Закономерности образования и роста тонких конденсированных пленок, формируемых из газовой фазы

Э лементарные процессы, протекающие на поверхности при образовании пленок, в значительной степени зависят от условий и режимов формирования тонкопленочной системы, технологии нанесения покрытий. В случае осажде- ния покрытия в вакууме из газового потока кинетика роста покрытий их струк- тура и свойства зависят от следующих основных параметров:

1. Давления остаточных газов в вакуумной камере Р. Достаточно обосновано эмпирическое правило: чем давление в камере выше, тем ниже качество по- крытия.

2. Плотности потока падающих на поверхность атомов j. При возрастании j происходит более интенсивное зародышеобразование и повышается сплош- ность покрытия, увеличивается его адгезионная прочность и коррозионная стойкость.

3. Температуры поверхности подложки Т. При ее повышении формируется по- крытие с более равновесной структурой. Однако, при этом снижается его сплошность и скорость осаждения. Изменение температуры покрытия после его нанесения может быть причиной полиморфных превращений, которые, в общем случае, оказывают сложное влияние на их структуру и свойства.

4. Степени ионизации и энергии падающих атомов. Как правило, повышение степени ионизации и энергии падающих атомов до определенного предела спо- собствует повышению качества осаждаемого покрытия. При больших значени- ях энергии атомов, взаимодействующих с поверхностью и участвующих в про- цессах роста пленки, возможно образование в ней структурных дефектов. Графики характерных зависимостей структурных параметров от указанных выше факторов представлены на рис. 5.

Рис.5. Зависимость размера зерна от температуры подложки (а), плотности по- тока атомов (б), толщины покрытия (в), температуры отжига (г).

4.1 Стадии и механизмы роста пленок при их осаждении из газового потока Пусть на поверхность твердого тела, находящего- ся в вакууме, действует поток частиц с плотно- стью j, ат./(с×м2) (на практике, в технологии осаж-

. дения покрытий используются потоки с j ~

1010¸1020 ат./(с×м2)).

Рис. 5. Взаимодействие атомов с поверхностью.

При взаимодействии отдельного атома с поверхностью протекают следующие элементарные процессы:

1. Энергообмен (аккомодация) с поверхностными атомами подложки. В зави-

симости от условий энергообмена, природы взаимодействующего атома и атомов подложки возможны две взаимоисключающие друг друга ситуации (рис. 5):

а)атом упруго отразился;

б) закрепился на поверхности–перешел в адсорбированное состояние.

Для характеристики термической аккомодации используют коэффициент акко- модации ат,, который определяет долю энергии, переданной атомам поверхно- сти при взаимодействии.

Если распределение по энергии падающих и исходящих с поверхности атомов является максвелловским, то

Е ¯- Е ­

Т ¯- Т ­

ат =; ат =,

Е ¯- ЕП

Т ¯- Т П

где Е¯ и Т¯ - энергия и температура атомов, поступающих на поверхность;

Е­ и Т­ - энергия и температура атомов, уходящих в газовую фазу; Еп и Тп - энергия и температура атомов подложки.

Всегда при реализующихся на практике условиях и режимах осаждения ат£1. При Е­=Еп имеем ат=1, т. е. наблюдается полная аккомодация.

Расчеты показывают, что если энергия взаимодействия атома с поверхностью

(энергия адсорбции) Eа значительно больше Е¯, то аккомодация практически всегда полная и в итоге атом закрепляется (адсорбируются) на поверхности. Если Eа =0,5 эВ, то достаточно высокая аккомодация атомов имеет место при испарении их при температуре ниже 6000 К, и при Ти>6000 К, что, как правило, имеет место в реальных процессах, - ат<<1, т. е. аккомодация неполная.

Расчеты также показывают, что практически полный энергообмен между

атомами на поверхности происходит за время, равное двум периодам согласо- ванных колебаний адсорбированного атома (адатома) и атома подложки: tт»2tо (tо- период колебаний атомов в решетке, tо~ 10-12¸10-13с)

2.Поверхностная диффузия. В зависимости от условий формирования пле-

нок, адсорбированный атом в процессе диффузии может либо закрепиться на ядре конденсации, зародыше конденсированной фазы (растущей металлической частице), либо же через некоторое время tа перейти в газовую фазу (в десорби- рованное состояние). Поверхностная диффузия характеризуется длиной диффу- зионного пробега Х=(Dtа)1/2, которая равна расстоянию, проходимому атомом за время его жизни в адсорбированном состоянии tа (D-коэффициент поверх- ностной диффузии).

Образование покрытия происходит в результате взаимодействия адсорбиро- ванных атомов между собой и с атомами подложки. Следует различать сле- дующие стадии роста пленки:

1) Образование адсорбционной фазы.

2) Зародышеобразование конденсированной фазы.

3) Рост зародышей.

4) Взаимодействие зародышей между собой и их слияние (коалесценция).

5) Образование сплошной пленки и ее дальнейший рост.

Каждая из этих стадий характеризуется особенностями структурного со- стояния, и кинетика их протекания оказывает определяющее влияние на свой- ства формируемых покрытий.

Дата добавления: 2013-12-12