Теория испарения материалов. Теория испарения материалов
 Скачать 130.91 Kb.
|
|
Теория испарения материалов В микро- и наноэлектронике испарение материалов применяется в изготовлении тонких плёнок, которые могут иметь толщину от долей нанометра до нескольких микрометров и обладать рядом особенностей атомно-кристаллической структуры, магнитных, электрических и других физических свойств. В этой связи тонкие пленки, и в особенности - наноструктурированные тонкие пленки, играют очень важную роль в современной технике. Их значение в научно-техническом прогрессе чрезвычайно велико. Они используются в самых разнообразных областях науки и техники, например, в качестве защитных покрытий, для преобразования солнечной энергии в электрическую, в сверхпроводниковых приборах, в интегральной и функциональной микро- и наноэлектронике, компьютерной технике и т.д. И тут важен способ термического вакуумного напыления. Этот процесс разделяется на 3 этапа. 1) Испарение вещества. 2) Распространение паров испаряемого вещества. 3) Конденсация паров испаряемого вещества на подложке и образование пленочной структуры. Испарение вещества. Испарение вещества происходит при его нагревании. При нагревании вещества кинетическая энергия его атомов и молекул возрастает и становится достаточной для того, чтобы они оторвались от поверхности и распространились в окружающем пространстве. С повышением температуры энергия увеличивается и количество молекул, отрывающихся от поверхности, возрастает. Твердые вещества обычно при нагревании расплавляются, а затем переходят в газообразное состояние. Некоторые вещества переходят в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией. Температуру, при которой давление паров вещества над его поверхностью составляет 10 мм рт. ст., называют температурой испарения вещества. Скорость испарения вещества определяется количеством вещества, испаряемого с единицы площади в I сек, и выражается формулой  где Vисп - скорость испарения, г/ (см^2сек); Ps - давление насыщенного пара (10 мм рт. ст.); М - молекулярный вес испаряемого вещества, г/моль; Т - температура испарения вещества, К. Существует несколько видов испарения: резистивное, электронно-лучевое, индукционное и лазерное. Резистивное испарение Резистивным нагревом называют нагрев электропроводящего тела, обладающего высоким электрическим сопротивлением при прохождении через него электрического тока. Достоинства резистивного нагрева - высокий КПД, низкая стоимость оборудования, безопасность в работе и малые габаритные размеры. Факторами, ограничивающими применение испарителей с резистивным нагревом являются возможность загрязнения наносимой пленки материалом нагревателя, а также малый ресурс работы из-за старения (разрушения) нагревателя, что требует его периодической замены. Испарители этого типа различных конструктивных вариантов могут быть с непосредственным или с косвенным нагревом испаряемого вещества. Материалы, используемые для изготовления испарителей, должны отвечать следующим требованиям: 1) испаряемость материала испарителя при температуре испаряемого вещества должна быть пренебрежимо малой; 2) для хорошего теплового контакта материал испарителя должен хорошо смачиваться расплавленным испаряемым веществом; 3) между материалом испарителя и испаряемым веществом не должны происходить никакие химические реакции, так как это приводит к загрязнению наносимых пленок и разрушению испарителей. В испарителях с непосредственным нагревом ток в несколько десятков ампер проходит непосредственно через испаряемый материал. Такой метод испарения может быть применен только для сублимирующихся материалов, т.е. металлов, температура плавления которых выше температуры испарения 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, который может быть использован только в виде ленты или проволоки, а также не позволяет испарять диэлектрики и большинство металлов. Электронно-лучевые испарители  Электронно-лучевой испаритель 1 - полюсной наконечник, 2 - электромагнит, 3 - водоохладительный тигель, 4 - испаряемый материал, 6 - термокатод, 7 - фокусирующая система, 8 электромагнитный луч, 9 - тонкая пленка, 10 - подложка Испарители с электронно-лучевым нагревом основаны на том, что кинетическая энергия потока ускоренных электронов при бомбардировке ими поверхности вещества превращается в тепловую энергию, в результате чего оно нагревается до температуры испарения. Электронно-лучевой испаритель состоит из трех основных частей: электронной пушки, отклоняющей системы и водоохлаждаемого тигля. Электронная пушка предназначена для формирования потока электронов и состоит из вольфрамового термокатода 6 и фокусирующей системы 7. Электроны, эмитируемые 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, поток 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 см и более обеспечивают длительную непрерывную работу без добавки испаряемого материала, который, кроме того, не контактирует в расплавленном виде с медными стенками тигля. Недостатки этих испарителей - сложность аппаратуры питания и управления, трудность испарения металлов высокой теплопроводности (медь, алюминий, серебро, золото) из водоохлаждаемого тигля, необходимость частой замены катода, а также питания высокими напряжениями. Индукционное испарение Для устранения нежелательных последствий, связанных со взаимодействием между испаряемым веществом и испарителем, и получения покрытий высокой чистоты используется индукционное испарение. Иллюстрация принципа действия индукционного испарителя. При плавлении масса металла (1) под действием магнитного поля, создаваемого катушкой (2), поднимается таким образом, что поверхность соприкосновения нагретого до высокой температуры металла с тиглем (3) оказывается минимальной. В результате происходит ослабление химических реакций между испаряемым металлом и тиглем.  К недостаткам индукционного метода нагрева следует отнести:
Лазерное испарение Лазерный испаритель  В методе лазерного испарения вещество нагревается при помощц фокусированного излучения лазера, находящегося вне вакуумной камеры. Нанесение пленок с помощью лазеров возможно благодаря следующим свойствам луча: точной фокусировке светового пятна с помощью несложных оптических систем, высокой плотности энергии в луче (108-1010 Дж/см2), достаточной для испарения любого непрозрачного материала, точной дозировке энергии излучения. Большое достоинство этого способа заключается в том, что при испарении с помощью лазерного излучения может быть разогрет только небольшой участок испаряемого вещества, что позволяет исключить загрязнения, вносимые газоотделением из разогретых частей обычных испарительных систем. Достоинства и недостатки термического испарения Отметим достоинства и недостатки метода термического испарения по сравнению с другими методами нанесения пленок. Достоинствами метода термического испарения являются: 1) высокая скорость испарения веществ и возможность регулирования ее в широких пределах за счет изменения подводимой к испарителю мощности; 2) высокая производительность при групповой загрузке и обработке подложек; 3) возможность одновременно с осаждением пленки получать требуемую конфигурацию тонкопленочных элементов пассивной части ИС за счет использования металлических ("свободных") масок; 4) возможность вести процесс как в высоком вакууме, так и в окислительной и восстановительной среде разреженного газа. Недостатками метода термического испарения являются: 1)невысокая воспроизводимость свойств плёнок 2) трудность испарения тугоплавких материалов и материалов сложного состава; 3) появление поверхностных дефектов в результате вылета мелких частиц, нарушающих непрерывность пленочного покрытия; 4) небольшой срок службы и высокая инерционность испарителей; 5) загрязнение пленки материалом испарителей; 6) невысокая адгезия пленок к подложке. |