Распределение испаряемых молекул по направлению

Характер распределения испаряемого вещества в пространстве над испа­рителем определяется двумя основными параметрами: рабочим давлением в ва­куумной камере и плотностью потока испаряемых ато­мов и молекул.

Если давление паров испаряемого вещества (металла) в вакуум­ной камере порядка 10^-1Па и менее, то молекулы и атомы испаряемого вещества достигают поверхности подложки без столкновений между со­бой и с молекулами остаточ­ных газов. В этом случае говорят, что реализуется молекулярный режим испа­рения и конденсации, для кото­рого справедливы законы Ламберта - Кнудсена:

- распределение в пространстве потока вещества, испаренного с плоской поверхности, пропорционально cosφ(φ- угол между нап­равлением распро­странения паров и нормалью к поверхности);

- число частиц, попадающих на поверхность подложки, обратно пропор­ционально квадрату расстояния между испарителем и подлож­кой.

Механизм конденсации

Важным этапом получения тонких пленок является конденсация – процесс перехода из газообразного потока атомов в твердую фазу на поверхности подложки. По мере приближения частиц к поверхности, они начинают испытывать воздействие силового поля подложки. Сначала проявляет себя слабая дальнодействующая сила притяжения, а затем, на близком расстоянии, ближнедействующая сила отталкивания. Большинство частиц преодолевает это противодействие и касается поверхности подложки при условии, что они имеют значительную энергию, приобретенную в испарителе и не растраченную на столкновения в пути. При столкновении с подложкой осаждаемые атомы или молекулы могут либо в результате упругого соударения отразиться, либо, передав часть энергии атомам подложки, адсорбироваться на ее поверхности. Проникновением атомов в глубь материала подложки даже при максимальных значениях энергии испаренных атомов можно пренебречь. Для большинства материалов конденсация пара сопровождается отражением или повторным испарением конденсируемых частиц с подложки. В этой связи вводится понятие о скорости конденсации m₁, измеряемой количеством молекул, сцепляющихся с поверхностью подложки за единицу времени. Очевидно,

m₁ = m_0, (7.7)

где m₀– число молекул, ударяющихся о поверхность подложки за единицу времени;- коэффициент аккомодации, равный отношению числа молекул, сконденсировавшихся на подложке, к числу молекул, ударившихся о поверхность подложки за единицу времени.

Для адсорбированных атомов, связанных с подложкой Ван-дер-Ваальсовыми или кулоновыми силами, поверхность атомно-гладких участков подложки можно представить в виде потенциального рельефа, имеющего расположенные определенным образом чередующиеся потенциальные «ямы» и «бугры» (рис.7.1). Для кристаллической подложки чередование периодическое, для аморфной – квазипериодическое. Для перемещения по поверхности атому необходимо приобрести значительно меньшую кинетическую энергию, чем для реиспарения. Адсорбированные атомы мигрируют по поверхности из одного положения минимума потенциальной энергии в другое. Чтобы изменить положение на поверхности, атом должен преодолеть потенциальный барьер высотой Е_б. Энергия перехода между двумя соседними положениями равновесия адсорбированного атома есть энергия элементарного акта поверхностной миграции. Она значительно меньше энергии реиспарения.

Рис.7.1. Атомы конденсируемого вещества в поле идеализированного потенциального рельефа подложки: Е_а – энергия активации, необходимая для того, чтобы атом переместился из одной потенциальной ямы в другую; Е_и - минимальная энергия, необходимая для испарения атома с поверхности подложки; Е_б – энергия потенциального барьера подложки

Адсорбировавшиеся на подложке атомы теряют часть своей кинетической энергии на величину энергии связи (или теплоты адсорбции). Оставшаяся после этого часть энергии обеспечивает атомам миграционную подвижность. Таким образом, осевший атом может находиться в различном энергетическом состоянии. Атомы, имеющие кинетическую энергию Е_и > Е > Е_а, могут с одинаковой вероятностью перемещаться в любом направлении по поверхности подложки, их миграция носит изотропный характер. В этом случае адсорбированные атомы могут рассматриваться как двумерный газ. Атомы, кинетическая энергия которых меньшеЕ_а, но большеЕ_min, будут преимущественно перемещаться вдоль рядов потенциальных «седловин». Если кинетическая энергия атомовЕ < E_min, то, попав в потенциальную яму, они не смогут покинуть ее.

Процесс конденсации существенно зависит от температуры подложки и плотности потока достигающих подложку частиц. С повыше­нием температуры подложки увеличивается число испаренных с под­ложки частиц, а при температуре выше некоторой критическойнаблю­дается полное их испарение. Критическая температура зависит от природы конденсируемого вещества, природы подложки, степени ее чистоты и возрастает с увеличением интенсивности или плотности пада­ющего атомного потока. Уменьшение плотности частиц при фиксирован­ной температуре также может привести к полному их испарению. Таким образом, может быть введено понятие критической плотности потока, ниже которой при фиксированной температуре подложки конденсация не происходит. Значение критической плотности явля­ется функцией температуры подложки и широко меняется для различ­ных материалов.

Существование критической температуры и критической плотно­сти газа может быть объяснено теорией Френкеля. Согласно этой тео­рии атомы, ударяясь о подложку, остаются на ней в течение некоторого времени, мигрируя по поверхности подложки, а затем могут вновь испариться с этой подложки. При движении по подложке осажденные атомы встречаются друг с другом и образуют стабильные центры кон­денсации. Чем больше температура подложки и чем меньше темпера­тура кипения осаждаемого вещества, тем вероятнее вторичное испаре­ние с подложки. Начиная с некоторой критической температуры практически все атомы вновь испаряются с поверхности подложки. Однако если плотность пара достаточно велика, то этого не происхо­дит, так как частицы пара, достигшие подложки и мигрирующие по ней, встречаясь друг с другом, образуют скопления, более длительное время связанные с поверхностью подложки и имеющие поэтому тенденцию к дальнейшему росту за счет присоединения других мигрирующих по поверхности одиночных атомов или молекул. Вероятность повтор­ного испарения двух встретившихся на поверхности подложки мигри­рующих атомов значительно меньше, чем у одиночного атома, так как для их испарения нужна энергия, большая на величину, необходимую для нарушения химических связей, возникших между атомами.

Полученная Френкелем зависимость критической плотности пара _Кот температуры подложки имеет вид

(7.8)

где k —постоянная Больцмана;u₁ - энергия связи двух атомов, образовавших центр конденсации;А —постоянная, зависящая от природы вещества.

Разработанная Я. И. Френкелем теория получила название меха­низма конденсации «пар - кристалл».

Н.Н.Семенов предложил механизм конденсации «жидкость - кристалл». Он рассматривал оседающие и мигрирующие по под­ложке атомы как двухмерный газ, переходящий при насыщении в двухмерную жидкость, которая в дальнейшем кристаллизуется. По мере конденсации происходит наслоение моноатомных слоев. Из этой тео­рии также вытекает существование определенной критической темпе­ратуры конденсации при заданной плотности молекулярного потока. Поток пара, ударяясь о поверхность подложки, не конденсируется, пока температура подложки превышает критическую; при темпера­турах подложки ниже критической происходит полная конденсация.

Позже Л. С. Палатник показал, что существуют оба рассмотренных механизма конденсации. При этом существуют две критические темпе­ратуры подложки Т_к1 и Т_к2. При низких температурахТ < Т_к1про­исходит образование зародышей непосредственной конденсацией пара на подложке. ПриТ_к1 < Т < Т_к2осаждаемое вещество находится в виде двухмерной жидкости, которая стягивается в капли, дающие при последующем охлаждении мелкодисперсную поликристаллическую структуру. ПриТ > Т_к2конденсация вообще не происходит, а веще­ство остается в парообразном состоянии.