РОЗДІЛ 2
ФОРМУВАННЯ СВІТЛОВИПРОМІНЮЮЧИХ СТРУКТУР НА ОСНОВІ ТОНКИХ ПЛІВОК SiOX
2.1. Технологія термічного осадження плівок SiOx у вакуумі
Принцип термічного вакуумного осадження можна описати за допомогою спрощеної схеми внутрішньокамерного пристрою установки вакуумного осадження зображеного на рис. 2.1. Речовину, що підлягає осадженню, поміщають в пристрій нагріву (випаровувач) 4, де вона при достатній температурі інтенсивно випаровується. В вакуумі, що створюється під ковпаком 1 камери, молекули речовини вільно та швидко розповсюджуються в навколишньому просторі, досягаючи поверхні підкладки 5. Якщо температура підкладки не перевищує критичної температури, відбувається конденсація речовини на підкладці, тобто ріст плівки. На початковому етапі випаровування для уникнення забруднення плівки за рахунок домішок, що є на поверхні випаровуваної речовини, а також для виводу випаровувача на робочий режим використовується система обертання підкладки 3, перед початком осадження для випаровування з поверхні підкладки забруднень використовується відпал галогенними лампами 7, в різних варіантах очищення поверхні може проводитись також з використанням тліючого розряду або інших пристроїв. В залежності від функціонального призначення плівки в процесі осадження контролюється час осадження, товщина, електричний опір, або інші параметри. Товщина плівки контролюється кварцовим осцилятором 6. При досягненні необхідного значення товщини, підкладка прибирається з потоку речовини. Нагрів підкладки (за допомогою нагрівача 7), перед осадженням сприяє десорбції забруднень з поверхні, а в процесі осадження створює умови для покращення структури плівки. Система відкачки підтримує вакуум порядку 10-4 Па.
Рис. 2.1. Схема установки термічного осадження у вакуумі. 1 - ковпак, 2 - система відкачки, 3 - система обертання підкладки, 4 - випаровувач, 5 - підкладка, 6 - кварцовий датчик товщини осадженої плівки, 7 - галогенні лампи для попереднього відпалу підкладки, 8 - система мікронапуску.
Ефективність процесу осадження визначається в першу чергу малим часом осадження (до десятків хвилин в залежності від товщини плівки) та рівномірністю товщини плівки на поверхні підкладки. Відповідно до цього, при організації та відпрацюванні процесу повинні бути забезпечені: інтенсивне випаровування речовини з випаровувача; прямолінійний рух молекул речовини, переважно на підкладку; інтенсивний та рівномірний ріст плівки на поверхні підкладки.
В зв'язку з цим процес термічного вакуумного осадження доцільно описувати у вигляді трьох послідовних стадій: випаровування, перенесення речовини до підкладки та конденсація (осадження).
Випаровування речовини. Випаровування речовини за поверхні має місце, в загальному випадку при будь-якій температурі відмінній від абсолютного нуля. Найбільшу ймовірність залишити поверхню мають молекули з найбільшою енергією. Зі збільшенням температури середня енергія молекул зростає та на поверхні збільшується число молекул, енергія яких перевищує енергію зв'язку з молекулами поверхні, оскільки енергія зв'язку на поверхні нижча ніж в об'ємі речовини.
Якщо припустити, що процес випаровування протікає в камері, стінки якої достатньо сильно нагріті та не конденсують пару (відбивають молекули речовини), то процес випаровування стає рівноважним, тобто число молекул, що покидають поверхню речовини, рівне числу молекул, що повертаються. Тиск пари ps, що відповідає рівноважному стану системи, називається тиском насиченої пари. Для однокомпонентної двофазової рівноважної системи, відповідно до правила фаз Гібса, існує тільки один незалежний параметр - температура речовини у випаровувачі T, - від якого залежить тиск пари. Ця залежність описується рівнянням Клаузіуса-Клайперона [55, 56]:
, (2.1)
де H - молярна теплота фазового переходу з першої фази (твердої або рідкої) в другу (пароподібну); ?V - різниця молярних об'ємів фаз. Вважаючи, що молярний об'єм пару набагато більший об'єму твердої (або рідкої) фази (?V?Vп), що парова фаза є ідеальним газом (), та що теплота випаровування не залежить від температури, можна отримати розв'язок рівняння у вигляді
, (2.2)
де, A та B - сталі, що характеризують речовину, ps - тиск насиченої пари.
Таблиця 2.1.
Температури плавлення та умовного випаровування
для деяких модифікацій оксидів кремнію
Tпл Тум
Si 1415 1342
SiO - 1025
SiO2 1730 1250
На практиці для промислового виробництва користуються умовною температурою Тум, це температура, при якій тиск насиченої пари становить 1,3 Па. Для деяких речовин ця температура нижча температури плавлення, тобто ці речовини достатньо інтенсивно випаровуються не плавлячись (явище сублімації). Температури плавлення та умовні температури випаровування для деяких модифікацій оксидів кремнію наведені в таб. 2.1.
Для розгляду рівноважного процесу випаровування передбачається, що витрата матеріалу з випаровувача не відбувається. В дійсності, осадження плівок можливе лише за рахунок нерівноважного процесу випаровування, тобто пара речовини повинна інтенсивно відводитись від випаровувача та конденсуватись відносно холодної поверхні. При цьому дійсний тиск пари не досягає насичення і матеріал речовини залишає випаровувач з певною швидкістю:
, (2.3)
де ? - швидкість випаровування; с - стала; ps - тиск насиченої пари, p - реальний, нерівноважний тиск, p0 - тиск залишкових газів в камері. Для більшості елементів швидкість випаровування при Т=Тум має порядок величини 10-4 г/(см2?с).
Перенесення речовини до підкладки. Важливим для ефективного осадження речовини на підкладку є прямолінійний рух молекул від випаровувача. Такий рух можна забезпечити домігшись відсутності зіткнень молекул, тобто достатньо високим вакуумом в камері. Ймовірність, що молекула подолає відстань від випаровувача до підкладки L без зіткнень можна описати експоненційним співвідношенням
, (2.4)
де, ?с - середня довжина вільного пробігу молекул залишкового газу.