Устройства функциональной электроники (стр. 3 из 7)
Из приведенных соотношений следует, что размеры критических зародышей резко снижаются, если материал пластины имеет большое сродство с осаждаемым веществом, т. е. малый угол ц. Например, если в качестве материала пластины служит металл, для которого уS= 1,5 Дж/м2, ц→0, то при осаждении алюминия rкр может иметь значение, близкое к нулю, что указывает на отсутствие энергетического барьера при зарождении пленки даже у металлов с высоким давлением насыщенного пара. Поэтому образование сплошных пленок может происходить при нанесении на металлическую или полупроводниковую пластину даже нескольких моноатомных слоев осаждаемого металла. Такое явление часто используется в технологии РЭА для создания адгезионных подслоев при получении пленок из материалов, имеющих малое сродство с пластиной (плохую адгезию к пластине). При этом сначала на пластину напыляют какой-либо материал с малым рк и хорошей адгезией к пластине (ц→0), например Сr или W, затем на него — основной металл (А1, Сu, Аu и т. п.), который будет осуществлять ту или иную заданную электрическую функцию.
Влияние температуры пластины на размеры критического зародыша определяется зависимостью, полученной в результате дифференцирования выражения (3.6) по температуре:
Согласно средним значениям величин, входящих в (3.24) для металлов, уS= 1 Дж/м2, ∂ДGv/∂T≈ДSисп≈8,8∙106 Дж/(м3∙К); дуS /дТ≈5∙10-4Дж/(м2∙К) при | ДGv| <1,64∙1010 Дж/м3 получим
что имеет место практически во всех случаях, когда существует энергетический барьер образования зародышей.
Следовательно, увеличение температуры пластины ведет к росту rкр и сохранению островковой структуры и для более высоких значений средней толщины пленки. На рис. 3.6 приведена зависимость среднего расстояния dмежду агрегатами (плотности агрегатов) от температуры пластины при термическом испарении и катодном распылении. Угол наклона кривых 1 и 2 позволяет определить ДGп.д.
Продифференцировав ДGкр по температуре, найдем
Поскольку скорость образования зародышей х3 экспоненциально связана с ДGкр [см. уравнение (3.23)], скорость возникновения агрегатов критических и сверхкритических размеров быстро убывает с ростом температуры. В этом случае для создания сплошной пленки потребуется более продолжительное время.
Влияние скорости осаждения пленки (степени перенасыщения) на размеры критических зародышей (rкр) и ДGкр обусловлено зависимостью этой скорости от значения ДGv [см. (3.3) и (3.4)]. При увеличении N↓ или рпер (ри—pк) возрастает ДGv. Поскольку поверхностные энергии пластины и границы раздела не зависят от N↓,
Следовательно, рост скорости осаждения пленки приводит к уменьшению размеров зародышей и увеличению скорости их возникновения. Поскольку зависимость ДGv = f (N↓) является логарифмической, влияние скорости осаждения пленки на значения rкр и ДGкр сказывается очень сильно.
Повышение скорости осаждения при реальных условиях может привести и к увеличению размеров критических зародышей, т. е. зависимость rкр = f(N↓) является более сложной, чем описываемая теорией Гиббса — Фольмера.
Влияние поверхностной диффузии на размеры критического зародыша аналитически определить нельзя. Однако скорость образования критических зародышей должна зависеть от способности адсорбированных атомов диффундировать и сталкиваться друг с другом. Согласно уравнению (3.23) эта скорость уменьшается экспоненциально с увеличением энергии активации поверхностной диффузии. Если энергия активации велика, то диффузия протекает медленно и зародыши растут только за счет столкновения их с атомами паровой фазы. Энергию активации диффузии часто принимают равной 1/4 энергии активации десорбции в газовую фазу, т. е.
Энергия связи осаждаемых атомов с пластиной ДGадс, как показано ранее, влияет на значения rкр и ДGкр. Поэтому для неоднородных поверхностей пластин, где ДGадс заметно изменяется от участка к участку, на различных участках пластины значения rкр и ДGкр различны, что сказывается на однородности осаждаемой пленки. Вот почему в технологии РЭА необходимо иметь подложки с однородной и чистой поверхностью.
Энергия адсорбции для некоторых металлов имеет следующие значения:
3. Рост пленок. Эпитаксия
В радиоэлектронике используются пленки, реальная толщина которых во многих случаях больше, чем высота купола критических и сверхкритических зародышей. Поэтому необходимо рассмотреть не только образование, но и развитие (рост) пленки после того, как она стала сплошной, т. е. после исчезновения островковой структуры. При этом следует определить:
1) степень влияния механизма образования зародышей на дальнейшую структуру пленки, а также на возникновение границ зерен, дефектов структуры: упаковки, двойниковых структур, вакансий, дислокаций и др.;
2) зависимость изменения или повторения образовавшейся структуры от механизма роста пленок и различных параметров состояния;
3) способы влияния на изменение структуры пленки с целью улучшения ее электрофизических свойств.
Осаждение монокристаллических пленок на монокристаллические пластины называют эпитаксией. В понимании механизма роста пленок эпитаксия играет большую роль.
Эпитаксиальная пленка когерентна со структурой пластины, т. с. повторяет эту структуру. Такая пленка может «наследовать» или «залечивать» дефекты пластины в зависимости от условий осаждения и ее обработки.
После того как получен первый сплошной слой пленки, следующий слой формируется независимо от структуры пластины. Рост отдельного агрегата на атомарном уровне может быть как эпитаксиальным, так и неэпитаксиальным. Для анализа механизма роста пленки воспользуемся моделью образования куполообразного зародыша, описанной в п.1.
Согласно уравнению (3.18) свободная энергия образования критического зародыша
При осаждении пленки на предыдущий слой того же материала можно принять ц = 0. Тогда f(ц) =0 и ДGкр = 0. Следовательно, энергетический барьер отсутствует. Поэтому конденсирующиеся атомы на поверхности пленки непосредственно встраиваются в структуру растущего слоя. В этом случае классическая модель образования зародышей макроскопических размеров не применима к образованию микроскопических (например, двухатомных или трехатомных) агрегатов. После возникновения на пластине сплошной пленки ее рост следует рассматривать с позиций роста кристаллов. Поверхность кристалла никогда не бывает идеально гладкой. На ней всегда имеются различные выступы, ямки, островки и другие неоднородности структуры (рис. 3.7). Механизм роста пленки включает в себя адсорбцию атомов из паровой фазы (преимущественно на гранях кристалла), поверхностную диффузию к ступеньке, взаимодействие со ступенькой, диффузию вдоль ступеньки и достраивание ступеньки. В зависимости от того, какое положение занимает адсорбированный атом на поверхности кристалла, число атомов, окружающих его, различно. Поэтому различна и энергия связи его с поверхностью кристалла, а следовательно, и энергия активации поверхностной диффузии.
Условия равновесия, которые существуют между различными положениями атомов (рис. 3.7), таковы:
где пi1, пi2, пi3, пi4 — равновесные концентрации атомов соответствующего типа; рМе—давление пара осаждаемого компонента; х1, х2,…, х10 — скорости движения атомов.
Скорости х5— х10 , влияющие на рост пленки, можно найти следующим образом:
где b - длина ступеньки на единицу площади; v≈1013 с-1 —частота колебаний атомов, находящихся на поверхности пленки; ДG1→5, ДG5→1 — свободные энергии диффузии атомов при переходе из положения 1 в положение 5 и обратно; Рн — вероятность данного направления движения атомов при их миграции по поверхности пленки (для плотно упакованных кристаллов Рн=1/6); Ко, Ki— число позиций атомов на единичной поверхности и длине ступеньки.