Термическое испарение материалов в вакууме

Термическое испарение заключается в нагреве материала (используемого для нанесения на подложку) в высоком вакууме (при давлении не более Па) до температуры, при которой давление его собственных паров на несколько порядков превышает давление остаточных газов в рабочем пространстве вакуумной камеры. При этом атомы испаряющегося материала распространяются прямолинейно, так как длина их свободного пробега значительно превышает расстояние испаритель (источник испаряемого материала) - подложка. Далее следует конденсация частиц испарившегося потока на поверхности подложки (платы), имеющей температуру значительно ниже температуры испарителя.

Следовательно, при осаждения пленок методом термического испарения в вакууме (термовакуумного испарения или термовакуумного напыления) в процессе получения тонких пленок можно выделить три основные стадия:

• образование атомарного (молекулярного) потока вещества из источника испаряемого материала (испарителя);

• пролет атомов от испарителя к подложке;

• конденсация вещества на подложке (этап осаждения материала в виде тонкой пленки).

Образование атомарного (молекулярного) потока при термическом испарении является результатом разрыва связей между поверхностными атомами испаряемого материала, если кинетическая энергия движения атомов превышает энергию связи между ними. Из табл.1 видно, что условная температура испарения большинства металлов выше температуры их плавления, т.е. испарение происходит по схеме: твердое вещество-жидкость-пар. Однако некоторые материалы, например хром, титан, довольно интенсивно испаряются из твердого состояния. Процесс перехода вещества из твердого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу, называется сублимацией (или возгонкой). В зависимости от агрегатного состояния вещества во время испарения следует выбирать конструкцию испарителя. Тип испарителя зависит также от природы испаряемого материала (его одно- или многокомпонентное, химической активности, температуры испарения и др.), исходной формы материала. (гранулы, порошок, проволока), требуемой скорости испарения, ее, постоянства во времени и ряда других факторов. В табл.2 приведены температуры и скорости испарения широко применяемых в тонкопленоч­ной технологии металлов в зависимости от их давления насыщенных паров.

Таблица 1

Температуры плавления, кипения, испарения металлов, наиболее часто применяемых при изготовлении мсб

Металл	Температура T,°С
	плавления	кипения	испарения*
Алюминий Ванадий Вольфрам Медь Молибден Никель Тантал Титан Хром	660 1900 3410 1083 2620 1453 2996 1665 1890	2486 3400 5930 2600 4800 2900 5300 3227 2480	1250 2400 3309 1273 2533 1510 3070 1546 1205

*Приведена условная, практически установленная температура ис­парения, при которой давление насыщенного пара вещества составляет приблизительно 1,3 Па. Температуры плавления и кипения указаны для давления 101,3∙10³ Па.

Таблица 2

Температуры и скорости испарения металлов