Материал: 1381

31

9.Как проводится процесс термического испарения материалов в вакууме?

10.Как проводится газофазная эпитаксия?

2ОСНОВЫ КИНЕТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

2.1Уравнение состояния процесса

Переход системы из одного состояния в другое можно описать в виде химического (стехиометрического) уравнения.

Для простейших процессов, например испарения материала в вакууме, кинетическое уравнение, описывающее процесс, выглядит в виде:

Атв→Апар, а для конденсации Апар→ Атв.

Константа равновесия. При проведении технологических процессов имеет место как прямой, так и обратный процесс. Например, часто при испарении или травлении материалов возникают обратимые процессы, описываемые реакцией типа:

A + B ← C + D

где А и В – исходные продукты; Кпр и Кобр – константы скоростей прямой и обратной реакций; Ств, Dг – твердый и газообразный продукты реакции.

Отношение констант прямой и обратной реакций называется константой равновесия Кр.

Величины Кр обычно приводится в таблицах.

2.2Кинетическое уравнение элементарного технологического

процесса откачки газа

Элементарный технологический процесс характеризует уравнение сохранения потока массы, потока энергии, импульса. Например, при проведении откачки газа из вакуумной системы имеет место уравнение газового баланса:

где ∑Q – суммарный поток откачиваемого газа;

Qк – поток газов, выделяющихся в вакуум из поверхности вакуумной камеры и ее конструктивных элементов;

Qи – поток газа, выделяющийся из изделий, подвергаемых обработке; Qт – поток газов через уплотнения;

Qнап – поток напускаемого рабочего газа.

32

2.3Кинетика термического испарения материалов в вакууме

Классически процесс термического испарения материалов в вакууме выглядит следующим образом. В вакуумную камеру помещают испаритель с испаряемым материалом. Испаритель имеет вид проволоки или ленты, нагреваемой пропусканием электрического тока. В ряде случаев испаритель имеет вид маленького горшка – тигля, нагреваемого электронным лучом или высокочастотным излучением. При испарении материалов выполняется баланс между числом испаренных (Nи) и конденсированных (Nк) молекул, а также площадью, с которой происходит испарение (Sи) и площадью конденсации на подложке (Sп):

(10-2 мм рт.ст.). Эта температура гораздо выше температуры плавления. Большинство испаряемых в вакууме веществ являются частичными или полными сублиматорами (т.е. возгоняются с частичным плавлением или без него). Испаритель может вступать в реакцию с навеской. В табл. 2.1 представлен фрагмент выбора материалов при термическом испарении материалов.

Таблица 2.1 – Сочетаемость некоторых материалов при формировании пленок

Число испаренных молекул может быть определено через поверхностную плотность атомов Ns и энергию испарения (Е) по соотношению:

где k - постоянная Больцмана.

Для металлов поверхностная плотность атомов при температуре испарения Ns=1015 1/cм2. Энергии испарения являются табличными величинами (для алюминия Е=3 эВ). Удельную скорость испарения материала V, (г/с с 1 см2) можно определить по формуле:

где m - молекулярный вес; Т - температура.

Концентрация молекул газа в остаточной среде в вакуумной камере может быть определена по соотношению:

33

Расчет показывает, что при температуре испарения при давлении в камере 10-3 Па концентрация газа составляет: n ~1014 1/см3 (т.е. близка к концентрации испаряемых паров).

Скорость конденсации пленки V при термическом испарении пропорциональна давлению паров и определяется выражением:

где f - коэффициент конденсации; Р - давление паров испаряемого материала; m - молекулярный вес конденсируемого материала; k -

где G - вес испарившегося вещества; r - расстояние между испарителем и подложкой; ρ - плотность материала кг/м3.

Потенциальная диаграмма процесса конденсации

Формирование пленки начинается в местах минимума поверхностной энергии (чаще в местах недостаточно подвергнутых очистке). На рис. 2.1 представлена потенциальная диаграмма и фрагмент реальной поверхности, иллюстрирующие процесс формирования пленки.

Рисунок 2.1– Потенциальная диаграмма и фрагмент реальной поверхности

В первую очередь на подложку «садятся» молекулы газов с низкой энергией связи. Для таких газов как: N2, O2, H2, CO2 энергия конденсации Ек = 0,05 Эв, для металлов – Ек ~ 1-2 эВ.

34

В итоге, при термическом испарении материалов в вакуум на подложку попадают: остаточные газы из вакуумной системы; гидриды, оксиды, нитриды, карбиды испарителя и испаряемого материала; материал испарителя; испаряемый материал.

Средняя длина свободного пробега молекул рассчитывается по формуле:

На подложке сначала образуются зародыши твердой фазы, происходит миграция частиц по поверхности, затем формируется и сама пленка. Если поток частиц образуется за счет ионной плазмы (при катодном распылении, при магнетронном или дуговом разряде), то энергия частиц больше тепловой на величину eU. Не все частицы конденсируются в пленку из-за Максквеловского распределения по энергиям. Долю конденсированных молекул определяют через коэффициент прилипания (K = 0-1) в зависимости от температуры.

2.5 Поверхностные и диффузионные явления при проведении технологических операций

Сорбционные явления

Атомы газов адсорбируются на поверхности материалов (адсорбция) и в дальнейшем диффундируют в материал с образованием как химических соединений (хемосорбция) так и растворов типа металл-газ (абсорбция). Прямые и обратные процессы идут одновременно с точностью до констант равновесия. Например, применительно к очистке деталей от воды в водородной печи константа равновесия Кр имеет вид:

Адсорбция – это процесс физического притягивания газов к поверхности под действием электростатических сил, действующих на расстояниях порядка 10-8 см. В среднем энергия адсорбции для газов

На рис. 2.2 представлены схема покрытия поверхности атомами газа по модели многослойной адсорбции (рис. 2.2 а) и изотерма адсорбции паров масел при комнатной температуре (рис. 2.2 б). По оси ординат отложен коэффициент покрытия относительно монослоя. Области 1, 2, 3, 4

35

соответствуют условиям повышения давления или понижения температуры.

Рисунок 2.2 – Модель адсорбции и изотерма адсорбции

Хемосорбция – это процесс формирования химического соединения

сгазом. (Например, твердой пленки карбидов на поверхности

инструмента). Энергия активации такого процесса составляет Еа~400 Дж/кмоль (22-25 ккал/моль (~0,8 эВ)). Время десорбции газов с такими энергиями связи при нормальной температуре составляет ~103-104 секунд (час и более). Для уменьшения времени десорбции и лучшей адгезии пленок в установках предусмотрена возможность прогрева подложек или обработки в разряде.

Абсорбция – это процесс образования твердого раствора типа металл-газ.

2.6Диффузионные явления в технологических процессах

Диффузия – это процесс переноса примесей из области с высокой в область с низкой концентрацией, стимулированный высокой температурой, электрическим полем, излучением и т.д. При нагреве материалов из них выделяются различные газы. Приповерхностные газы выделяются достаточно быстро (секунды). Газы, растворенные в металлах, выделяются достаточно долго (часы).

Процессы изотропной диффузии описываются с помощью первого и второго законов Фика устанавливающих, что плотность потока диффундирующих атомов J пропорциональна концентрации примеси N ~ (J~N) – (первый закон Фика) и что скорость накопления примеси во времени пропорциональна потоку (dN/dt~ d(J)) –второй закон Фика. Связь плотности потока атомов J с коэффициентом диффузии D, концентрацией атомов N примеси и временем диффузии t в направлении х выражается соотношениями:

dN / dt = d / dx(d dN / dx) (второй закон Фика), (2.17) где n – собственная концентрация; µ – подвижность примеси;

ε – напряженность электрического поля.

Размерность величин: J – моль/(м2 с); dN/dx – моль/(м3 с); D – (м2 с). Второй член первого закона Фика отражает дрейф в электрическом