Вакуумні методи осадження металів на поверхню напівпровідників

Вакуумні технології можна вважати основним способом осадження металів на поверхні напівпровідників. Вакуумний метод — це загальна назва технологій осадження матеріалу, в рамках якого процес осадження протікає в розрідженому просторі (технічному вакуумі). Існує велика кількість різноманітних вакуумних установок нанесення металів, в той же час в будь-якій технології вакуумного осадження можна виділити три основні процеси, що протікають одночасно:

• 1) генерація направленого потоку частинок випаровуваної речовини;
• 2) проліт генерованих частинок в розрідженому просторі від джерела до пластини (підкладці);
• 3) осадження (конденсація) частинок на пластині з утворенням тонких шарів.

Фізичні принципи осадження шарів на поверхні напівпровідників

У даній главі проведено короткий розгляд основних фізичних процесів, що протікають при формуванні плівок на поверхні підкладок. У найзагальнішому вигляді процес осадження може бути представлений схемою, показаної на (рис. 1.5).

Потік осажджаемої речовини формується в результаті впливу на мішень. Мішень випускає частки, які летять у бік підкладки (поверхні). В області підкладки утворюється хмара пару із осіждаемих частинок. Інтенсивність випаровування металу з розплаву оцінюють з використанням рівняння Герца-Кнудсена:

де N_e — число молекул на одиницю площі в одиницю часу; m — молекулярна (атомна) маса, p_e — рівноважний тиск пара випаровуемої речовини. Це тиск пара може бути виражене через швидкість втрати джерелом маси на одиниці площі:

де M — маса грам-моля, p_e — тиск пари. Наприклад, для Al p_e = 1,5 Па при 1500 К. Сумарна швидкість втрати маси джерелом R_T в одиницю часу може бути визначена інтегруванням R за площею джерела:

Потік матеріалу, що наноситься на підкладку, залежить від косинуса кута ц між нормаллю до поверхні джерела і напрямом до поверхні підкладки, розташованої на відстані d від джерела (рис1.5).

Рисунок 1.5. Ідеалізоване зображення джерела пара і поверхні, що покривається плівкою, що представляє собою сферу радіуса do.

Кут між нормаллю до поверхні підкладки і напрямом до джерела позначимо и, тоді.

де D — швидкість осадження [г / см2с].

Швидкість осадження в різних точках підкладки залежить від форми джерела. В наведеному виразі для джерела малої площі:

і для точкового джерела де D₀ — швидкість осадження безпосередньо над джерелом на відстані H від його поверхні, Dшвидкість осадження на відстані L від центру підкладки. Коли джерело і підкладка розташована на поверхні сфери радіусом d₀, cos (ц) — cos (ц) — d/2d₀, і рівняння приймає вигляд:

тобто швидкість осадження однакова у всіх точках сферичної поверхні. Тому в камерах осадження, розрахованих на декілька підкладок одночасно, використовується планетарна система подложкодержателя, в якій підкладки поміщаються на обертові сегменти, розташовані по периметру сферичної поверхні щодо джерела відповідно до (рис. 1.5).

Розглянемо процеси осадження плівок на поверхні підкладок, використовуючи деякі поняття теорії зародкоутворення. Для кількісних оцінок необхідно розгляд теорії, що враховує можливість взаємодії між атомами в газовій фазі, формування молекулярних потоків. Опис моделей починається зі стадії зіткнення молекул пара з підкладкою. Для конденсації парів необхідно, щоб парціальний тиск матеріалу плівки в газовій фазі було рівне або перевищувало рівноважний тиск парів цього матеріалу над конденсованої фазою при даній температурі. При цьому молекули пари можуть адсорбуватися і міцно закріпитися на підкладці, або можуть через кінцевий проміжок часу після адсорбції знову випаруватися, або можуть миттєво відбитися від підкладки.

У загальному випадку, атоми пара падають на поверхню підкладки з енергіями, що значно перевищують kT (T — температура підкладки). Згідно, атом парової фази, зіткнувшись з підкладкою, за кілька коливань решітки втрачає практично всю свою кінетичну енергію. За винятком легких атомів і дуже великих енергій падаючих атомів прийнято вважати, що після адсорбції атом практично миттєво приходить в термодинамічна рівновага з підкладкою.

Важливим процесом, що визначає саму фізичну можливість формування плівок, є взаємодія атомів, яке описується теоріями зародкоутворення. Адсорбовані атоми (адатома), мігрують по поверхні і стикаються з іншими атомами. У результаті цього можуть виникати скупчення адатомів, або зародки. Останні, в порівнянні з окремими атомами, стійкіші до повторного випаровуванню, тому атоми в зародку пов’язані один з одним силами зв’язку, що характеризують енергію конденсації. На поверхні протікають взаємодії між поодинокими адатома і зародками. Останні можуть захоплювати адатоми і, при цьому, збільшуватися в розмірах, або втрачати атоми і розпадатися. Капілярна модель зародкоутворення постулює, що зміна вільної енергії при утворенні зародка має максимум (рис. 1.6.а).

Рисунок 1.6. — а) Залежність вільної енергії утворення зародка в плівці від його розміру; б) Якісна залежність швидкості зародкоутворення від ступеня пересичення.

Для утворення конденсованої фази з пересиченого пара необхідні позитивні флуктуації вільної енергії, що призводять до подолання цього активаційного бар'єру (так званого «бар'єру зародкоутворення»). Величина критичного розміру зародка, знайдена з капілярної моделі зародкоутворення (для зародка, що має форму сферичного купола радіуса r):

де G_v-c — вільна енергія поверхні розділу конденсат / пар, ДG_v (<0) — зміна вільної енергії при конденсації даного матеріалу в масивному кристалі.

У теорії вводиться поняття швидкості зародкоутворення як числа зародків, що з’являються в одиницю часу (1 с) на поверхні площею 1 см². Конденсація атомів і зростання плівки відбувається при швидкості зародкоутворення, що перевищує певний поріг (як показано на рис. 1.6.б). Швидкість зародкоутворення залежить від ступеня пересичення пари. У поріг швидкості визначається як 1 зародок в секунду (на 1 см2). У разі високого ступеня пересичення розмір зародків збільшується і відбувається явище коалесценції (злиття) острівців матеріалу і формування суцільного шару.

Максимум вільної енергії відповідає мінімуму стійкості зародка. Додавання одного атома до зародка критичного розміру знизить вільну енергію і підвищить стійкість зародка. Такий кластер має тенденцію до зростання. При видаленні одного атома із зародка критичного розміру зародок має тенденцію до розпаду.