Материал: 1381
46
Каждый участок поверхности представляет собой небольшой участок поверхности кристалла и характеризуется индивидуальной химической активностью. Число частиц, поступающих за единицу времени на единицу площади подложки определяется соотношением:
n = |
P |
|
2πmkT , |
(2.38) |
где Р – давление паров; m – молекулярный вес частиц; k – постоянная Больцмана и Т – температура поверхности.
Отражение пара от подложки (десорбция) происходит не сразу. Продолжительность жизни молекулы или атома на поверхности τ
отличается от среднего времени (τ0 ~ 10-12 сек) и |
зависит от температуры: |
τ =τ0 exp(Ed / kT ), |
(2.39) |
где Ed – энергия активации процесса десорбции, T – температура подложки.
Различают три основных типа роста тонких эпитаксиальных пленок в зависимости от коэффициента покрытия подложки θ. На рис. 2.13 представлены основные модели эпитаксиального роста: послойный (а), островковый (б), рост слоя с островками (в).
Рисунок 2.13 – Основные модели роста кристалла при эпитаксии; послойный (а), островковый (б), рост слоя с островками (в).
Послойный рост (layer-by-layer growth). Механизм Франка-ван дер Мерве (Frank-van der Merve, FM). При этом механизме роста каждый последующий слой пленки начинает формироваться только после полного завершения роста предыдущего слоя. Послойный рост имеет место, когда взаимодействие между подложкой и слоем атомов значительно больше, чем между ближайшими атомами в слое.
Островковый рост или рост Вольмера-Вебера (island growth, Vollmer-Weber, VW). При островковом механизме роста вещество с самого начала оседает на поверхности в виде многослойных конгломератов атомов.
Рост слоя с островками – это промежуточный механизм между
47
первыми двумя механизмами. Это рост Странски-Крастанова (StranskyKrastanov, SK, layer-plus-islandgrows), при котором первый слой полностью покрывает поверхность подложки, а на нем происходит рост трехмерных островков пленки.
Условие, реализации того или иного механизма роста, можно получить из соотношений коэффициентов поверхностного натяжения подложка – вакуум δS, пленка – вакуумом δF, подложка – пленка δS/F . (рис. 2.14) [5]. Коэффициент поверхностного натяжения поверхности равен свободной энергии единицы поверхности. Согласно этому определению сила dF, действует на бесконечно малый элемент dl границы раздела двух сред трехмерного островка пленки.
dF = δdl |
(2.40) |
Рисунок 2.14 – Схема, поясняющая механизм формирования пленки.
Условие равновесия для островка пленки на подложке выразится:
δs =δs / F +δs cosϕ |
(2.41) |
где ϕ - краевой угол, т.е. угол, образованный касательной к поверхности островка пленки и поверхностью подложки.
Если краевой угол равен нулю, то островок «растекается» тонким слоем по поверхности подложки, что соответствует послойному механизму роста. Это условие приводит к следующему соотношению
между коэффициентами поверхностного натяжения: |
|
|
|
δs ≥δs +δs / F . |
(2.42) |
Таким образом, |
при ϕ=0 – реализуется послойный рост, при ϕ>0 |
|
реализуется механизм |
роста островков. |
|
Скорость хемосорбции V определяется энергией активации Ea и коэффициентом заполнения f(θ) поверхности ранее сорбированными атомами:
|
α P |
|
|
E |
a |
|
|
V = |
|
f (θ) exp |
− |
|
|
|
|
|
|
|
(2.43), |
||||
|
2πmkT |
|
|
kT , |
|||
где α – коэффициент прилипания; P – давление; m – молекулярная масса сорбируемой частицы; T – температура поверхности; k – постоянная Больцмана.
48
2.16Фазовая диаграмма процесса роста эпитаксиальных пленок
При определенной для выбранного вещества критической температуре один механизм конденсации сменяется другим. На рис. 2.15 представлен фрагмент фазовой диаграммы для висмута, на которой имеется область жидкой фазы «Ж», область пара – «П» , область твердой фазы кристалла – «К», а также область тройной точки «А».
Рисунок 2.15 – Фазовая диаграмма равновесных состояний висмута
В зависимости от давления пара и температуры, в молекулярном пучке реализуется механизм ПК (пар-кристалл) или ПЖ (пар-жидкость). Механизм ПЖ реализуется при давлениях выше тройной точки. На монокристаллических подложках сильнее проявляется ПК – механизм роста. Жидкая фаза неустойчива и кристаллизуется (переход ЖК). Но в конденсате остаются различные дефекты кристаллической структуры.
Для начала образования пленки необходимо преобладание сорбции над десорбцией и фазовое превращение. Новая фаза образуется лишь в системах с пересыщением. Относительное пересыщение характеризуется отношением давлений. Изменение химических потенциалов двух фаз в таком случае можно выразить через коэффициент пересыщения как:
∆µ = kT ln(P1 / P2 ) . |
(2.44) |
|||||
Для установления связи между радиусом сферического зародыша и |
||||||
давлением пара используют соотношение Гиббса — Томсона: |
|
|||||
RTln |
Pr |
= |
2δVm |
|
|
|
P |
r |
(2.45) |
||||
|
|
|||||
|
∞ |
|
кр , |
|||
где Pr — давление пара над зародышем в виде сферы с радиусом r; Р∞ — равновесное давление пара над плоской поверхностью жидкости; Vm — молярный объем; rкр —радиус критического зародыша; δ —удельная поверхностная энергия. Как следует из анализа этого соотношения, для достижения малых значений rкр следует использовать большие пресыщения. Оценки по вышеприведенной формуле дают значения rкр~ 1- 10 нм.
49
Теория формирования эпитаксиальной пленки по Френкелю.
Согласно теории Френкеля поверхность можно представить в виде потенциального рельефа с чередующимися буграми и впадинами. Часть атомов может десорбироваться или мигрировать по впадинам, образуя комплексы из двух, трех атомов и более. Такой механизм роста называется «пар – кристалл» (ПК). Критическая интенсивность подачи атомов, необходимая для начала формирования пленки, зависит от температуры ее поверхности:
Iкр = |
1 |
exp( |
Eo + ∆E1 |
) |
|
4δoτo |
kT |
(2.46) |
|||
|
|
|
кр |
, |
где δо – эффективная площадь, занятая изолированным адсорбированным слоем;
Ео – энергия десорбции атома; ∆Е1 – энергия связи атома с соседним адсорбированным атомом.
Теория формирования пленки по Н.Н. Семенову. По теории Семенова мигрирующие по поверхности атомы рассматриваются как двумерный газ, переходящий в двумерную жидкость. Жидкость затем кристаллизуется. По мере кристаллизации происходит наращивание моноатомных слоев. Такой механизм получил название «пар – жидкость» (ПЖ)
Критическое давление конденсации выражается зависимостью:
P |
= D exp(− |
Eд + ∆g |
) |
|
|
|
|||
кр |
kTкр , |
(2.47) |
||
|
|
|||
где Ед - теплота десорбции; ∆g – теплота испарения двумерной жидкости; Ткр – критическая температура подложки, D – коэффициент конденсации
Часто в литературе рассматривают еще один механизм роста – статистическое осаждение. При этом механизме роста пленки атомы осаждаемого вещества располагаются на поверхности согласно распределению Пуассона так, как если бы их бросали случайно и они просто прилипали бы на месте падения.
2.17Контрольные вопросы
1.Из каких составляющих складывается суммарный газовый поток при откачке вакуумной системы?
2.Какая температура принимается за температуру испарения материала?
3.Какие критерии учитываются при анализе сочетаемости материалов в процессе термического испарения материалов в вакууме?
4.Какие вещества попадают на подложку в процессе термического испарения материалов в вакууме в типовой вакуумной установке?
5.По каким критериям определяется подобие технологических
50
процессов?
6.Как практически отличить выделение газов из поверхности материала от выделения газов, растворенных в объеме материала?
7.Каковы схемы механизмов поверхностной и объемной диффузии?
8.Какова суть первого и второго законов Фика для диффузии?
9.Как определить направление газофазной реакции в ходе технологического процесса?
10.Чем отличается диаграмма фазных состояний от диаграммы изобарного потенциала?
3 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВАКУУМНОЙ, ИОННОПЛАЗМЕННОЙ, ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ И ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
3.1Вакуумная технология
Понятие «вакуум» определяется как состояние газа, при котором его давление ниже атмосферного. При атмосферном давлении движение многих частиц затруднено из-за большого количества соударений с окружающими молекулами и потерей энергии. Вакуум получают специальными откачными средствами (вакуумными насосами).
3.1.1Вакуумные системы и установки
На рис. 3.1 представлены некоторые схемы вакуумных систем:
1)системы общего назначения (рис.3.1 а);
2)централизованные вакуумные системы;
3)системы непрерывного действия (рис 3.1 б);
4)системы типа вакуум в вакууме (рис 3.1 в).
Вакуумные системы периодического действия имеют относительно малые габариты, просты в обслуживании и нашли широкое распространение в производстве. К таким системам относится большинство электрофизических установок среднего типоразмера (УВН2М, УРМ-387, КАТОД и др.).
Системы с централизованной откачкой. В этом случае механические вакуумные насосы вынесены в отдельное помещение для устранения шума и вибрации.
Установки непрерывного действия позволяют обеспечить непрерывность технологического процесса с использованием шлюзовых загрузочных систем.
Системы типа вакуум в вакууме широко применяются при необходимости быстрого получения высокого вакуума с минимальным содержанием паров масел.