Элионные технологии. Расчет режимов элионной обработки и показателей качества изделий

Структура тонкопленочных покрытий
Количество осаждающихся атомов или молекул n1 и задерживающихся на единице поверхности подложки на время жизни адатома (адсорбированного атома) τa равно: (N1 – поток осаждающихся на единицу поверхности подложки в единицу времени атомов или молекул, атом/(м2.с); ν - частота собственных колебаний адатома (ν≈1Е14 Гц); ΔEдес - энергия активации десорбции, Дж; T - температура подложки, К (условием, необходимым для образования адатома, является Ea > kT, где Ea - энергия осаждающихся атомов или молекул – рис.19).
Так как температура (энергия) осаждающихся атомов или молекул больше температуры поверхности подложки, то адатомы перемещаются (диффундируют) по поверхности и могут либо покинуть поверхность (десорбировать), либо остаться на ней. Процесс роста тонкой пленки включает в себя несколько стадий (Рис.20): 1) перемещение адатомов по поверхности, их соединение и образование зародышей; 2) укрупнение зародышей за счет захвата новых адатомов; 3) слияние зародышей и образование островков; 4) слияние островков; 5) образование несплошной пленки; 6) образование сплошной пленки.
«Критический радиус зародыша» - минимальное количество адатомов, при котором энергия (температура) десорбции зародыша меньше температуры поверхности подложки:
или
где ra – радиус одного адатома; ps и p - давление насыщенного пара при температуре испарения материала и температуре поверхности подложки T, соответственно; σ - коэффициент поверхностного натяжения (≈1Е-4 Дж/см2); ΔEдис - энергия диссоциации зародыша (≈2Е3 Дж/см3). При приведенных в скобках данных критический радиус зародыша и количество составляющих его атомов приблизительно равны: rкр ≈ 1 нм и nкр ≈ 6-7 шт.

Скорость образования зародышей Vз зависит от rа и rкр, потока осаждающихся на единицу поверхности в единицу времени атомов или молекул N1, энергии активации десорбции ΔEдес и диффузии ΔEдиф , температуры поверхности подложки T. Время образования зародышей t (с).
Структура пленки определяется характером зависимости максимального количества устойчивых зародышей от температуры поверхности подложки T (Рис.21 а)

при T >T0
при T< T0
(n0 - количество отдельных атомов, которое может поместиться на единице площади подложки – n0≈2Е18 шт/м2). T0 – критическая температура, выше которой имеет место неполная конденсация: α<1, τa<τдиф, rкр > ra, а nкр не зависит от N1, т.е. созданы условия для роста кристаллической пленки. Если подложка относительно холодная (T< T0), то nкр зависит от N1 и практически каждый осевший атом или молекула остается на подложке, т.е. при полной конденсации α≈1, τa>τдиф, rкр ≈ ra, а пленка получается рентгеноаморфной.
Таким образом, чтобы получить аморфную, моно или поликристаллическую пленку необходимо правильно выбрать режимы технологического процесса: скорость осаждения Vо, температуру поверхности подложки T (Рис.22), энергию атомов и молекул и др.

Толщина пленки оказывает существенное влияние на ее свойства, которые могут на порядки отличаться от свойств данного материала при толщинах, больших приблизительно 1 мкм. Так, удельное сопротивление резистивной пленки ρc имеет три вида зависимости от ее толщины h (Рис.23): увеличение до бесконечности при толщине, соответствующей островковой стадии роста (h
Сопротивление тонкой пленки R=ρc b/(ha)= ρ• b/a, где a и b – ширина и длина тонкопленочного резистивного элемента, м; ρс в Ом.м и ρ• (“ро квадрат”) в Ом/• являются константами материала, причем ρ• соответствует максимально возможному для данного материала значению удельного сопротивления при h=hmin и равен

Показателем качества тонкопленочных покрытий является неравномерность толщины пленки, которая возникает в результате косинусоидального распределения потока испаряемого или распыляемого материала по направлениям (Рис.17):
dqи (ϕ)= qи.Cosϕ. dω /π,
где qи - масса испаренного или распыленного вещества, кг; ϕ - угол испарения; ω - телесный угол испарения. Элементарный участок, на который осаждается тонкая пленка, равен
dA0= r 2. dω / CosΘ ,
где r - расстояние от источника испарения или распыления до элементарной площадки; Θ - угол конденсации.
Закон Кнудсена записывается в следующем виде:

Согласно закону Кнудсена скорость осаждения (кг/(м2.с)), где q’и – удельная скорость испарения (кг/с), равна:
Количество испаряемых или распыляемых атомов или молекул осаждающихся на единицу поверхности в единицу времени равно, атом/(м2.с)
Толщину пленки h (м) в произвольной точке подложки δ (Рис.18) можно рассчитать по формуле (l –расстояние от источника до подложки при ϕ=0, ρ-плотность материала).
Неравномерность толщины пленки при точечном испарителе (площадь испарителя пренебрежимо мала)
При испарителе с радиусом rи (Рис.18 в) толщину пленки в точке δ можно рассчитать по следующей формуле (α= 0 - 2π ):

Dажным фактором обеспечения качества тонкопленочных покрытий является состав и свойства технологической среды – вакуума или рабочих газов, которые оцениваются коэффициентом загрязнения γ осаждаемой тонкой пленки: Nз.о.- поток “загрязняющих” атомов или молекул, осаждающихся на подложку, атом/(см2.с); Nм.о. - поток атомов или молекул осаждаемого материала, атом/(см2.с)
pi - парциальное давление i-го газа (“загрязнения”),Па; αi - коэффициент аккомодации i-го газа (“загрязнения”); T - температура стенок вакуумной камеры, К; Mi - молекулярная масса i-го газа (“загрязнения”), кг/кмоль; Vо - скорость осаждения пленки, кг/(м2.с) (Vо’ в нм/с); Mм - молекулярная масса материала пленки, кг/кмоль.
При нормальном законе распределения γ вероятность обеспечения требуемой чистоты осаждаемой пленки равна
Математическое ожидание коэффициента загрязнения осаждаемой пленки равно
Допустимый коэффициент “загрязнения” пленки γ∂ можно оценить следующим неравенством: где n∂ - допустимая концентрация загрязнений в материале пленки (1Е12 – 1Е20 атом/см3); h - толщина пленки, м; t - длительность процесса осаждения пленки, с; среднее квадратичное отклонение коэффициента загрязнения пленки σγ зависит от: σx - среднее квадратичное отклонение параметра xj, k - количество параметров x, влияющих на чистоту технологической среды (в скобках – частные производные)