1.3 Получение пленок с60 методами вакуумного напыления

1.3.1 Общие закономерности вакуумного напыления из молекулярного пучка

Сущность данного процесса нанесения тонких пленок заключается в нагреве вещества в вакууме до температуры, при которой возрастающая с нагревом кинетическая энергия атомов и молекул вещества становится достаточной для их отрыва от поверхности и распространения в окружающем пространстве. Это происходит при такой температуре, при которой давление собственных паров вещества превышает на несколько порядков давление остаточных газов. При этом атомарный поток распространяется прямолинейно и при соударении с поверхностью испаряемые атомы, и молекулы конденсируются на ней. Процесс испарения осуществляется по обычной схеме: твердая фаза – жидкая фаза – газообразное состояние. Некоторые вещества (магний, кадмий, цинк и др.) переходят в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией. Перечисленные условия обеспечиваются при остаточном давлении Р₀·10^-4 Па. Такой вакуум сравнительно легко достигается с помощью форвакуумного механического и высоковакуумного диффузионного насосов, включённых последовательно. Температура подложки в процессе осаждения оказывает существенное влияние на структуру плёнки, а, следовательно, и на стабильность её электрофизических свойств в процессе эксплуатации. Основными достоинствами этого метода являются:

-возможность нанесения пленок металлов, сплавов, полупроводниковых соединений и диэлектрических пленок;

-простота реализации;

-высокая скорость испарения веществ и возможность регулирования ее в широких пределах за счет изменения подводимой к испарителю мощности;

-стерильность процесса, позволяющая при наличии высокого (а при необходимости сверхвысокого) вакуума получать покрытия практически свободные от загрязнений. [13]

Молекулы испаряются под действием тепловой энергии, которую берут, по сути, от теплового излучения испарителя. Для большинства веществ, вклад теплопроводности имеет второстепенное значение, в том числе тех, которые берутся в форме порошка [14].

В целом испаряемый поток может быть рассчитан по уравнению Герца-Кнудcена:

(3)

где α_ε = 0…1 – коэффициент испарения, р_е – к-т равновесия давления пара, p_h – константа гидростатического давления, М – молярная масса, R - универсальная газовая постоянная, N_A – число Авогадро и Т – температура. Максимальная интенсивность испарения может быть получена, если А_е = 1 и p_h = 0. В высоком и сверхвысоком вакууме, как правило, p_{h <<} p_e, поэтому, можно считать p_h = 0. Коэффициент А_е зависит от качества напыляемой подложки. Равновесное давление паров р_е может быть приблизительно рассчитано по уравнению Клазиуса-Клаперона:

(4)

где ΔV=V_vapor, объемом твердой или жидкой фазы можно пренебречь, то уравнение идеального газа гласит:

(5)

Для небольших температур, зависимость энтальпии испарения от температуры колеблется, ей также можно пренебречь. В результате, экспоненциальной зависимости давления газа от температуры, получаем также экспоненциальную зависимость скорости роста от температуры. Рисунок 15 показывает измеренную температурную зависимость скорости роста пленки.

Рис 15. температурная зависимость скорости роста пленки [14].

Рис 16. Геометрия простого испарителя с источником в виде ячейки Кнудсена. φ –угол между центром испарителя и положением подложки. Θ – наклон подложки относительно линии центра испарителя [14].

Кроме того, поведение термического испарения для используемых материалов, распределение газового потока (характеристика испарения) и толщина слоя, имеют особое значение. Целенаправленное создание однородной пленки возможно, если заранее известны все параметры.

Простейший испаритель, рассчитанный на небольшие плоскости, показан на рис. 16.

Имеется угловая зависимость для испаряемого газового потока Ф(φ)= Ф₀·cos(nφ), где Ф₀=m/π – плотность газового потока, испускаемого вертикально от испарителя, m – масса испаряемого вещества в единицу времени. Ф показывает только поток, эмитируемый в элемент пространственного угла. Толщина пленки зависит от угла, на котором расположена подложка. Таким образом, уравнение для потока на вертикально расположенную подложку выглядит так: геометрия напыления может быть изменена, однако, наиболее распространенные испарители состоят не только из простого источника, но содержат глубокие тигли. Стенки тигля позволяют сделать поток более направленным.