Условия нанесения пленок в вакууме. Скорость испарения.

При давлении насыщенного пара испаряемого вещества р_S  1-2 Па и давлении остаточных газов р₀ <10^-1Па скорость испарения по массе v_n и определяется уравнением Ленгмюра.

, г см^-2 с^-1, (1)

где М - молярная масса вещества, г/моль;

Т - температура вещества, К.

Скорость осаждения пленки.

Скорость осаждения пленки по массе v_n определяется формулой Ламберта-Кнудсена:

, г см^-2 с^-1 (2)

где k = 1 - для поверхностного источника;

k = 4 - для точечного испарителя;

r - расстояние от источника, мм;

 - угол с нормалью элемента поверхности испарителя ds;

 - угол падения.

Скорость осаждения пленки по толщине Uос определяется так:

v_ос=(v_k/ )  10⁴, мкм/с (3)

где  - плотность материала пленки, г/см³.

Длина свободного пробега молекул остаточного газа.

Длина свободного пробега молекул остаточного газа  при комнатной температуре для воздуха определится:

=0,62/p₀, см (4)

где L-расстояние от испарителя до поверхности ОМ. Для осуществления молекулярного потока испаряемого вещества необходимо выполнить условие L.

Условия конденсации вещества на подложке.

Условия конденсации вещества на подложке характеризуются отношением числа атомов остаточной среды N_Г,приходящегося на 1 атом осаждаемого вещества пленки N.

, ат см^-2 с^-1 ( 5 )

, ат см^-2 с^-1 , (6)

где M_Г -молярная масса газа (O₂, N₂), г/моль,

T_Г - температура остаточных газов, К.

Для получения качественной пленки с минимальным содержанием в ней остаточного газа необходимо, чтобы N_Г /N <<1

Поскольку подложка может быть сделана не из материала пленки, то при конденсации разных веществ параметры кристаллической решетки могут не совпадать.

Из-за несовпадения параметров электронной ячейки могут возникнуть напряжения, которые называются напряжениями несоответствия.

Химическое осаждение

Осуществляется из газовой среды, когда осаждение осуществляется в процессе химической реакции на поверхности самой подложки или вблизи от нее. Аппаратура в этом способе состоит из реактора, представляющего собой открытую проточенную систему.

Рисунок 42. Газовая эпитаксия:

а – схема процесса, б – зависимость скорости роста пленки от концентрации SiCl₄ в газе.

Температура в зоне кристаллизации должна быть стабильна. При подаче реакционноспособных газов в этой зоне могут протекать следующие химические реакции.

• реакция разложения : SiH₄, GeH₄ при температуре 800C -1200C

SiH₄= Si +2Н₂

• Реакция восстановления: при температуре 1100C

SiCl₄+2Н₂= Si + 4HCl

• газотранспортная реакция

2AICl₃+3CO₂+3H₂=Al₂O₃+3CO+6HCl

Процесс определяется температурой кристаллизации, концентрацией газов, скоростью роста. Если будут отклонения, то состав и оптические свойства пленки могут отличаться.

Преимущества: низкие температуры, простая аппаратура, отсутствует тигель, кроме пленок можно получать объемные кристаллы.

Недостатки: ограничения по размерам.

Атомные нарушения структуры кристалла. Классификация дефектов структуры.

В идеальном кристалле при термодинамическом равновесии расположены материальные частицы, характеризующиеся строго трехмерной периодичностью. Геометрической схемой периодичности является пространственная решетка.

Материальные частицы совершают гармонические колебания около своих положений равновесия, причем амплитуды колебаний этих частиц зависят только от внешних условий (р, Т). Физические свойства идеальных кристаллов определяются его химическим составом, силами связи между частицами и симметрией кристаллов, т.е. категорией, сингонией и классом симметрии. Эти свойства структурно-нечувствительны. Небольшие отклонения от правильности и периодичности, дефекты кристаллической структуры мало сказываются на общих закономерностях структурно- нечувствительных свойств.

Мы видели, что формы оптической индикатрисы зависят только от категории кристалла. Для всех веществ, принадлежащих к одной категории, различны лишь показатель преломления по кристаллографическим осям. В реальных кристаллах многие свойства зависят не только от типа кристаллической структуры, но и от дефектов этой структуры, т.е. нарушений периодичности и равновесия.

Структурно-чувствительными свойствами кристаллов являются ионная и полупроводниковая электропроводность, фотопроводимость, люминесценция, прочность и пластичность, окраска и ряд других свойств. Структурно-чувствительны, т.е. зависят от дефектов структуры, процесса роста кристаллов, рекристаллизации, пластической деформации, диффузии. Идеальная периодичность структуры кристаллов расстраивается тепловыми колебаниями атомов и нарушениями электронной плотности. Из-за наличия сил связи между частицами кристалл представляет собой систему взаимосвязанных вибраторов со спектром колебаний от акустических до ИК частот. Амплитуды колебаний тем больше, чем сильнее нагрет кристалл. При температурах близких к точке плавления, амплитуды могут достигать от 10 до 12% от межатомных расстояний. При температурах далеких от точки плавления, тепловые смещения можно считать малыми. Изменяются эти смещения рентгенодифракционным методом. В кристаллах с резко выраженной анизотропией структуры и сил связи заметна анизотропия колебаний, т.е. частоты колебаний в различных направлениях различны. Увеличение амплитуды колебаний происходит при поглощении тепла при нагреве. Энергия взаимодействия атомов является в гармоническим приближении квадратичной функцией смещения атомов относительно его соседей. По аналогии с квантом энергии электромагнитных колебаний Е=h (фотоном) квант энергии колебаний кристаллической решетки называется фононом. В гармоническом приближении колебания кристаллической решетки рассматриваются как идеальный газ фононов (газ невзаимодействующих частиц). Набор частот колебаний, или фононный спектр, кристалла определяют по интенсивности ИК поглощения.