НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
дения технологического процесса; транспортно-позиционирующих устройств, обеспечивающих ввод подложек в зону нанесения пленок и ориентирование обрабатываемых поверхностей относительно по- тока частиц наносимого материала [2.2].
Типовая установка нанесения тонких пленок в вакууме (рис. 2.1) имеет каркас 11, на котором смонтированы вакуумная рабочая камера 5 с источником 1 наносимого материала, подлож- кодержателем 4 с подложками 3, а также вакуумная откачная сис- тема 10. Системы электропитания и управления установкой, как правило, расположены в отдельных шкафах (стойках).
Рабочая вакуумная камера 5 представляет собой цилиндри- ческий колпак из нержавеющей стали, который подъемным меха- низмом может подниматься вверх для доступа к подколпачным устройствам. В опущенном состоянии колпак герметизируется на базовой плите 9 уплотняющей кольцевой прокладкой 8 из ваку- умной резины.
Кран 6 служит для напуска в камеру воздуха, а датчик 7 – для измерения вакуума в ее рабочем пространстве. Над источником 1, генерирующим поток 2 частиц наносимого материала, расположен подложкодержатель 4, на котором крепятся подложки 3 с необхо- димой ориентацией. Вакуумная система крепится к отверстию в базовой плите и предназначена для откачки рабочей камеры.
Процесс нанесения тонких пленок в вакууме состоит из сле- дующих основных операций:
– установки и закрепления, подлежащих обработке подло- жек на подложкодержателе при поднятом колпаке;
– закрытия (герметизации) рабочей камеры и откачки ее до требуемого вакуума;
– включения источника, создающего атомарный (молеку- лярный) поток осаждаемого вещества;
– нанесения пленки определенной толщины при постоянно работающем источнике потока частиц и вакуумной системы;
– выключения источника потока частиц, охлаждения под- ложек и напуска воздуха в рабочую камеру до атмосферного давления;
– подъема колпака и съем обработанных подложек с под- ложкодержателя.
В некоторых случаях выполняют дополнительные операции (например, предварительный нагрев подложек). Эффективность процесса характеризуется его производительностью, чистотой и равномерностью толщины наносимой пленки.
Рис. 2.1. Схема установки для нанесения пленок:
1 – источник потока наносимых частиц; 2 – поток частиц; 3 – подложка;
4 – подложкодержатель; 5 – рабочая вакуумная камера; 6 – кран напуска воздуха; 7 – датчик изменения вакуума; 8 – кольцевая резиновая прокладка;
9 – базовая плита; 10 – вакуумная откачная система; 11 – каркас
Испарение вещества происходит при его нагревании. При на- гревании вещества кинетическая энергия его атомов и молекул возрастает и становится достаточной для того, чтобы они оторва- лись от поверхности и распространились в окружающем про- странстве. 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 перехо-
дят в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией.
Скорость испарения определяется давлением пара испаряемого вещества. Для вакуумного напыления большинства веществ прием- лемые скорости испарения (>10-4 г/см2 с) достигаются при давлении пара ≥10-2 мм рт. ст. Температуру, при которой давление паров ве- щества над его поверхностью составляет 10-2 мм рт. ст., называют температурой испарения вещества.
Таблица 2.1 Значения температур плавления, кипения и испарения, а также
давления паров и скорости испарения некоторых металлов
Материал Обо- зна- чения
Темпе- ратура- плавле- ния, °С
Темпе- ратура кипе- ния, °С
Давление паров при температу- ре плавле-
ния, мм рт. ст.
Температура испарения при давлении паров
10-2 мм рт. ст.
Скорость испарения 10-4 г/ см2 с
Алюми- ний Медь Никель Олово Серебро Хром
Al Cu Ni Sn Ag
Cr
660 1 083 1 455 232 961 1 900
2 060 2 590 2 730 2 400 2 210 2 200
1,2 · 10-6 3,0 · 10-4 4,4 · 10-3
0 1,7 · 10-3 6,4 · 10-4
996 1 273 1 510 1 189 1 047 1 205
0,85 1,18 1,06 1,56 1,67 1,10
Использование современных экспериментальных методов исследования (масс-спектрометрия, изотопный анализ, атомно- адсорбционная спектрометрия и др.) открыло возможности для экспериментального изучения процесса испарения отдельных компонентов сложных систем и влияния различных факторов на этот процесс.
Для получения приемлемых скоростей роста пленки, а также экономного расходования материала следует создавать условия движения частиц испаряемого вещества преимущественно по на- правлению к подложке. При этом необходим достаточно глубо- кий вакуум, при котором исключаются столкновения молекул ос- таточного газа с молекулами вещества и рассеивание их потока на пути к подложке [2.2].
Второй этап – транспортировка пара от испарителя к под- ложке.
Поток испаренного вещества, состоящий из молекул (ато- мов), не претерпевающих на своем пути столкновений и рассея- ний и движущихся вследствие этого прямолинейно, называют мо- лекулярным потоком. Для определения условий существования молекулярного потока удобнее характеризовать степень вакуума не давлением остаточного газа, а средней длиной свободного пробега его молекул.
Уже при давлении р = 10-2 Па средняя длина свободного пробега молекул λ составляет 50 см, что превышает реальное рас- стояние от испарителя до подложки (обычно не более 30 см). Та- ким образом, для создания прямолинейных траекторий движения молекул вещества в пространстве между испарителем и подлож- кой необходимо давление порядка 10-3 – 10-5 Па, что обеспечивает соотношение λ >> L (L – расстояние между источником испаре- ния и подложкой).
Кроме того, необходимо обеспечивать равномерность рас- пределения толщины пленки на подложке, что является одним из основных ее параметров. Толщина пленки в данной точке под- ложки определяется количеством частиц, достигающих ее в еди- ницу времени. Если бы поток наносимых частиц был одинаков на всю поверхность подложки, пленка получалась бы одинако- вой толщины. Однако площадь испарителей вещества во много раз меньше площади подложкодержателей (поэтому их называют точечными источниками). В результате добиться равномерности потока невозможно. Схемы осаждения пленок из точечного ис- точника на плоский (а), сферический (б) и планетарный подлож- кодержатель с двумя направлениями вращения (в) представлены на рисунке 2.2. Как видно из рисунка 2.2а, скорость нанесения пленки будет неодинакова в точке 0 и в точках А и В: чем дальше от оси 0S эти точки, тем ниже скорость нанесения пленки и тем меньше ее толщина за данное время нанесения. При плоском подложкодержателе неравномерность толщины пленки состав- ляет ± 20 %.
Рис. 2.2. Схемы осаждения пленок из точечного источника:
а – на плоский подложкодержатель; б – на сферический подложкодержатель;
в – на планетарный подложкодержатель с двумя направлениями вращения (1, 5, 7 – плоский, сферический и планетарный подложкодержатели;
2 – подложки; 3 – поток осаждаемых частиц; 4 – точечный источник потока осаждаемых частиц; 6 – кольцо; 8 – ось подложкодержателя;
9 – приводная вращающаяся оси
Наиболее простым способом снижения неравномерности рас- пределения пленки по толщине является увеличение расстояния L.
Однако это уменьшает скорость конденсации пленки, что отрица-
тельно сказывается на ее свойствах. Максимально возможное рас- стояние L ограничено размерами рабочей камеры установки.
На практике применяют более сложные способы, одним из которых является придание подложкодержателю сферической формы (рис. 2.2б).
Неравномерность толщины пленки снижается при этом до ± 10 %. Если этого недостаточно, используют систему с двой- ным вращением, так называемую планетарную карусель (рис. 2.2в), состоящую из приводной вращающейся оси 9, на ко- торой установлены три подложкодержателя 7. Каждый подлож- кодержатель может вращаться вокруг собственной оси 8 при об- катывании по кольцу 6. Так осуществляется планетарное движе- ние подложек. Планетарные карусели стоят довольно дорого, однако при их использовании неравномерность пленок по тол- щине составляет ± 3–4 % [2.2].
Процесс испарения и качество нанесенных пленок в значи- тельной мере определяются типом и конструкцией испарителей, которые могут иметь резистивный или электронно-лучевой на- грев. Выбор типа испарителя зависит от вида испаряемого мате- риала, его агрегатного состояния и температуры в процессе испа- рения, а также других факторов.
Третий этап – осаждение (конденсация) испаряемого веще- ства на поверхности подложки. Образующиеся тонкие пленки имеют физические свойства, существенно отличающиеся от свойств объемных образцов. В процессе выращивания пленок не- обходимо контролировать целый ряд параметров, таких как: ма- териал и структура подложки, ее температура, состав и давление пара, интенсивность его поступления. Процесс конденсации включает в себя следующие стадии: зарождение зерен, рост зерен, объединение островков и заполнение каналов.
Зарождение зерен. Падающая частица после соударения с поверхностью удерживается на ней силами поляризации или хи- мической связи. Возможно образование связанной пары. Поэтому первым этапом конденсации пленок является адсорбция. При конденсации из однокомпонентного пара чаще всего различают
мономолекулярную и диссоциативную адсорбции, которые при малых числах заполнения подложки приводят к равномерному возникновению адатомов (адсорбированных атомов) по всей не- занятой поверхности подложки с постоянной скоростью.
Адсорбированные атомы могут либо десорбироваться обрат- но в пар, либо остаться на подложке, в результате чего появляются маленькие зерна (0,5 нм), вначале статистически распределенные по поверхности, а впоследствии за счет возможной миграции ло- кализующиеся на участках с дефектами, дислокациями, примесями и прочими неоднородностями структуры поверхности. После ло- кализации начинается собственно процесс роста пленки.
Существуют различные режимы роста тонких пленок, обыч- но они разделяются на послойный, островковый и промежуточ- ный в зависимости от того, как они взаимодействуют друг с дру- гом и подложкой.
Островковый режим, или режим Фольмера – Вебера, реали- зуется в случае, когда атомы осаждаемого вещества связаны между собою сильнее, чем с подложкой. В островковом режиме малень- кие зародыши образуются прямо на поверхности подложки и затем растут, превращаясь в большие островки конденсированной фазы.
Затем, сливаясь (этот процесс называется коалесценцией), образу- ют островки все большего размера, а после стадии заполнения ка- налов – сплошную пленку. Именно на стадии коалесценции фор- мируется структура растущей пленки, поэтому, управляя коалес- ценцией, можно управлять структурой и некоторыми свойствами пленок. Имеется два основных подхода к описанию этого явления:
геометрическая теория твердофазного слипания, основанная на модели Аврами – Колмогорова, и кинетическая теория жидкопо- добной коалесценции, использующая модель Смолуховского.
Послойный режим, или режим Франка – Ван дер Мерве, реа- лизуется, когда атомы осаждаемого вещества связаны с подложкой более сильно, чем друг с другом. Моноатомные слои заполняются в этом режиме по очереди, то есть двумерные зародыши (толщи- ной в один атом) следующего слоя образуются на верхней части зародышей предыдущего слоя после его заполнения.
В промежуточном режиме, или режиме Странского – Краста- нова, вначале реализуется послойный рост, затем, после заполнения одного-двух слоев, начинается островковый режим роста. Причин смены механизмов роста несколько. Основная из них – параметр решетки не может оставаться неизменным при заполнении очеред- ного слоя. Его изменение приводит к сильному увеличению энер- гии поверхности раздела адсорбат-промежуточный слой, которое обеспечивает выполнение критерия островкового режима.
После появления на поверхности подложки зародыши новой фазы начинают расти, взаимодействуя с атомами паровой фазы, из которой они образовались. Этой фазой могут быть одно- или многокомпонентный пар. В случае паровой фазы зародыши рас- тут за счет диффузионного потока атомов паровой фазы к по- верхности подложки.
Теоретически и экспериментально показано, что рост остров- ков новой фазы определяется двумя основными процессами – пе- реносом вещества к островку, то есть собственно процессом диф- фузии, и переходом атомов через межфазную границу раздела ста- рая фаза – новая фаза, то есть граничной кинетикой. Между ост- ровком и паром адатомов (адсорбируемых атомов) может сущест- вовать потенциальный барьер, препятствующий прохождению атомов только в одном направлении, а именно – к островку. Под- ложка не идеальна, поэтому особенность пленочной технологии по сравнению с получением материала в объеме в том, что пленка растет на дефектной подложке. Даже идеальная подложка изна- чально дефектна – на ее поверхности существуют уровни Тамма в виде оборванных связей, выходящих на границу раздела.
Рост зерен. Вокруг образовавшихся зерен начинают расти пространственные островки. В зависимости от температуры под- ложки они могут быть жидкими каплями или монокристаллами.
Температура плавления островков на 2/3 меньше температуры плавления объемного материала.
Объединение островков. При пограничном контакте за счет разрушения границы и выделения при этом тепла островки рас- плавляются, а после слияния охлаждаются, образуя новый моно- кристалл. На монокристаллической подложке ориентация боль-
шинства островков повторяет ориентацию подложки. Межсоеди- нения островков образуют сеть с пустотными каналами.
Заполнение каналов. Для каждой пары конденсат – подложка при заданной скорости осаждения существует критическая тем- пература подложки, выше которой происходит рост кристалличе- ски-ориентированной пленки независимо от степени несовершен- ства исходного кристалла. Конденсация при температурах ниже критической приводит к разориентации структуры пленки, и при низких температурах (порядка 1/3 температуры плавления объем- ного образца) получается аморфная структура.
Достоинствами метода термического вакуумного испа- рения являются:
• высокая скорость испарения веществ и возможность регу- лирования ее в широких пределах за счет изменения подводимой к испарителю мощности;
• высокая производительность при групповой загрузке и об- работке подложек;
• возможность одновременно с осаждением пленки получать требуемую конфигурацию пленки за счет использования метал- лических («свободных») масок;
• возможность вести процесс, как в высоком вакууме, так и в окислительной и восстановительной среде разреженного газа.
Недостатками метода термического вакуумного испаре- ния являются:
• невысокая воспроизводимость свойств пленок;
• трудность испарения тугоплавких материалов и материа- лов сложного состава;
• появление поверхностных дефектов в результате вылета мелких частиц, нарушающих непрерывность пленочного покрытия;
• небольшой срок службы и высокая инерционность испа- рителей;
• загрязнение пленки материалом испарителей;
• невысокая адгезия пленок к подложке;
• неравномерность толщины пленки, вынуждающая приме- нять устройства перемещения подложек.