Конденсация пленок

Область зоны осаждения

1. Адсорбция2. Десорбция3. Аккомодация4. Поверхностная диффузия(миграция)5. Коагуляция и коалесценция6. Собирательная рекристаллизации7. Повторение предыдущих стадий8. Образование сплошной плёнки9. Зародышеобразование

Стадии конденсации

Адсорбция

Адсорбция – процесс приводящий к аномально высокой концентрации вещества из газовой или жидкой фазы на поверхность раздела.

Адсорбция

Химическая Физическая

За счет поляризации молекул электронных оболочек и сил Ван-дер-Ваальса

Перекрытие электронных оболочек частиц с передачей электрона. Связь сильная (ковалентная, ионная, металлическая)

Адсорбция Движущая сила

процесса адсорбции

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

Хим

Физич

E

x

св

подл

исп

Т

T

P

PG

подлT

испT ln

Поверхностная концентрация адсорбированных атомов на полупроводнике:

адвvисп

исп

адисп

падададад

CNN

d

dNJN

4

1

Nv – объемная концентрация остаточных газов

Св – наибольшая вероятная скорость

– поток пара на подложку

Emin

исп

испN

Энергия связи атома с подложкой

вv CN 4

1 - поток остаточных газов на подложку

Десорбция

Десорбция – реиспарение, отражение атомов от подложки

Едес=-Eад

Энергия адсорбции является функцией природы поверхности, частиц, времени испарения, шероховатости, частоты.

Е

0

5

10

15

20

25

Еад

х

Увеличение Еад приводит к увеличению ад за счет появления связей между атомами

Nпад

Nад

0

1

2

3

4

5

6

адmax т.к. Еад max

ад min ад и Nад являются функциями исп

nоод

aдоад кТ

Eexp

Коэффициент конденсации Коэффициент конденсации может быть определён экспериментально измерением массы М или толщины d

0

2

4

6

8

10

12

14

1 1, 5

исп

КК

Область частичной конденсации

л- латентный

период

Кк ~

расч

ос

исп

осk d

d

М

МK

a – радиус атома

1 - степень покрытия поверхности

'испV''

испV

''''''исписписп VVV

Латентный период определяется барьером прилипания и зависит от Vисп, чистоты подложки и природы напыляемого материала. Практически он заметен при малых Vисп. При увеличении Vисп латентный период уменьшается ( л 0)

Латентный период велик для благородных металлов и на практике они не осаждаются без подслоя из тугоплавкого металла.

При понижении Voc , KK не достигает 1. Пленка получается рыхлой со множеством дефектов.

о Для Voc >40 А/сек коэффициент КK=1

Латентный период

Аккомодация

Аккомодация – обмен энергией между молекулами газа,

налетающими на поверхность, и молекулами

конденсированной фазы при установлении равновесного

состояния

Коэффициент термической аккомодации

Тад зависит от массы атомов

частоты их колебаний разности

температур испарителя и подложки

T за доли секунд становится равновесным 1, т.е. Тадс~Тподл

Tпри Тисп~ 5000К и легких атомов

подлисп

адиспT ТТ

ТT

Поверхностная диффузия

Коэффициент диффузии

подл

дифs кТ

EDD exp0

awfD ,0

Частота колебаний атомов

Период решетки

Едиф зависит от природы атома

Легкоплавкие и благородные металлы обладают низкой Eд и высокой а тугоплавкие - высокой Eд и низкой Поэтому тугоплавкие металлы имеют низкий коэффициент диффузии, а легкоплавкие и благородные – высокий.

ЗародышеобразованиеПоверхностная диффузия способствует образованию кластеров,

являющихся началом процесса зародышеобразования.

Количество N и размер зародышей r определяет структуру пленки.

nоод

конддифaдисппадзар кТ

GEEJconstN exp

aGr

fсonst кондзарод

,,1

конд

повзарод

Gr

2

подл

испконд Т

ТG ~

Влияние технологических режимов и природы металла на структуру пленки

Влияние толщины пленки на размер зародыша

r

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Тподл max

Тподл min

0

5

10

15

20

25

30

35

r

Tисп

Тподл max

Тподл min

Пленки тугоплавких металлов становятся сплошными при ~ 100 Ǻ, а у легкоплавких - при ~ 300 Ǻ

При низких Tисп главную роль играет Тподл. При высоких Тисп

размер зародыша практически не меняется.

dкритd Область управления структурой пленки

Механизмы Конденсации

- Пар-жидкость при Тподл> ⅔Тпл, потом идет кристаллизация

- Пар-Кристал при ⅓ Тпл<Тподл<⅔ Тпл

- Пар-Аморф с последующей кристаллизацией ПА(К) при Тподл< ⅓ Тпл

Влияние технологических режимов и природы металла на структуру пленки

1. Для тугоплавких характерно малый размер зародыша (т.е. 2-3 атома могут стать устойчивыми зародышами,)и высокая поверхностная концентрация зародыша. Поэтому структура пленки мелко зернистая и столбчатая.

Легкоплавкие и благородные металлы образуют крупнозернистую структуру с каплевидными кристаллами

2. Повышение температуры испарителя и понижение температуры подложки способствуют формированию мелкозернистой структуры. Понижение температуры испарителя и повышение температуры подложки способствуют крупнозернистой структуре

Движущей силой является стремление зародышей

минимизировать поверхностную энергию

механизмом этих процессов является поверхностная

диффузия

Коагуляция – механические объединения зародышей

Коалесценция - приобретение общей кристаллической

решетки. След от границы слияния остается в виде

линейного дефекта. Эти процессы повторяются несколько

раз в процессе осаждения, кратность их повторения

зависит от толщины.

Собирательная рекристаллизация укрупняет зерна и формирует пустые области поверхности.

Далее происходит повторение всех предыдущих стадий на свободных

участках подложки с одновременным ростом размеров старых зерен

Коагуляция Коалесценция Рекристаллизация

Образование сплошной пленки является завершением всех предыдущих процессов. Во всех процессах масса осажденного вещества (толщина) играет важную роль при образовании структуры. Толщина является не только геометрическим фактором, но и термодинамическим, определяющим процесс конденсации, а следовательно структуру, состав, стабильность и электрофизические параметры тонких пленок.

Образование сплошной пленки

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 кв 2 кв 3 кв 4 кв

d

Легкоплавк

Тугоплавк

dкр dкр

Стабильная пленка должна иметь минимальную поверхностную энергию и площадь её поверхности должна быть минимально возможной, т.е. атомарно гладкой. Но из за того что процесс осаждения носит случайный характер, а подложка имеет шероховатость, дефекты и загрязнения, поверхность пленки оказывается сильно шероховатой и даже более чем у подложки. Шероховатость подложки сильно сказывается на сверхтонких пленках, толщина которых соизмерима с высотой неровности подложки. Такие пленки полностью повторяет рельеф, и поэтому под них напыляют диэлектрические пленки. Наибольшую шероховатость имеют столбчатые кристаллы тугоплавких металлов. При этом, чем выше толщина пленки, тем выше шероховатость из-за многократных процессов коагуляции, коалесценции, рекристаллизации.

Случайные колебания толщины пленки

2dd

Экспериментально установлено, что распределение толщины

подчиняется закону Пуассона:

Случайные колебания толщины пленки

d

подл

плш S

SК

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1 кв 2 кв 3 кв 4 кв

-50° C

18° C

100° C

Кш

d

2dd

Процессы поверхностной диффузии способствуют сглаживанию пленки. Чем выше температура подложки тем меньше Кш. При плохом вакууме Кш высокое. Кш сильно влияет на сопротивление пленки

- коэффициент

шероховатости