемое нанесение отдельных слоев в каждом импульсе толщиной от 0,1 до 10 с позволяет автоматизировать процесс напыления воспроизводимых пленок. Выбор режима напыления определяется материалом мишени и назначением покрытия. В настоящее время существует большая номенклатура типов и режимов лазерных систем. На практике чаще используются иттрий-алюминиевые ( 𝛌 = 1.06 мкм) и газовые СО – лазеры ( 𝛌 = 1.06 мкм) в импульсном и непрерывном режимах. Лазеры с короткими импульсами менее 10 нс и острой фокусировкой дают плотность мощности 137 излучения на мишени более 10 10 Вт/см 2 позволяют получать наноструктуры, типа сверхрешеток. Эксимерные газовые лазеры позволяют обрабатывать материал разной природы, испаряя верхний атомный и молекулярный слой без объемного нагревания материала. Длины волн лазеров на основе димеров инертных газов, фтора и хлора от 157 нм до 351 нм. Частоты от 1 до 300 Гц. Средняя мощность современных эксимерных лазеров до 400 Вт и длительность импульсов от 1 до 70 нс. Характеристики эксимерных лазеров позволяют использовать их в получении молекулярных пучков для эпитаксиального роста сверхтонких пленок. Эффективность испарения материала мишени можно определить, как отношения испарившейся массы к энергии отдельного импульса. Так в режиме миллисекундных импульсов имеем около 0,1 мг/Дж, а в режиме наносекунд – 0,01 мг/Дж. На эту величину влияют физические характеристики мишени и оптические свойства ее поверхности. Оптически прозрачные для данного излучения широкозонные полупроводники и диэлектрики используют в виде прессованных таблеток или оптических керамик, типа – Иртран. Импульсный режим напыления обычно сопровождается газовым давлением, ударными волнами и реактивной отдачей, что приводит не только к молекулярному испарению, но и выбросу микро- и макрочастиц мишени. Для устранения этого эффекта используют предварительную подготовку мишени, заслонки, фильтры, выбор места расположения и ориентации поверхности подложки к паровой фазе. В качестве примера применения лазерного напыления тонкослойных диэлектрических покрытий приводится схема получения интерференционных зеркал, используемых в оптическом резонаторе твердотельного лазера на длину волны 1,06 мкм. |