Физико-химические основы термовакуумного испарения и осаждения материалов

РЕФЕРАТ

по ФХОТЭС

«Физико-химические основы термовакуумного испарения и осаждения материалов»






СОДЕРЖАНИЕ



Введение

		Нанесение пленок в вакууме

		Метод термического испарения

		Степени вакуума

		Средняя длина свободного пути молекул

		Влияние вакуума на процесс нанесения пленок

		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. 

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.  


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.



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.

При нанесении пленок в высоком вакууме частицы осаждаемого материала летят независимо друг от друга по прямолинейным траекториям без взаимных столкновений и столкновений с молекулами газа, не изменяя своего направления, на стенках камеры и поверхности подложки.

Условия вакуума влияют на рост пленок следующим образом.

Во-первых, если вакуум не достаточно высокий, заметная часть частиц, летящих из источника потока, встречает молекулы остаточного газа и в результате столкновения с ними рассеивается, т.е. теряет первоначальное направление своего движения и не попадает на подложку. Это существенно снижает скорость нанесения пленки на подложку.

Во-вторых, остаточные газы в рабочей камере, поглощаемые растущей на подложке пленке в процессе ее роста, вступают в химические реакции с наносимым веществом, что ухудшает электрофизические параметры пленки (повышается ее сопротивление, уменьшается адгезия, возникают внутренние напряжения и др.).

Таким образом, чем ниже вакуум и чем больше в остаточной атмосфере вакуумной камеры примеси активных газов, тем сильнее их отрицательное влияние на качество наносимых пленок, а также на производительность процесса.






6. Вакуумные системы



6.1 Основные сведения



Основным элементом вакуумных систем являются насосы, которые предназначены для создания требуемого вакуума в камерах установок, а также для поддержания рабочего давления при проведении технологического процесса. В установках для изготовления тонкопленочных структур ИМС применяются механические форвакуумные и двухроторные насосы, пароструйные диффузионные, а также криогенные и турбомолекулярные насосы.

При производстве ИМС в технологии нанесения тонких пленок требуется создавать давления от 105 Па (атмосферное) до 10-5 Па и ниже.

Ни один из указанных насосов не может самостоятельно обеспечить откачку от атмосферного давления до высокого вакуума по следующим причинам. Во-первых, при столь широком диапазоне давлений существенно отличаются условия откачки и, во-вторых, каждый насос обладает избирательностью по отношению к газа, входящим в состав воздуха.

Для создания технологического вакуума 10-5 Па включают каскадно несколько насосов различных типов. Кроме того, для каждого интервала давлений и для разных газов существуют свои методы откачки, не оптимальные для других условий.

Переходя к изучению вакуумных насосов, прежде всего рассмотрим их основные параметры – предельное остаточное давления, которое обычно приводятся в паспортных данных.

Предельное остаточное давление – это наименьшее давление, которое может быть создано данным насосом при закрытом входном патрубке. При этом подразумевается, что отсутствует натекание в насос извне, со стороны его входного патрубка. Этот параметр обусловливает невозможность построения насоса, который сам не был даже очень слабым поставщиком газов в вакуумную систему.

Быстрота действия – это объем газа, откачиваемый в единицу времени при данном давлении на входе в насос (в сечении входного патрубка). Наиболее распространенными единицами измерения быстроты действия являются м3/ч и л/с. По постоянству быстроты действия при изменении давления можно судить о качестве насоса, которое тем выше, чем меньше изменятся быстрота действия при уменьшении давления во входном патрубке.

Наибольшее давление запуска – это наибольшее давление во входном патрубке, при котором насос начинает нормально работать, т.е. откачивать подсоединенную вакуумную камеру. 

Вакуумные насосы можно по этому параметру разделить на две группы. К первой относятся насосы, наибольшее давление запуска которых равно атмосферному (механические форвакуумные). Во втору входят насосы, требующие для работы предварительного разряжения, которое обычно создается дополнительным насосом, называемым насосом предварительного вакуума (механическим форвакуумным). Насос предварительного вакуума присоединяют впускным патрубком к выпускному патрубку насоса, нуждающегося в предварительном разрежении.

Наибольшее выпускное давление – это наибольшее давление в выходном патрубке, при котором насос еще может выполнять откачку (т.е. при превышении которого откачка прекращается). Для механических форвакуумных насосов оно превышает атмосферное, а для насосов, требующих предварительного разряжения, приблизительно равно наибольшему давлению запуска.




6.2 Средства получения вакуума



Основным элементом вакуумных систем являются насосы. Различают механические форвакуумные и двухроторные насосы, пароструйные диффузионные, а также криогенные и турбомолекулярные насосы.

Механические форвакуумные и двухроторные насосы.

Насосы этих двух типов имеют одинаковые принципы действия, основанные на перемещении газа вследствие механического движения их рабочих частей, при котором происходит периодическое изменение объема рабочей камеры.

Механические форвакуумные и двухроторные насосы работают в области среднего вакуума, т.е при давлении от 102 до 10-2 Па.

Применяются в вакуумных установках для создания вакуума около 10-1 Па при быстроте действия порядка единиц и десятков литров в секунду. Наибольшее распространение получили пластично-роторные механические насосы с масляным уплотнением, основными конструктивными элементами которых являются корпус, камера и ротор. Механические двухроторные насосы (насосы Рутса) применяют в вакуумных системах для создания давления порядка 10-2 Па, при быстроте действия 50 л/с, т.е. обеспечивают вакуум, при котором механические пластинчато-роторные насосы не эффективны.

Диффузионные паромасляные насосы.

Являются наиболее распространенными высоковакуумными насосами, широко применяются в различных областях вакуумной техники.

Паромасляные насосы позволяют создавать вакуум до 10-5 Па.

Паромасляные насосы не работают без предварительного механического насоса, подсоединяемого к их выходному патрубку и обеспечивающему предварительное разряжение, а также без водяного охлаждения кожуха. Прекращение подачи воды в водяную рубашку может привести к перегреву насоса и сгоранию масла, а следовательно к нарушению нормальной работы.

Недостаток диффузионных паромасляных наосов – возможность попадания в откачиваемый рабочий объем молекул масла, что может происходить двумя путями: пролетом в паровой фазе и миграцией по стенкам вакуумных трубопроводов. Так как проникшие в технологический объем молекулы масла оседают на подложках и загрязняют наносимые пленки, такие насосы применяют в технологических установках только в сочетании с ловушками паров масло.

Криогенные насосы.

Являются безмаслянными средствами откачки и поэтому получили наибольшее распространение при нанесении тонких пленок.

Криогенные насосы позволяют создавать вакуум до 10-5.

Принцип действия этих насосов основан на физических явлениях, происходящих при сверхнизких – криогенных (120-4 К) температурах: конденсации на охлажденных металлических поверхностях газов в твердое состояние и адсорбции (поглощении) их твердыми охлажденными пористыми адсорбентами.

Наибольшее распространение получили криогенные насосы, охлаждаемые газовыми холодильными машинами – криогенераторами. Криогенные насосы состоят из четырех основных элементов: криопанели, защитного экрана, корпуса и системы охлаждения – криогенератора.

Турбомолекулярные насосы.

Относятся к механическим высоковакуумным насосам и их принцип действия основан на сообщении молекулам откачиваемого газа направленного движения поверхностью быстро вращающегося твердого тела. После соударения с этой поверхностью молекулы газа начинают двигаться преимущественно а направлении движения твердого тела, т.е. в направлении откачки.

Турбомолекулярные насосы позволяют создавать вакуум порядка 10-5 Па.

При эксплуатации турбомолекулярных насосов надо следить, чтобы в их полость не попали какие-либо твердые инородные частицы и предметы, что может привести к заклиниванию быстро вращающегося ротора и выходу насоса из строя.



6.3 Средства измерения вакуума



Давление в вакуумных установках для нанесения тонких пленок обычно составляет 102-10-5 Па.

В таком широком диапазоне измерять давление одним универсальным прибором невозможно. В настоящее время разработано большое количество приборов различных типов, принцип действия которых основан на зависимости того или иного физического параметра газа от давления. Каждому из этих приборов соответствует определенный интервал давлений.

Приборы для измерения давлений ниже атмосферного, называемые вакуумметрами, состоят из двух частей: манометрического преобразователя и измерительного устройства. Манометрический преобразователь предназначен для преобразования измеряемого давления в пропорциональную ему электрическую величину и подсоединяется непосредственно к вакуумной системе. Измерительное устройство служит для измерения этой величины с индикацией на шкале, проградуированной в единицах давления.

При нанесении тонких пленок используют тепловые, магнитные электроразрядные и ионизационные электронные вакуумметры.

Тепловые вакуумметры основаны на пропорциональной зависимости теплопроводности газа от его плотности и подразделяются на приборы сопротивления и термопары. В основе действия преобразователя вакуумметра сопротивления лежит зависимость сопротивления металлической нити от температуры. Принцип действия термопарного вакуумметра состоит в том, что при понижении давления газа его теплопроводность уменьшается, а следовательно, повышается температура перемычки и изменяется ЭДС, по значению которой, используя градуировочную кривую, определяют давление газа.

Достоинством является простота конструкции, возможность применения для измерения давления любых газов и паров. Недостатками таких вакуумметров являются инерционность и изменение во времени тока накала металлической нити, что требует их периодической регулировки.

Ионизационные вакуумметры имеют преобразователь, принцип действия которого основан на прямой зависимости между давлением и током, образующимся в результате ионизации молекул остаточных газов.

Магнитные электроразрядные вакуумметры имеют преобразователь принцип действия которого основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда, возникающего в скрещенных магнитном и электрическом полях от давления.






Заключение



Вакуумная техника занимает важное место в производстве пленочных структур ИМС. Для создания вакуума в рабочей камере из нее должны быть откачены газы. Идеальный вакуум не может быть достигнут, и в откаченных рабочих камерах технологических установок всегда присутствует некоторое количество остаточных газов, чем и определяется давление в откаченной камере.



пленка вакуум испарение насос


Литература



1. Сушенцов Н.И, Филимонов В.Е. «Основы технологии микроэлектроники». Йошкар-Ола, 2003. стр. 132.

2.Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Книга 6. Минайчев В.Я. «Нанесение пленок в вакууме». Москва, «Высшая школа» 1989. Стр. 112.

3. Епифанов Г.И. «Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА».