РЕФЕРАТ
по ФХОТЭС
«Физико-химические основы термовакуумного испарения и осаждения материалов»
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Нанесение пленок в вакууме
2. Метод термического испарения
3. Степени вакуума
4. Средняя длина свободного пути молекул
5. Влияние вакуума на процесс нанесения пленок
6. Вакуумные системы
6.1 Общие сведения
6.2 Средства получения вакуума
6.3 Средства измерения вакуума
Заключение
Литература
Введение
Широкое применение в радиоэлектронике получили тонкие металлические, полупроводниковые и диэлектрические пленки, выращиваемые на неориентирующих и ориентирующих подложках.
Основными методами получения пленок на не ориентирующих является вакуумное испарение, ионное распыление и химическое осаждение.[1]
Технология нанесение тонких пленок и создание вакуума в рабочих камерах установок базируются на молекулярно-кинетической теории строения вещества.
Вещества в природе состоят из мельчайших частиц – молекул, которые могут существовать самостоятельно и обладают всеми свойствами данного вещества.
Наблюдения за поведением любого вещества показали, что его молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении независимо от того, в каком находится состоянии вещество: жидком, твердом или газообразном. Это движение обусловлено внутренней кинетической энергией вещества, которая связана с его температурой. Поэтому беспорядочное движение, в котором находятся молекулы, называют тепловым, а теорию, изучающую тепловое движение молекул, – кинетической теории материи.
Если твердое подвергнуть нагреву, то при некоторой температуре оно начнет размельчаться и превращаться в жидкость. При дальнейшем нагревании жидкость начинает испаряться, превращаясь в пар, т.е. переходит в газообразное состояние.
Разреженное состояние газа, т.е. состояние, при котором давление газа в некотором замкнутом герметичном объеме ниже атмосферного, называют вакуумом.[2]
1. Нанесение пленок в вакууме
Процесс нанесения тонких пленок в вакууме состоит в создании потока частиц, направленного в сторону обрабатываемой подложки, и последующей их конденсации с образованием тонкопленочных слоев на покрываемой поверхности.
Таким образом, при нанесении тонких пленок одновременно протекают три основных процесса: генерация направленного потока частиц, осаждаемого вещества; пролет частиц в разряженном (вакуумном) пространстве от их источника к обрабатываемой поверхности; осаждение (конденсация) частиц на поверхности с образованием тонкопленочных слоев.
В соответствии с этим вакуумные установки для нанесения тонких пленок, несмотря на многообразие их назначения и конструктивного оформления, состоят из следующих основных элементов: источника генерации потока частиц осаждаемого материала; вакуумной системы, обеспечивающей требуемые условия для проведения технологического процесса; транспортно позиционирующих устройств, обеспечивающих ввод подложек в зону нанесения пленок и ориентирования обрабатываемых поверхностей относительно потока частиц наносимого материала.
Процесс нанесения тонких пленок в вакууме состоит из следующих операций:
- установки и закреплении подлежащих обработке подложек на подложкодержателе при поднятом колпаке;
- закрытии (герметизации) рабочей камеры и откачки ее до требуемого вакуума;
- включении источника, создающего атомарный (молекулярный) поток осаждаемого вещества;
-нанесении пленки определенной толщины при постоянно работающих источнике потока частиц и вакуумной системе;
- выключении источника потока частиц, охлаждении подложек и напуске воздуха в рабочую камеру до атмосферного давления;
- подъеме колпака и съеме обработанных подложек с подложкодержателя.
2. Метод термического испарения
Основан на нагреве веществ в специальных испарителях до температуры, при которой начинается заметный процесс испарения, и последующей конденсации паров вещества в виде тонких пленок на обрабатываемых поверхностях, расположенных на некотором расстоянии от испарителя. Важным фактором, определяющим эксплуатационные особенности и конструкцию установок термического испарения, является способ нагрева испаряемых материалов: резистивный (омический) или электронно-лучевой.
3.Степени вакуума
Вакуум – это состояние разряженного газа, которому соответствует область давления ниже 105 Па, т.е. ниже атмосферного давления. В зависимости от степени разрежения, различают низкий, средний, высокий и сверхвысокий вакуум. Области давления газов, соответствующие различному вакууму, показаны в таблице 1.[3]
Таблица 1.
| Вакуум | низкий | средний | высокий | сверхвысокий |
| p, Па | 105-102 | 102-10-1 | 10-1-10-5 | 10-5-10-10 |
| р, мм рт.ст. | 750-10 | 10-10-3 | 10-3-10-7 | 10-7-10-12 |
4. Средняя длина свободного пути молекул
Согласно молекулярно-кинетической теории, все молекулы (атомы) газов находятся в постоянном беспорядочном тепловом движении. Хаотичное движении молекул объясняется их взаимными столкновениями. В результате этого путь молекул в пространстве при их тепловом движении представляет собой ломаную кривую, состоящую из отдельных прямолинейных участков. Эти участки соответствуют перемещению молекулы без соударения с другими молекулами. Каждый излом пути является результатом упругого столкновения рассматриваемой молекулы с другой молекулой.
Для простоты будем считать, что после столкновения молекула может с равной вероятностью полететь в любую сторону независимо от своего первоначального направления движения.
Путь, проходимый молекулой газа между очередными столкновениями газа, не может быть одинаковым из-за хаотичности теплового движения молекул. Поэтому говорят о среднем пути, совершаемом молекулой газа между двумя очередными столкновениями.
Средняя длина прямолинейных промежутков, из которых слагается зигзагообразный путь молекул газа, называется средней длиной свободного пути молекулы, обозначается λ и является одним из важнейших понятий вакуумной техники.
Очевидно, что значение λ зависит от концентрации молекул. При атмосферном давлении, когда концентрация молекул высока, в результате теплового движения они очень часто сталкиваются друг с другом Чем ниже концентрация, т.е. чем меньше молекул содержится в единице объема газа, тем реже из взаимные столкновения и больше λ. Так как концентрация молекул газа в объеме пропорциональна давлению ρ, значение λ обратно пропорционально давлению газа.
Ниже приведена средняя длина свободного пути молекул воздуха при 20º С и различных давлениях, которую можно рассчитать по формуле
λ=5•10-1/ρ.
Таблица 2.
| ρ,Па (мм рт.ст.) | 105(760) | 101(10-1) | 100(10-2) | 10-1(10-3) | 10-2(10-4) | 10-3(10-5) | 10-4(10-6) |
| λ, см | 7,2•10-6 | 0,055 | 0,55 | 5,5 | 55 | 550 | 5500 |
Из формулы и таблицы 2 следует, что по мере удаления воздуха из объема, т.е. уменьшения давления, λ увеличивается. Причем может наступить такой момент, когда взаимные столкновения молекул практически прекратятся и будут происходить лишь их столкновения со стенками сосуда (камеры).
Чтобы определить вид столкновений молекул газа, необходимо определить соотношение между средней длиной свободного пути молекул λ и характерным размером d – диаметром сосудов цилиндрической формы и длиной меньшей стороны сосудов прямоугольной формы (квадратная камера). Отношение λ/d является критерием разделения вакуума на низкий, высокий и средний.
При низком вакууме средняя длина свободного пути молекул λ значительно меньше характерного размера сосуда d, т.е. λ<<d. Молекулы при этом испытывают преимущественно постоянные столкновения друг с другом, вследствие чего их путь представляет собой ломанные линии. При столкновении со стенками сосуда молекулы газа удерживаются на них, т.е адсорбируются.
Высокий вакуум характеризуется тем, что средняя длина свободного пути молекул λ значительно больше характерного размера сосуда d, т.е. λ>>d. При высоком вакууме в сильно разряженном газе хотя и сохраняется хаотический характер движения молекул, но взаимодействие между ними из-за малого количества практически исчезает и они движутся прямолинейно в пределах предоставленного объема, сталкиваясь в основном со стенками сосуда. Ударившись о стенку сосуда и пробыв очень малое время в адсорбированном состоянии, молекулы отрываются и летят в случайных направлениях. Поэтому некоторые части стенок сосуда могут быть свободны от слоя адсорбированных молекул газа.
Средний вакуум характеризуется тем, что средняя длина свободного пути молекул λ приблизительно равна характерному размеру сосуда d, т.е. λ≈d. При чем возможны траектории движения молекул, частично присущие условиям низкого, а частично высокого вакуума.
5. Влияние вакуума на процесс нанесения пленок
Процессы, происходящие при нанесении тонких пленок, во многом определяются средней длиной свободного пути частиц осаждаемого вещества. Для анализа процессов, происходящих при нанесении тонких пленок имеет соотношение λв/dип. При этом под λв понимают длину свободного пути частиц потока наносимого вещества, вышедшего из источника, а под dип – расстояние от источника до подложки.
При нанесении пленок в среднем вакууме частицы осаждаемого вещества имеют различный характер движения. Часть из них при движении по направлению к подложке претерпевает большое количество соударений с молекулами газа, и траектория их движения имеет вид ломаной линии. При этом полностью нарушается первоначальная ориентировка движения частиц. В результате некоторые частицы после ряда столкновений попадают на подложку. Часть частиц попадает на нее без столкновений. Некоторые частицы не попадают на подложку, а конденсируются на стенках камеры, образуя равномерное пленочное покрытие. Соударение отдельных частиц может привести даже к осаждению пленки на обратной стороне подложки.