Технология тонкопленочных микросхем (стр. 9 )

Величина связана со скоростью испарения следующим соотношением

. (3.9)

Рис.3.3. Испарение вещества из точечного источника в телесный угол в направлении

В пределах пространственного угла на площадку поступает

. (3.10)

Через любое сечение конуса, ограниченного , проходит один и тот же поток. Сечение конуса сферической поверхностью с центром в и радиусом, равным единице, дает меру телесного угла конуса . Если нормаль к составляет угол с осью конуса, а расстояние от до площадки есть , то

. (3.11)

Количество вещества, поступающего на единицу поверхности , с учетом (3.10) и (3.11) есть

, (3.12)

т. е. это количество обратно пропорционально квадрату расстояния от источника до приемной поверхности и прямо пропорционально косинусу угла, составляемого направлением потока (осью узкого конуса, внутри которого распространяется поток) с нормалью к приемной поверхности.

Рассмотрим маленькую площадку , с одной стороны которой испаряется вещества (в угол ). Для поверхностного испарителя количество испаренного вещества зависит от направления испарения. Тогда в соответствии с законом косинуса Ламберта-Кнудсена количество вещества, проходящего в телесном угле по направлению , образующему угол с нормалью к поверхности испарителя (рис.3.4), равно

. (3.13)

Рис.3.4. Испарение вещества с элементарной площадки

В отличие от точечного источника количество испаренного вещества с поверхностного испарителя пропорционально . Если вещество поступает на площадку , наклоненную к направлению пучка паров под углом , то количество вещества, осажденного на такую площадку, равно

. (3.14)

Количество вещества можно определить через его плотность и объем , занимаемый конденсатом на подложке

, (3.15)

где толщина пленки, сконденсированная в каждой точке подложки за время напыления.

С учетом (3.9), (3.14) и (3.15) толщину пленки можно определить

;

. (3.16)

Аналогичные рассуждения для точечного испарителя приводят к выражению

. (3.17)

Скорость конденсации определяется как скорость наращивания толщины пленки за единицу времени , т. е. . Если подложка расположена параллельно поверхности испарителя, то для любой точки подложки (рис.3.5) имеем

а

Рис. 3.5. Испарение с малой площадки на параллельную ей плоскую поверхность

Тогда для поверхностного испарителя

(3.18)

Для точечного испарителя

(3.19)

Толщина пленки над источником при для поверхностного испарителя равна

(3.20)

Отношение толщины пленки в произвольной точке к толщине пленки в центре подложки будет:

для поверхностного испарителя

(3.21)

для точечного испарителя

(3.22)

Эти отношения используются для оценки равномерности толщины пленки по подложке.

При выводе уравнений (3.16) и (3.17) предполагалось, что оба испарителя имеют бесконечно малую площадь испарения . На практике испарение осуществляют из испарителей с конечными размерами. В этом случае толщина может быть получена интегрированием уравнений (3.16) и (3.17). Расчеты для испарителей в виде диска и тонкого кольца приведены в [7].

3.1.5. Механизм испарения соединений и сплавов

При испарении металлов основным видом частиц в газовой фазе являются одиночные атомы металла. При испарении соединений переход в газообразное состояние обычно сопровождается изменением вида молекулы. Было доказано, что испарение соединений сопровождается диссоциацией, которая сильно влияет на стехиометрическое соотношение составляющих. Это особенно сильно проявляется, если один из продуктов диссоциации является нелетучим. Последний случай соответствует термическому разложению и исключает возможность применения непосредственного испарения. Таким образом, осаждение пленок соединений из одного испарителя возможно только в том случае, если вещество переходит в газообразное состояние в виде неразложенных молекул или если продукты разложения обладают одинаковой летучестью. Если это условие выполняется, то говорят о согласованном испарении.

Примером испарения без диссоциации является процесс испарения некоторых окислов, таких как SiO, SiO2, MgF2 и др. Стехиометрические пленки моноокиси кремния SiO получаются при температурах испарения 1200-1250 оС. Окислы Ti, Zr, Nb, Ta, Be, Mg и др. испаряются с диссоциацией. Пары этих веществ содержат молекулы двойных окислов, атомы кислорода и молекулы низших окислов. Высшие окислы теряют кислород при температурах, слишком малых для заметной летучести низших окислов. В результате этого в пленках окислов наблюдается недостаток кислорода, что вызывает изменение диэлектрических, оптических и других свойств пленок.

Испарение полупроводниковых соединений CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe и др. сопровождается диссоциацией, приводящей к увеличению содержания легколетучих компонент S, Se, Te в паре и, соответственно, в пленках.

При термическом разложении испарение соединений идет несогласованно, т. е. при температуре испарения летучесть их составляющих отличается столь сильно, что химический состав пара и, следовательно, пленки не совпадает с химическим составом исходного вещества. При испарении GaAs, InSb и других соединений AIIIBV для относительно летучих веществ V группы (As, Sb) давление =1,33 Па достигается при температурах от 700 до 900 оС. В этом диапазоне температур металлы III группы Ga, In, Al находятся в расплавленном состоянии и имеют давление на несколько порядков меньше, чем для элементов V группы. В этом случае пленка на подложке не образуется вовсе или ее состав существенно отличается от состава исходного вещества. Составляющие сплавов испаряются подобно чистым металлам независимо друг от друга и преимущественно в виде отдельных атомов A и B. Однако давление пара составляющей B сплава отличается от давления чистого металла при той же температуре. Это происходит вследствие изменения химического потенциала металла B, когда он растворяется в другом металле A, образуя сплав AB. Если молярную концентрацию выражать в виде молярной концентрации , то имеем