3 Конденсация пара на подложке
Конденсация пара на поверхности подложки зависит от температуры подложки и плотности молекулярного потока. Атомы пара, которые достигли поверхности подложки, могут мгновенно отразиться от нее упругое столкновение, адсорбироваться и спустя некоторое время покинуть поверхность подложки (реиспариться). Другие атомы адсорбируются и после кратковременной миграции (движения) по поверхности окончательно остаются на ней. Эти атомы конденсируются на подложке.
При отсутствии химического взаимодействия атомов вещества с материалом подложки (физическая адсорбция) энергия связи определяется силами Ван-дер-Ваальса и имеет значение порядка 0,01 - 0,1 эВ. В зависимости от потенциального рельефа, образованного поверхностными атомами подложки, адсорбированный атом может, потеряв значительную часть избыточной энергии, закрепиться на подложке (сконденсироваться). Однако вероятность такого процесса для одиночного атома очень невелика. Значительный избыток энергии адсорбированного атома и длительная миграция по подложке приводят к тому, что он с большой вероятностью десорбируется (реиспарится), то есть покинет поверхность подложки. Если подложка нагрета, а плотность атомного потока небольшая, практически исключающая взаимодействие атомов вещества на подложке, то наступает равновесное состояние, при котором поток падающих на поверхность атомов равен потоку десорбированных атомов. Конденсации вещества на подложке при этом практически не происходит. Конденсация вещества может начаться при пересыщении пара на подложке.
Конденсация атомов происходит, если средняя энергия атомов подложки ниже энергии связи их с атомами осаждаемого вещества. Если подложка нагрета, энергия её атомов выше и вероятность конденсации пара ниже. Для каждого вещества существует критическая температура подложки Ткр, выше которой они реиспаряются, а ниже — конденсируются. Критическая температура Ткр определяется также плотностью молекулярного потока. Чем больше плотность молекулярного потока, тем выше Ткр. При определенной температуре подложки (Т<Ткр) существует также критическая плотность потока, ниже которой конденсация пара не происходит.
4 Образование пленки
Формирование пленки начинается с образования зародышей. Атом, двигающийся по поверхности подложки, задерживается в местах, в которых система атом-подложка имеет минимальную энергию. К нему присоединяются другие атомы, которые мигрируют по поверхности или непосредственно попадают из пролетного пространства испаритель - подложка. В процессе конденсации зародыши растут. Между зародышами возникают соединительные мостики и постепенно зародыши объединяются и образуют большие островки. Островки соединяются между собой, и возникает единая сетка. Сетка перерастает в сплошную пленку, которая начинает расти в толщину. С этого момента влияние подложки на формирование пленки устраняется, и частицы пара не отражаются от поверхности пленки.
Рис. 4.3. Схема процесса начального образования пленки на подложке:
а) при низкой плотности потока атомов; б) при высокой плотности потока
Таким образом, структура полученной пленки определяется размерами зародышей, образовавшихся на начальном этапе конденсации. При высоких температурах подложки размеры критических зародышей больше и пленка получается крупнозернистой. При низких температурах подложки пленка получается мелкозернистой. На структуру пленки также влияет и плотность потока атомов. При увеличении плотности потока размеры критических зародышей уменьшаются, количество центров зародышеобразования увеличивается, в результате пленка получается мелкозернистой. Уменьшение плотности потока приводит к увеличению зернистости пленки. При фиксированной плотности потока существует критическая температура подложки, выше которой пленка на поверхности подложки не образуется. И, наоборот, при фиксированной температуре подложки существует критическая плотность потока атомов, ниже которой пленка не образуется.
Какая из структур (крупнозернистая или мелкозернистая) лучше - определяется конкретным назначением пленки. Если, например, она предназначена для формирования пленочных резисторов, то лучше крупнозернистая структура, поскольку она более стабильна при колебаниях температуры в процессе эксплуатации данных резисторов. Мелкозернистая структура при повышенных температурах эксплуатации резисторов подвержена влиянию процессов рекристаллизации, приводящих к изменению электрофизических свойств пленки. Если, например, требуется получить высококачественные зеркала, то в этом случае желательно формировать мелкозернистую пленку.
При прочих равных условиях склонностью к образованию мелкозернистой структуры обладают металлы с высокой температурой испарения W, Мо Та, Рt, Ni. Низкотемпературные металлы Zn, Сd и другие образуют крупнозернистые пленки.
Адгезия, т.е. прочность сцепления пленки с подложкой, при значительной разнице в их 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 ИМ - ситаллы, керамика, стекла - состоят из оксидов металлов и неметаллов. Хемосорбция происходит при напылении оксидов, а также легкоокисляемых металлов А1, Сг, Мn, Тi, W. Золото, платина, палладий имеют к этим подложкам низкую адгезию. Для улучшения адгезии и структуры пленок напыление проводят на нагретые до температуры 200... 400 о С подложки.
На этапе возникновения зародышей и формирования пленки необходимо свести к минимуму влияние остаточного газа, частиц вещества испарителя и загрязнений на поверхности подложки. Эти факторы влияют на электрофизические свойства пленки и уменьшают ее адгезию (сцепление) к подложке. Для предотвращения этого испарители имеют давление насыщенного пара значительно меньшее, чем давление пара вещества, которое испаряется. Влияние остаточных газов уменьшают за счет сокращения времени напыления пленки, повышая скорость испарения. Вещество испаряют при температуре значительно большей чем условная температура испарения, то есть используют форсированный режим. Загрязнения, существующие на поверхности подложки, устраняют в процессе окончательной очистки, которая происходит непосредственно в вакуумной камере в плазме газового разряда перед напылением. Поверхность подложки подвергается бомбардировке ионами, которые выбивают с поверхности атомы органических и неорганических загрязнений.