1. Основы термического вакуумного напыления
Схема установки
•
•
•
•
•
3 зоны :
Зона испарения I
Пролѐтное пространство II
Зона осаждения III
III
Зона осаждения III
II

P 10 4 Па 10 6 мм. рт.ст.
II
•
I
•
ю
•
•
•
•
•
При организации и отладке процесса должны быть обеспечены:
1.интенсивное испарение
2 прямолинейное движение молекул
3.равномерный рост плѐнки по поверхности подложки
Поэтому процесс термовакуумного испарения целесообразно представить в виде
трех стадий:
1.испарение
2.перенос вещества к подложке
3. конденсация
•
•
•

2. Испарение вещества
Испарение происходит всегда при Т>0. Процесс можно рассматривать с двух точек зрения:
термодинамической и с точки зрения кинетической теории газов.
I Термодинамическое рассмотрение.
Давление пара Ps соответствующее равновесному состоянию системы называется давлением
насыщенного пара или его упругостью.
Зависимость упругости пара от температурыТ описывается уравнением Клаузиуса-Клапейрона:
dPs
dT
H пар Н тв.
(Vпар Vтв. ) T
Н исп
TVпар
Из уравнения состояния идеального газа
Тогда
dPs
dT
Н исп- молярная теплота фазового перехода, не зависит от
температуры
pV
Н исп Ps
RT 2
После разделения переменных и интегрирования
dPs
Ps
Ps
Po exp
Н исп
dT ;
2
RT
RT соответствующий объем пара Vпар
ln Ps
Н исп
RT
const
при T=Tкип
const= lnPo
H исп Eсв RT , где
Теплота испарения
E св - энергия разрыва связи,
RT - энергия расширения одного моля газа.
Hисп / RT
RT
Ps

3. Испарение вещества
II Кинетическое рассмотрение.
•
•
•
•
Давление- удельная сила, с которой молекулы взаимодействуют со стенками при
столкновении
1N
V - объѐм N - полное число молекул
P
mc 2
2
3V
- средне-квадратичная скорость
Приравнивая кинетическую и тепловую энергии молекул
c
mc 2
2
3
kT
2
и зная, что
N
V
NV
получим
P NV k T
В то же время для универсального газового закона
P
nRT
V
Na
Na
nNa RT
V Na
, где n - число грамм-молей
k=R/NА
,т.е. давление определяется энергией молекул
Nv k T
Давление газа при кипении P
N v k Т исп
0
или их температурой
Температура при которой P 1,3 Па (10 2 тор ) называют условной температурой испарения
s
Т усл.
Для некоторых веществ Т
,т.е. происходит сублимация (Cr , Fe, Mg, Mn, Ti, Zn)
Т
усл
плавл

4. Скорость испарения
•
Осаждение плѐнок возможно лишь за счѐт неравновесного процесса испарения,т.е. пары вещества должны
интенсивно отводится от испарителя и конденсироваться на более холодной поверхности. При этом истинное
давление пара не достигает значения насыщения и материал удаляется из испарителя с определенной
скоростью испарения..
N s - поверхностная концентрация испарившихся ,но не улетевших частиц
dN
Js
s
dtисп
По уравнению Мейера
Подставим
Nv
1 p
4 kT
Js
Js
p
RT
8kTисп
m
1
N vc
4
и
p
C - средне-арифметическая скорость
C
8kTисп.
m
8kT
16(kT ) 2 m
получим
Js
p
2 mkT
Теоретическая максимальная скорость испарения получается, если с поверхности испаряется такое число молекул,
которое необходимо для установления равновесного давления на этой поверхности, причем ни одна из
молекул не возвращается на поверхность , т.е. гидростатическое давление равно нулю. Реальная скорость
меньше т.к. Атому необходимо преодолеть давление остаточной среды и часть атомов возвращается
обратно за счет сил притяжения. Поэтому по уравнению Герца-Кнудсена скорость испарения равна
К и  1 для чистых моноатомных материалов, для металлов или
.
веществ, которые перед испарением расплавляются
г
К и  1 для веществ с полярными молекулами (полупроводники
s
и
.
и диэлектрики ).
J
p p
K
2 mkTисп

5. Метод Кнудсена
Испарение по методу Кнудсена происходит из изотермического объѐма с малым
отверстием.
Ячейка Кнудсена реализуется при следующихх условиях:
Sэ
Sэ
S u и внутри устанавливается равновесное давлениеP
Ps
s
Sи
d отв 0,1 , –средняя длина свободного пробега
молекул газа при Ps .
Толщина стенки отверстия должна быть пренебрежимо малой с тем, чтобычастицы газа
покидающие ячейку, не рассеивались на ней, не абсорбировались и не десорбировались.
Суть ячейки Кнудсена в том,что влияние сил притяжения поверхности испаряющегося
вещества на вылетание атомов из отверстия экранируется давлением Ps .
Преимущества ячейки Кнудсена
1.
2.
Sисп S э const
в течении всего процесса испарения не зависит от Т
P const
3.
•
•
Js
Полный эффузионный поток из ячейки Кнудсена в вакууме
•
.
Js
•
const
Ps Pг
Sэ
2 mkT
при
Pг
0
Js
p * Sэ
2 mkT

6. Пролетное пространство
Характеризуется двумя основными параметрами:
1.числом столкновений атомов пара с молекулами остаточного газа.
2.распределением падающих атомов пара по поверхности подложки
Время пролѐта атомов составляет доли микросекунд и им можно пренебречь.
1)Число столкновений нас интересует с 2-х точек зрения:
а) уменьшение скорости осаждения за счѐт рассеяния потока молекулярного пучка, т.к. часть
столкнувшихся атомов изменяет направление и не попадает на подложку;
б) загрязнение плѐнки за счѐт прилипания молекул остаточного газа, образования дефектов и
химических соединений. При десорбции этих атомов могут возникнуть поры.
Вероятность долететь( попасть) на подложку характеризуется коэффициентом рассеяния
J пад. N n
l , где ℓ - размер пролетного пространства,
Кр
exp( )
λ – длина свободного пробега атомов.
J
N
исп.
u
Длина свободного пробега для спокойного объема , наполненного однокомпонентным
b Tг
идеальным газом
b - const, Tг и Pг - температура и давление остаточного газа
г
2 г Pг
г - сечение столкновения в остаточном газе
Длина свободного пробега в молекулярном пучке
Сечение столкновения в пучке
2
M
г
R
RTг
м P
г
(
( z)
- универсальная газовая
постоянная
г м
м
,
г
z
- табулированная функция
)2
г
м
4
- диаметры частиц в пучке
и в остаточном газе
z
Tг М м
Тм Мг
z
1

7. Распределение испаренного вещества по подложке
Форма молекулярного луча, задаваемая диаграммой направленности испарителя(DH) ,определяет
распределение вещества по подложке и коэффициент использования материала. DH зависит
от формы, размеров и равномерности нагрева излучающей поверхности конкретного испарителя.
DH реального испарителя можно оценить , если свести с некоторым приближением к одной из
схем испарения Кнудсена:
1.для элементарной излучающей площадки поверхностного испарителя,
2.для точечного источника
Поверхностный испаритель
Законы Кнудсена являются газокинетической аналогией световых законов Ламберта, применяемых
при расчете освещенности. Выделим телесный угол d под углом
с нормалью к поверхности
испарителя. В нем будут двигаться только те
молекулы, направление движения которых совпадает
с осью телесного угла d . Площадь, освещаемая
dS под.
этим углом на поверхности сферы
угла,
r 2d
dS
dS
r
d
, где
r
l
cos
- радиус-вектор
а на поверхности подложки

dS под.
r 2d
cos
l 2d
cos 2
cos 2
Распределение массы
Ячейка Кнудсена
dM под.
dSпод.
M исп cos 2 cos
l2
1-ый закон
Ламберта- Кнудсена
(закон косинусов)
2

8. Точечный испаритель
•
Диаграмма направленности точечного источника представляет собой сферу с центром в точке
излучения, т.е. ℓ =r.
•
Площадь, освещаемая на поверхности подложки
dSподл
dS подл
d
dS

r
l 2d
cos
Распределение массы
dM подл
dS подл
M исп cos
4 l2
второй закон
Ламберта-Кнудсена
Плоский испаритель реализуется для материалов, расплавляющихся перед испарением и при получении толстых
пленок, когда объем и площадь навески занимают значительную площадь.
Точечный источник реализуется при электронно-лучевом испарении очень тонких резистивных пленок, когда
2 /100
площадь навески мала по сравнению с ℓ, т.е. при выполнении условия dSисп
Неравномерность конденсата по подложке:
для поверхностного испарителя
Чем дальше от центра, тем больше изменение
толщины Δd=d0 – db
db
1
При d
b / l 0,114
1%
2 2
dо [1 (b / l )]
- для точечного испарителя
db
dо
для подложки размером 60х48 l
260
1
[1 (b / l ) 2 ]
3
2
b - расстояние от центра подложки до данного элемента
8

9. Распределение конденсата
Формулы для расчѐта разброса плѐнок по толщине используются для разработки устройств,
выравнивающих толщину
Это достигается двумя путями
1.специальные типы испарителей
2.движение подложек по специальным траекториям по отношению к потоку
•
Рассмотрение формулы справедливы при следующих условиях:
•
1.малая скорость испарения
P ( S исп ) const равномерное испарение со всей площади испарителя
•
2.
•
3. S исп (Tисп )
const постоянство площади испарения
•
4.при давлении P 10тор
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Но эти формулы не учитывают:
1.условия конденсации, которые носят случайный характер , из-за чего появляются
случайные колебания толщины пленки.
2.рельеф и загрязнение подложки также вызывают случайную d , которая тем меньше,
чем меньше толщина плѐнки.
3.неравномерность нагрева подложки Tподл ( S подл ) const ,а K r (Tподл )
4.перераспределение конденсата при рекристаллизации зѐрен в процессе роста и
термообработке плѐнки.
Поэтому распределение d по закону косинуса подтверждается только:
1.для довольно толстых плѐнок.
2.для больших размеров подложки
3.для малых l
9