Физико-химические основы термического вакуумного напыления тонких пленок. Тема 8

Конструкции испарителей

Интенсивность испарения материала из расплава
оценивают с помощью уравнения Герца − Кнудсена:
где Ne − число молекул на единицу площади в единицу времени;
m − молекулярная (атомная) масса;
KT − постоянная Больцмана KT =1,38·10-23 Дж/К=8,62 ·10-5 эВ/К;
Т − температура поверхности источника К;
pe − равновесное давление пара испаряемого вещества Па.
1 мм рт ст = 133 Па = 1 Торр Для ТВН 10-2Торр = 1,33 Па
Скорость потери массы источником на единице площади:
где М − масса грамм моля испаряемого вещества, pe − давление пара [Па]
При фиксированной температуре, скорость испарения не может превышать некоторое значение, определяемое формулой Герца-Кнутсена, вне зависимости от количества подводимого тепла, что говорит о необходимости соблюдения теплового баланса.
Дешман табулировал R для Ре
[молекул/(см2с)]
[г/(см2с)]

Транспортировка пара от испарителя к подложке
Плотность потока пара будет описываться выражением:
где Ф(α) − плотность потока в направлении, составляющим с нормалью к поверхности угол α; Ф0 − его плотность при α = 0. Это уравнение представляет собой косинусоидальный закон распределения.
Зависимость толщины напыляемой пленки d от расстояния от центра подложки L для испарителя малой площади (испаритель, у которого размеры поверхности испарения малы по сравнению с расстоянием от этой поверхности до подложки), расположенного на расстоянии h от подложки, будет определяться как:
Для точечного испарителя:
где ρ − плотность напыляемого материала; Me − масса испаренного вещества.
Относительная толщина пленки от центра подложки d0 к толщине пленки d на удалении L от центра:
− для испарителя с малой площадью
− для точечного испарителя.

Осаждение (конденсация) испаряемого вещества на поверхности подложки.
1. Зарождение зерен
Островковый режим или режим Фольмера-Вебера реализуется в случае, когда атомы осаждаемого вещества связаны между собою сильнее, чем с подложкой. В островковом режиме маленькие зародыши образуются прямо на поверхности подложки и затем растут, превращаясь в большие островки конденсированной фазы. Затем, сливаясь (этот процесс называется коалесценцией) образуют островки все большего размера, и после стадии заполнения каналов образуют сплошную пленку.
Послойный режим или режим Франка-Ван дер Мерве реализуется в противоположном случае, когда атомы осаждаемого вещества связаны с подложкой более сильно, чем друг с другом. Моноатомные слои заполняются в этом режиме по очереди, т.е. двумерные зародыши (толщиной в один атом) следующего слоя образуются на верхней части зародышей предыдущего слоя после его заполнения.
В промежуточном режиме, или режиме Странского-Крастанова, вначале реализуется послойный рост, затем, после заполнения одного - двух слоев начинается островковый режим роста.
2. Рост зерен Вокруг образовавшихся зерен начинают расти пространственные островки. В зависимости от температуры подложки они могут быть жидкими каплями или монокристаллами. Температура плавления островков на 2/3 меньше температуры плавления объемного материала.
3. Объединение островков.
При пограничном контакте за счет разрушения границы и выделения при этом тепла островки расплавляются, а после слияния охлаждаются, образуя новый монокристалл. На монокристаллической подложке ориентация большинства островков повторяет ориентацию подложки.
4. Заполнение каналов. Для каждой пары конденсат−подложка при заданной скорости осаждения существует критическая температура подложки, выше которой происходит рост кристаллически ориентированной пленки независимо от степени несовершенства исходного кристалла.