Конденсация пара на поверхности подложки

 

Конденсация пара на поверхности подложки зависит от температуры подложки и плотности атомарного пото­ка. Атомы пара, достигшие подложки, могут мгновенно отразить­ся от нее (упругое столкновение), адсорбироваться и через не­которое время отразиться от подложки (реиспарение), адсорби­роваться и после кратковременного мигрирования по поверхности окончательно остаться на ней (конденсация). Конденсация атомов происходит, если их энергия связи с ато­мами подложки больше средней энергии атомов подложки, в про­тивном случае атомы отражаются. Если подложка нагрета, энер­гия ее атомов выше, то вероятность конденсации пара ниже.

Температура, выше которой при данной плотности потока па­ра все атомы отражаются от подложки и пленка не образуется, называется критической температурой конденсации. Критическая температура, зависит от природы материала пленки и подложки и от состояния поверхности подложки.

При опре­деленной температуре подложки, меньшей критической, конден­сация пара возможна только при условии пересыщения пара, т. е. для конденсации существует критическая плотность атомарного потока. Критической плотностью атомарного потока для данной температуры подложки называется наименьшая плотность, при которой атомы конденсируются на подложке.

Образование зародышей происходит в результате нахождения атомами мест, соответствующих минимуму свободной энергии системы атом — подложка. Рост зародышей происходит за счет присоединения новых атомов, мигрирующих по поверх­ности или попадающих на зародыши непосредственно из пролет­ного промежутка источник — подложка. По мере конденсации пара зародыши растут, между ними образуются соединяющие мос­тики, зародыши сливаются в крупные островки. После этого на­ступает стадия слияния островков с образованием единой сетки. Сетка переходит в сплошную пленку, которая начинает расти в толщину. С этого момента влияние подложки исключается и час­тицы пара от поверхности пленки практически не отражаются.

При конденсации пара на поверхности подложки возможны два механизма: пар-кристалл (ПК) и пар-жидкость-кристалл (ПЖК). Если реализуется механизм ПК, то частицы, конденсирующиеся на начальных стадиях испарения навески, имеют кристаллическое строение, и в дальнейшем формируется только кристаллическая пленка. Механизм ПЖК проявляется в том, что образование конденсированной фазы на подложке начинается с появления жидкой фазы в виде капель, которые длительное время существуют на подложке, после чего начинается процесс кристаллизации.

На этапе образования зародышей и роста пленки воздействие остаточных газов на рас­тущую пленку должно быть сведено к миниму­му. Обеспечить это можно повышением степени вакуума или увеличением скорости парообразования. Создание сверхвакуум­ных установок представляет значительные трудности, и, кроме того, время откачки рабочих камер велико. Поэтому на практике процесс в основном проводят при давлении 1,3·10^-4 - 7·10^-5 Па, которое достигается относительно просто с помощью форвакуумного и диффузионного паромасляного насосов. На чистоту расту­щей пленки влияет также наличие в потоке пара частиц материа­ла испарителя и загрязнения, присутствующие на поверхности подложки. Поэтому применяют испарители из материалов с дав­лением насыщенного пара при температуре испарения существен­но меньшем, чем у испаряемого вещества, а также выполняют очи­стку поверхности подложек в вакуумной камере непосредственно перед напылением плёнок. Для увеличения скорости парообразо­вания с целью уменьшения влияния остаточных газов на свойст­ва напыляемых пленок испарение почти всегда ведут при темпе­ратурах, превышающих условную температуру испарения веще­ства (форсированный режим). При низких скоростях испарения возможно образование рыхлых, шероховатых пленок.

Качество пленки определяется также размером зерна и вели­чиной адгезии к поверхности подложки. Различают следующие четыре вида структуры пленок:

1) аморфная, характеризующаяся отсутствием кристаллической решетки;

2) мелкозернистая, состоящая из кристаллов размерами менее 10 нм;

3) крупнозернистая или квазимонокристаллическая, имеющая кристаллы размерами 100 нм и более;

4) монокристаллическая, представляющая собой сплошную кристаллическую решетку атомов материала пленки.

Повышение температуры подложек уменьшает плотность центров зародышеобразования и, следовательно, способствует формированию крупнозернистых пле­нок, и, наоборот, повышение плотности потока пара вещества спо­собствует получению пленок с мелкозернистой структурой. При прочих равных условиях склонностью к образованию мелкозернистой структуры обладают металлы с высокой температурой испарения W, Mo, Ta, Pt, Ni. Низкотемпературные металлы Zn, Cd, и другие образуют крупнозернистые пленки.

Адгезия, т.е. прочность сцепления пленки с подложкой, при значительной разнице в их термических коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) уменьшается из-за внутренних напряжений, возникающих в пленке при охлаждении после напыления. Недостаточная адгезия – причина отслаивания пленок. Пленки толщиной более 1,5 – 2 мкм имеют недостаточную адгезию, поэтому термовакуумное напыление применяют для получения пленок меньшей толщины.

Большая адгезия обеспечивается для напыляемых материалов химически родственных с материалом подложки. В этом случае конденсация сопровождается образованием прочных химических связей (хемосорбция). Материалы подложек для тонкопленочных интегральных микросхем – ситаллы, керамика, стекла – состоят из оксидов металлов и неметаллов. Хемосорбция происходит при напылении оксидов, а также легкоокисляемых металлов Al, Cr, Mn, Ti, W. Золото, платина, палладий имеют к этим подложкам низкую адгезию.

Для улучшения адгезии и структуры пленок напыление проводят на нагретые до температуры 200 – 400 ^оС подложки.