Влияние технологических факторов зарождения новой фазы на структуру пленок

Из уравнений (200) [ r_кp= - 2σ _s/ (ΔG_V)] и (218) следует, что размеры критического зародыша r _кр, его свободная энергия (энергетический барьер) ΔG_кp и скорость образования зародыша v₃ зависят от значений поверх­ностной энергии, контактного угла, температуры, степени перена­сыщения (скорости конденсации), энергии активации поверхност­ной диффузии. Эти характеристики являются тех­нологическими параметрами ТП и исходных материалов и оказывают влияние на стадии образования зародышей и фор­мирования первых (моноатомных) слоев.

Пленка, образованная при высоком энергетическом барьере, должна состоять из зародышей, имеющих большой критический радиус и низкую скорость зарождения (малое число зародышей), т. е. состоять из нескольких крупных агрегатов. Пленка, образо­ванная при низком энергетическом барьере, должна состоять из зародышей, имеющих малый критический радиус и высокую ско­рость зарождения (большое число зародышей), т. е. состоять из большого числа мелких агрегатов. Такая пленка становится сплош­ной при относительно малом значении средней толщины, поскольку зародыши уже на ранних стадиях осаждения соприкасаются и срас­таются. Кроме того, структура такой пленки более мелкодисперс­ная, чем у пленки с большим r_кр и малым v₃. Это, в свою очередь, будет сказываться на электрических свойствах полученных слоев. Таким образом, анализ влияния технологических параметров на r_кр, ΔG_кр, υ₃ может в первом приближении дать ответ на характер их взаимной зависимости и связь с электронными свойствами по­лученных слоев. (Конец лекции перед словами «Кроме того,….)

Проанализируем процесс осаждения …………….

r_кр существенно зависит от природы осаждаемого материала и от давления насыщенного пара, свя­занного с теплотой испарения. Поскольку теплота испарения прямо пропорциональна точке кипения (согласно правилу Трутона), мож­но заключить, что материалы с высокой температурой кипения обладают большим значением ΔG_V. Следовательно, размеры кри­тических зародыщей должны уменьшаться с повышением темпе­ратуры кипения вещества пленки. Поэтому у металлов с высокой температурой кипения (W, Мо, Rе, Та, Ni, Сu и др.) даже очень малые зародыши являются стабильными. У металлов с невысокой температурой кипения (Zn, Cd, Ag, Au, Сu и др.) зародыши долж­ны достичь значительной величины, прежде чем стать стабильными. С увеличением размеров их устойчивость повышается.

При срастании агрегатов между ними формируются границы зерен. Таким образом, размер зерен образующейся пленки определяется величиной критических и (сверхкритических) зародышей. В свою очередь, как подчеркивалось ранее, структура пленки вли­яет на ее электрофизические свойства. Окончательные размеры зерен зависят и от режимов последующей обработки пленки, на­пример ее отжига при определенных температуре, времени, давле­нии и т. п. Исследования тонких пленок показали, что материалы пластины и испаряемого вещества, а также условия осаждения вли­яют на структуру пленок.

Из приведенных соотношений следует, что размеры критических зародышей резко снижаются, если материал пластины имеет боль­шое сродство с осаждаемым веществом, т. е. малый угол φ. Напри­мер, если в качестве материала пластины служит металл, для ко­торого σ_s=1,5 Дж/м², φ→0, то при осаждении алюминия r_кр может иметь значение, близкое к нулю, что указывает на отсутствие энер­гетического барьера при зарождении пленки даже у металлов с вы­соким давлением насыщенного пара. Поэтому образование сплош­ных пленок может происходить при нанесении на металлическую или полупроводниковую пластину даже нескольких моноатомных слоев осаждаемого металла. Такое явление часто используется в технологии РЭА для создания адгезионных подслоев при получении пленок из материалов, имеющих малое сродство с пластиной (плохую адгезию к пластине). При этом сначала на пластину на­пыляют какой-либо материал с малым р_к и хорошей адгезией к пластине (φ→0), например Cr или W, за­тем на него — основной металл (Аl, Сu, Аu и т. п.), который будет осуществлять ту или иную заданную электрическую функцию.

Влияние температуры, пластины на размеры критического зародыша опреде­ляется зависимостью, полученной в ре­зультате дифференцирования выражения (200) r_кp= - 2σ _s/ (ΔG_V). по температуре:

(219)

Подставляя средние значения величин, входящих в (219) для металлов, получим

(220)

что имеет место практически во всех случаях, когда существует энергетический барьер образования зародышей.

Следовательно, увеличение температуры пластины ведет к ро­сту r_кр и сохранению островковой структуры и для более высоких значений средней толщины пленки. На рис. 17 приведена зависи­мость среднего расстояния d между агрегатами (плотности агрега­тов) от температуры пластины при термическом испарении и ка­тодном распылении. Угол наклона кривых 1 и 2 позволяет опреде­лить ΔG_п.д.

Продифференцировав ΔG_{к p} по температуре, найдем

(221)

Поскольку скорость образования зародышей υ₃ экспоненциально связана с ΔG_{к p} [см. уравнение (218)], скорость возникновения аг­регатов критических и сверхкритических размеров быстро убывает с ростом температуры. В этом случае для создания сплошной пленки потребуется более продолжительное время.

Влияние скорости осаждения пленки (степени перенасыщения) на размеры критических зародышей (r _кр) и ΔG_{к p} обусловлено зависимостью этой скорости от значения ΔG_V [см. (197) и (198)]. При увеличении N↓ или р_пер (р_и—р_к) возрастает ΔG_V Поскольку поверхностные энергии пластины и границы раздела не зависят от N↓,

(222)

Следовательно, рост скорости осаждения пленки приводит к уменьшению размеров зародышей и увеличению скорости их воз­никновения. Поскольку зависимость ΔG_v = f является логарифмической, влияние скорости осаждения пленки на значения r_кр и ΔG_{к p} сказывается очень сильно.

Повышение скорости осаждения при реальных условиях может привести и к увеличению размеров критических зародышей, т. е. зависимость r_кp = f (N↓) является более сложной, чем описывае­мая теорией Гиббса — Фольмера.

Влияние поверхностной диффузии на размеры критического зародыша аналитически определить нельзя. Однако скорость образо­вания критических зародышей должна зависеть от способности ад­сорбированных атомов диффундировать и сталкиваться друг с дру­гом. Согласно уравнению (218) эта скорость уменьшается экспо­ненциально с увеличением энергии активации поверхностной диф­фузии. Если энергия активации велика, то диффузия протекает медленно и зародыши растут только за счет столкновения их с ато­мами паровой фазы. Энергию активации диффузии часто принимают равной 1/4 энергии активации десорбции в газовую фазу, т. е.

Энергия связи осаждаемых атомов с пластиной ΔG _адс, как по­казано ранее, влияет на значения r_кр и ΔG_{к p}. Поэтому для неодно­родных поверхностей пластин, где ΔG _адс заметно изменяется от уча­стка к участку, на различных участках пластины значения r_кр и ΔG_{к p} различны, что сказывается на однородности осаждаемой плен­ки. Вот почему в технологии РЭА необходимо иметь подложки с однородной и чистой поверхностью.

Энергия адсорбции для некоторых металлов имеет следующие значения:

Адсорбируемый металл Ва W Аl Сu

Материал пластины W W NaCl Стекло

Энергия адсорбции, Дж 6,08 9,33 9,6 2,24

Дата добавления: 2014-01-03