Испарение материалов сложного состава. Расчет скорости испарения

При испарении материалов сложного состава необходимо учитывать фракционирование вещества и возможность диссоциации. Весьма важно учитывать особенности взаимодействия испаряемого материала с материалом испарителя. Пролет частиц вещества от испарителя до поверхности подложки сопровождается их столкновениями между собой и с молекулами остаточных газов. Для уменьшения такого взаимодействия испарение производят при давлении насыщенных паров вещества не более 10-2 Торр, а остаточных газов – не более 10-4 – 10-5 Торр. Конденсация атомов (молекул) вещества происходит после пролета материала до поверхности подложки. Она зависит от соотношения свободных энергий потока частиц и поверхности. Послойный режим роста пленок (режим Франка – Ван-дер-Мерве) реализуется, если энергия связи атомов осаждаемого вещества с подложкой больше энергии связи атомов друг с другом. Островковый режим Фольмера-Вебера реализуется тогда, когда атомы вещества связаны друг с другом сильнее, чем с подложкой. Маленькие зародыши растут, превращаясь в большие островки конденсированной фазы. После заполнения промежутков (каналов) между островками, они сливаются и образуют сплошную пленку. При промежуточном режиме Странского-Крастанова вначале происходит послойный рост одного-двух монослоев. Затем начинается рост островков на их поверхности. При достаточном размере островков они сливаются с образованием сплошной пленки. Одной из причин такого поведения является изменение параметра решетки при заполнении очередного монослоя.   Расчет скорости испарения Массаиспаряемого вещества , попадающего на элементарную сферическую площадку с испарителя малой площади , определяется следующим соотношением: , (1) где – время испарения; – угол между нормалью к поверхности испарителя и направлением к выбранной точке подложки; – радиус сферы, на которой расположена элементарная сферическая площадка с измеряемым количеством вещества . Скорость испарения вещества в вакууме рассчитывается по формуле: , (2) где – скорость испарения, г·см –2·с–1; – атомный (молекулярный) вес вещества, – давление его насыщенного пара, Торр; – температура, К. Давление насыщенных паров вещества в объеме испарения определяется соотношением: , (3) в котором величины и характеризуют свойства испаряемого материала. Для всех материалов таблицы Менделеева = 8,8 (для Si–10,2); = / 4,576, К; – теплота парообразования, кал/моль. Значения , плотности и температуры плавления ряда металлов приведены в таблице 1. Для плоской подложки, поверхность которой расположена произвольно относительно поверхности плоского испарителя конечных размеров малой площади, уравнение (1) трансформируется к виду: , (4) где - угол между нормалью к поверхности подложки и направлением испарения. Таблица 1 Металл Cu Ag Au Ni Ti Cr Mg Al Ta g, 103 кг/м3 8,93 10,5 19,3 8,9 4,5 7,15 1,74 2,7 16,6 Qп, ккал/моль   Tпл, K M, мол. вес 63,54 107,9 58,71 47,9 52,01 24,32 26,98 180,9 При практическом применении метода нанесения пленок важно не количество испаренного материала, а толщина получаемых пленок и ее распределение по поверхности подложки. Расчет толщины пленок Указанные закономерности распределения испаренного вещества приводят к тому, что распределение толщины пленки по поверхности подложки может иметь сложный характер. Поскольку для элементарной площадки подложки количество материала (где – плотность испаряемого материала), толщина пленки для произвольно расположенной подложки определяется соотношением: (5) В этом соотношении положение точки подложки, в которой рассчитывается толщина пленки, определяется тремя величинами . Для плоского поверхностного испарителя малой площади и плоской подложки, расположенной на расстоянии параллельно поверхности испарителя (рис. 1), толщина пленки определяется соотношением: , (6) где ; – координата вдоль поверхности подложки (расстояние от     Рисунок 1. Расположение подложки относительно испарителя центра подложки в точке А до точки Б, в которой определяется толщина пленки); – нормированное значение координаты; – полное количество испаренного вещества. Наибольшая толщина пленки получается в точке А подложки, а относительное изменение толщины пленки для разных точек подложки в этом случае имеет вид: , . (7) Точечный испаритель представляет собой сферу, размеры которой пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до поверхности подложки и её размерами. С такого испарителя в элементарный телесный угол испаряется количество вещества . Если нанесение плёнки производится на произвольно расположенную плоскую подложку, то, как следует из рисунка, основные соотношения для точечного испарителя принимают следующий вид: ; . (8) В таблице 2 приведена зависимость относительной толщины от х/h для точечного и поверхностного испарителя. Таблица – Зависимость равномерности толщины от х/h х/h 0,25 0,5 0,75 (d/d0)п 0,83 0,64 0,41 0,25 0,04 (d/d0)т 0,88 0,71 0,51 0,35 0,09 Для стандартных размеров подложки 60х48 мм при расстоянии испаритель – подложка в 200 мм неравномерность толщины плёнки составляет около 10 %. А в современных аналого-цифровых преобразователях требования к точности резисторов (разброс по сопротивлениям) составляет не более 0,05 %. Для обеспечения нужной равномерности при нанесении плёнок на подложки как больших, так и малых размеров применяют различные способы: - использование испарителей большой площади, - использование кольцевых испарителей, - применение большого числа одновременно работающих испарителей, - перемещение подложек по сложной (планетарной) траектории, - смещение испарителя на строго определённое расстояние относительно центра вращающейся подложки, - применение вращающихся диафрагм специальной формы при неподвижной подложке. При применении плоского дискового испарителя конечных размеров радиуса R соответствующие выражения для толщин принимают окончательный вид: , . (9) Для кольцевого испарителя радиуса R, центр которого совпадает с центром плоской подложки расположенной параллельно плоскости испарителя, выражение для толщины пленки принимает следующий вид:   . . (10)   Наиболее часто на практике находит применение вариант со смещением испарителяотносительно центра вращающейся подложки. Для этого варианта с испарителем малой площади соответствующие выражения принимают вид, аналогичный формулам для кольцевого испарителя. Отличие заключается в том, что вместо радиуса тонкого кольца R в формулу входит расстояние l от испарителя до оси вращения подложки. . . (11) Использование вращающихся диафрагм (заслонок) специальной формы основано на дополнительном регулировании количества материала, поступающего от испарителя на тот или иной участок подложки. Очень важно, чтобы центр вращения диафрагмы совпадал с центром испарителя и подложки. Чтобы снизить нежелательное уменьшение толщины, поток испаряемого вещества в наиболее удаленных точках подложки не прекрывается. По мере приближения к геометрическому центру подложки край заслонки должен представлять собой дугу возрастающей длины, так, чтобы длительность прерывания потока на любом данном расстоянии обеспечивала уменьшение скорости осаждения в данном месте до величины скорости в наиболее удаленных точках. Контуры заслонок для однородного покрытия представляют собой спирали, точные линии которых для различных условий получают расчетом на компьютере. Применение вращающихся диафрагм позволяет получить равномерность толщины в пределах долей процента. Недостатком метода является избыточный расход материала, так как перекрывается и оседает на поверхности заслонки основная часть испаряемого материала. Задание к работе При домашней подготовкенеобходимо для заданного материала и толщины пленки испаренного материала определить температуру поверхностного испарителя малой площади, при которой наибольшая толщина пленки d0 будет равна заданной. Для расчета используются зависимости (2), (3), (7), данные таблицы и вариантов заданий. При работе в лаборатории необходимо в компьютерном эксперименте получить следующие зависимости: - распределение абсолютной толщины d(x) для заданной d0 для поверхностного малой площади, дискового, кольцевого и смещенного относительно центра вращающейся подложки испарителей. (Для трех последних типов испарителя предварительно необходимо подобрать температуру, обеспечивающую одну и ту же толщину d0 при х=0); - относительное отклонение толщины пленки заданного материала в зависимости от расстояния x по поверхности подложки при заданной d0 для исследуемых испарителей; - для заданного d0 и размера подложки 100х150 мм2 выбрать тип испарителя, все его характеристики (кроме F) и расстояние h, обеспечивающие равномерность толщины пленки не хуже 2 %. Примечание: необходимые для расчета дополнительные сведения приведены в перечне «Варианты задания». Требования к отчету Отчет составляется индивидуально на листах формата А4. При домашней подготовке необходимо изучить содержание работы, провести расчет температуры для своего варианта задания, а основные аналитические соотношения и последовательность расчета внести в заготовленный отчет. Подготовленный для защиты отчет должен содержать: - теоретическую часть и результаты расчета (домашнюю подготовку), - эскизы конфигурации систем испарения, - расчетные формулы, - последовательность расчетов и распределение абсолютной и относительной толщины по диагоналям подложки, - анализ результатов,