Вакуумно-термічне випаровування
БІЛОукраїнський ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАТИКИ ТА РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
Реферат на тему:
"Вакуумно-термічне випаровування. Типи та конструкції випарників"
Методи одержання плівок. Вакуумні. Вакуумно-термічне випаровування. Його різновиди: лазерне, електронно-променеве, вибухове. Особливості випаровування сплавів та композиційних сумішей. Типи та конструкції випарників. Плазмові методи одержання плівок. Плазма. Тліючий розряд. Визначення та термінологія. Класифікація плазмових процесів та конструктивне оформлення розпилювальних пристроїв. Катодне розпилення (КР). Реактивне розпорошення (РР). Іонно-плазмове розпилення (ІПР). Високочастотне розпилення. Розпилення зі зміщенням. Іонне розпилення. Термійне розпилення. Магнетронні розпилювальні пристрої. Спрощене опис механізму розпилення. Схема устрою. Отримання плівок із газової фази. Сутність, основні поняття та визначення епітаксії. Чинники впливають епітаксію. Хлоридні та силанові методи отримання епітаксійних шарів. Легування при епітаксії. Гетероепітаксія (КНС - кремній на сапфірі). Функції діелектричних плівок в ІЕОТ. Вимоги до них. Термічне окислення Si – базовий процес отримання аморфних шарів у технології ІВ. Окислення в сухому, в кисні і парах води. Окислення під тиском, в хлоровмісному середовищі. Піролітичне отримання плівок із газової фази при нормальному та зниженому тиску. Плазмохімічне осадження. Одержання плівок полікристалічного кремнію (ПКК), оксиду та нітриду кремнію в технології ІЕОТ. Параметри процесу та їх контроль.
1. Вакуумно-термічне випаровування
Усі речовини в залежності від температури нагріву можутьперебувати в одному з трьох фазових (агрегатних) станів: твердому, рідкому або газоподібному (пароподібному). Випаровування, тобто. перехід речовини в пароподібний стан, відбувається, коли з підвищенням температури середня коливальна енергія його частинок зростає настільки, що стає вищою за енергію зв'язку з іншими частинками і вони залишають поверхню (випаровуються) і поширюються у вільному просторі.
Умовною практично встановленою температурою випаровування вважається температура, при якій тиск насиченої пари речовини становить приблизно 1,3 Па.
Температури плавлення та випаровування найважливіших елементів наведені в таблиці. З цієї таблиці видно, що умовна температура випаровування більшості елементів вище за температуру плавлення, тобто. випаровування походить з рідкого стану. Деякі речовини мають умовну температуру випаровування нижче за температуру плавлення, тобто. вони досить інтенсивно випаровуються із твердого стану. Процес переходу речовини з твердого стану в пароподібний, минаючи рідку фазу, називають сублімацією (або сублімацією).
Швидкість випаровування, тобто. кількість речовини (у грамах), що залишає 1 см вільної поверхні в 1 с за умовної температури Тy, розраховують за формулою
Де М – молекулярна маса, г/моль.
За цією формулою можна визначити, наприклад, якою є швидкість випаровування алюмінію, що має М = 27 і Ту - 1423:
Швидкість випаровування більшості елементів за Ty становить 10-4 г/(см2. с). Для отримання прийнятних швидкостей зростання плівки, а також економного витрачання матеріалу (нерідко дорогого) слід створювати умови руху частинок речовини, що випаровується переважно у напрямку до підкладки. При цьому потрібний досить глибокий вакуум, при якомувиключаються зіткнення молекул залишкового газу з молекулами речовини та розсіювання їх потоку на шляху до підкладки.
Потік випареної речовини, що складається з молекул (атомів), що не зазнають на своєму шляху зіткнень і розсіянь і що рухаються внаслідок цього прямолінійно, називають молекулярним потоком. Для визначення умов існування молекулярного потоку зручніше характеризувати рівень вакууму не тиском залишкового газу, а середньою довжиною вільного пробігу його молекул.
Вже за тиску р = 10-2 Па середня довжина вільного пробігу молекул
Температури плавлення та випаровування елементів
Крім того, необхідно забезпечувати рівномірність розподілу товщини плівки на підкладці, що є одним із основних її параметрів. Товщина плівки у цій точці підкладки визначається кількістю частинок, що досягають її в одиницю часу. Якби потік частинок, що наносяться, був однаковий на всю поверхню підкладки, плівка виходила б однакової товщини. Однак площа випарників речовина багато разів менша за площу підкладкотримачів (тому їх називають точковими джерелами). В результаті досягти рівномірності потоку неможливо. Як видно з Рисунок 1 а, швидкість нанесення плівки буде неоднакова в точці 0 і в точках А і В: чим далі від осі 0S ці точки, тим нижча швидкість нанесення плівки і тим менша її товщина за даний час нанесення. При плоскому підкладкотримачі нерівномірність товщини плівки становить ±20%.
Найбільш простим способом зниження нерівномірності розподілу плівки за товщиною є збільшення відстані dіп. Однак це зменшує швидкість конденсації плівки, що негативно впливає на її властивості. Максимально можлива відстань dіп обмежена розмірами робочої камери установки.
На практиці застосовують складніші способи, одним з яких є надання підкладкодержателю сферичної форми (Малюнок 1,6).
Нерівномірність товщини плівки при цьому знижується до ± 10%. Якщо цього недостатньо, використовують систему з подвійним обертанням, так звану планетарну карусель (Малюнок 1, в), що складається з приводної осі 9, що обертається, на якій встановлені три подложкодержателя 7. Кожен подложкодержатель може обертатися навколо власної осі 8 при обкатуванні по кільцю 6. Так здійснюється планетарний рух підкладок. Планетарні каруселі коштують досить дорого, проте за їх використання нерівномірність плівок за товщиною становить ± (3 - 4)%.
Для перевірки нерівномірності товщини нанесених плівок у п'яти точках на пластині - у центрі та по краях взаємно перпендикулярних діаметрів - вимірюють за допомогою мікроскопа МІІ-4 товщину плівки dп. Вибирають із отриманих значень товщини максимальне dmax та мінімальне dmin та обчислюють (%) нерівномірність (відхилення товщини від середнього значення) за формулою
Розглянемо приклад розрахунку нерівномірності товщини плівки. Отримано виміри в п'яти точках (нм): 1260, 1255, 1290, 1280, 1265. З цього ряду виберемо dmax = 1290 і dmin = = 1255 і обчислимо нерівномірність за формулою:
Процес випаровування та якість нанесених плівок значною мірою визначаються типом та конструкцією випарників, які можуть мати резистивне або електронно-променеве нагрівання. Вибір типу випарника залежить від виду матеріалу, що випаровується, його агрегатного стану і температури в процесі випаровування, а також інших факторів.
2. Типи та конструкції випарників
Нагрів електропровідного тіла, що має високий електричний опір при проходженні через нього електричного струму, називаютьрезистивним. При цьому зазвичай використовують змінний струм.
Переваги резистивного нагріву - високий ККД, низька вартість обладнання, безпека в роботі (низька напруга на затискачах) та малі габаритні розміри. Факторами, що обмежують застосування випарників з резистивним нагріванням, є можливість забруднення плівки, що наноситься матеріалом нагрівача, а також малий ресурс роботи через старіння (руйнування) нагрівача, що вимагає його періодичної (іноді досить частої) заміни.
Випарники цього типу різних конструктивних варіантів можуть бути з безпосереднім або з непрямим нагріванням речовини, що випаровується.
Матеріали, які використовуються виготовлення випарників, повинні відповідати таким вимогам. Випарюваність матеріалу випарника при температурі речовини, що випаровується, повинна бути зневажливо малою. Для хорошого теплового контакту матеріал випарника повинен добре змочуватися розплавленим речовиною, що випаровується. Між матеріалом випарника і речовиною, що випаровується, не повинні відбуватися ніякі хімічні реакції, а також утворюватися легковипарювані сплави, так як це призводить до забруднення плівок, що наносяться, і руйнування випарників.
Для виготовлення випарників промислових установок використовують тугоплавкі метали (вольфрам, тантал, молібден).
Слід особливо відзначити, що алюміній, що використовується для нанесення плівок, у розплавленому стані має високу хімічну активність і взаємодіє практично з будь-якими металами, з яких виготовляють випарники. Це значно знижує їхній термін служби. Тому такі випарники є одноразовими та після кожного процесу випаровування їх замінюють.