Metoda evaporarii termice si condensarea in stare de vapori

Metoda evaporarii termice si condensarea in stare de vapori

Metoda evaporarii termice si condensarii  din faza de vapori asigura depunerea de straturi subtiri, din substante simple, cu o anumita compozitie, care respecta intr-un grad foarte ridicat compozitia stratului evaporat. Peliculele depuse prin evaporare termica pot avea o structura care variaza de la un grad extrem de ridicat de ordonare (cazul cresterii epitaxiale pe suport monocristalin) pana la un grad de dezordine completa (cazul depunerilor amorfe sau sticloase). Majoritatea metalelor si materialelor semiconductoare in stare de straturi subtiri se prezinta sub forma policristalina fiind compuse dintr-un numar mare de graunti cristalini separati prin suprafete numite interfete sau granite.

In cazul materialelor masive sau trase in foi subtiri, configuratia limitelor dintre cristaline, dimensiunea si orientarea acestora, depinzand de prelucrarile metalice sau termice anterioare.

Evaporarea materialului. Temperatura conventionala de evaporare.

Evaporarea termica este fenomenul fizic de trecere a substantelor din faza condensata in stare de vapori, ca urmare a incalzirii, pana la temperaturi inferioare temperaturii de fierbere.

In general vorbind, evaporarea unui material se poate produce la orice temperatura diferita de zero absolut. Probabilitatea mai mare de a parasi suprafata materialului o au moleculele (atomii) care au o temperatura mai mare, situate la suprafata materialului, unde energia de legatura este mai redusa. Odata cu cresterea temperaturii energia medie a moleculelor creste, depasind energia de legatura a moleculelor de suprafata, ceea ce intensifica procesul de evaporare.

Evaporarea termica si condensarea in stare de vapori este un proces fizic de depunere a straturilor subtiri in vid, in care materialul ce trebuie depus pe un substrat (piesa de acoperit), aflat in stare solida, este adus in stare de vapori ca urmare a incalzirii in vid pana la evaporare, urmat de recondensarea vaporilor pe substrat, aflat la o temperatura mai scazuta. Energia particulelor de depunere (a vaporilor) este scazuta, fiind intre 0,1 si 0,3 eV.

Procesul de depunere are de regula o durata scurta (sub 1-2 minute), datorita unei rate ridicate de evaporare a materialului si a grosimilor uzuale de depunere reduse.

Depunerea straturilor subtiri prin evaporare termica rezistiva este cea mai folosita pentru realizarea de acoperiri cu rol functional si decorativ, datorita simplicitatii si eficientei. In acest caz, incinta in care se realizeaza depunerea este initial vidata cu ajutorul unui sistem de vidare capabil sa asigure o presiune limita de cel putin 10^-5 torr, astfel incat sa se elimine pe cat posibil interactia gazelor reziduale cu materialul de depunere. De asemenea, o astfel de valoare a presiunii va reduce absortia moleculelor din gazul rezidual din incinta in peliculele depuse.

In interior se afla evaporatorul (o nacela sau un creuzet) din material refractar (wolfram, molibden etc.), care contine materialul de evaporat.

In partea superioara a incintei vidate se afla substratul pe care urmeaza sa se faca depunerea de filme subtiri. Intre sursa de evaporare si piesa de acoperit, se afla un ecran deplasabil. Scopul ecranului este acela de a permite depunerea doar in momentul cand s-a stabilizat procesul de evaporare a materialului din evaporator pe probele de depus. De asemenea ecranul permite realizarea depunerii pe o durata de timp determinata.

Evaporarea are loc la incalzirea nacelei din material refractar, incalzire realizata de exemplu prin trecerea unui curent electric mare prin nacela. Aceasta are in general pereti sub 1 mm grosime. La inceputul depunerii, materialul din nacela se topeste, trecand in stare lichida, dupa care incepe sa fiarba. Cand aceasta fierbere este stabila, adica va exista o densitate stationara de atomi evaporati, se ,,deschide'' ecranul si pe proba incepe depunerea. Distanta de la evaporator la substrat in general este cuprinsa intre 10-30 cm.

La valori reduse ale presiunii, asa cum s-a mentionat anterior, vaporii de material formeaza un fascicul liniar, miscandu-se de la evaporator la substrat pe traiectorii cvasidrepte, fara ciocniri.

Presiunea vaporilor p_s, corespunzatoare starii de echilibru se numeste presiune de saturatie a vaporilor, iar vaporii astfel obtinuti se numesc vapori saturati. Practica a aratat ca procesul de depunere se produce cu viteza acceptabila, daca presiunea de vapori se stabileste de exemplu la 1,3 Pa.

Temperatura materialului la care presiunea vaporilor este de 1,3 Pa se numeste temperatura conventionala de evaporare (t_cev) si este prezentata in tabeleul 1.2.1. Din tabel se observa ca pentru unele materiale temperatura conventionala de evaporare este mai mica decat temperatura de topire. Aceste materiale se evapora foarte intens in stare solida (sublimeaza).

Tabel nr. 1.2.1 Temperatura conventionala de evaporare (pentru p_s=1,3 Pa)

In realitate procesul de evaporare nu are loc la echilibru, cand se realizeaza vaporii saturati, ci intr-un proces dezechilibrat, cand materialul se evapora intens sub forma de vapori, care se condenseaza apoi pe stratul relativ rece.

Condensarea materialului pe substrat

a) Consideratii generale

Faza urmatoare in procesul de obtinere a straturilor subtiri prin evaporare termica o constituie condensarea substantei evaporate pe suprafata substratului a carui temperatura este inferioara temperaturii de evaporare. Materialul ce se depune pe substrat este neutru din punct de vedere electric, iar energia particulelor este de (0,1 - 0,5) eV.

Depunerea prin evaporare termica in vid nu mai asigura depuneri de calitate la nivelul cerintelor actuale. In cazul depunerii fizice, atomii care ajung pe suport (proba) practic ,,ingheata'' pe locul pe care au ajuns.

Configuratia filmului subtire depus prezinta spatii libere de atomi, deci o structura ,,gaunoasa''. Din acest motiv, densitatea filmului este mai mica decat a materialului laminat. De asemenea, alte proprietati fizice difera precum rezistivitatea electrica mai mare, reflectivitatea optica mai mica etc. La o crestere a grosimii stratului depus aceasta are o structura columnara.

Pentru a inlatura acest efect si mai ales pentru a imbunatati calitatea filmelor obtinute din punct de vedere al aderentei si al compactitatii se folosesc cu precadere doua solutii :

Cresterea temperaturii substratului.

Bombardamentul cu ioni a stratului subtire in timpul depunerii.

Prima solutie este adoptata cu anumite limite. O incalzire a suportului in timpul procesului tehnologic pana la 400sC face ca la depunerea atomilor pe substrat acestia sa migreze si sa mai umple din golurile ramase in noul strat.

La valori ale temperaturii suportului de 400sC, energia care revine unui atom depus pentru a i se asigura mobilitatea este de 0,07 eV. Insa, cresterea temperaturii suportului pe care se face depunerea la valori mari (spre punctul de topire) pentru compactizarea stratului subtire duce la aparitia structurii policristaline cu fete micronice.

Solutia gasita la aceasta problema a compactizarii filmului subtire a fost bombardarea stratului in timpul depunerii cu ioni de energie mare.

Este important de subliniat faptul ca energia ionilor nu se poate creste oricat deoarece apare fenomenul de pulverizare a filmului subtire. Din acest motiv, valoarea aleasa pentru energia ionilor trebuie sa fie o valoare de compromis.

Cele mai exigente cereri privind calitatea filmelor subtiri vin din partea companiilor care dezvolta circuite integrate. Deoarece tendinta pe plan mondial este de a crea nanostructuri, este evident ca filmele subtiri nu pot avea neregularitati la nivel de microni, zecimi sau chiar sutimi de microni. Dupa cum se stie, circuitele integrate necesita folosirea cu mare frecventa a depunerilor de filme subtiri de diverse materiale. Din aceste considerente se impune necesitatea efectuarii unor depuneri de mare puritate, compacte si cu neregularitati ale filmelor depuse la nivel de nanometrii.

O deosebita importanta pentru structura, compozitia si aderenta la substrat a peliculei depuse prezinta etapa de inceput a depunerii - etapa de nucleatie. In esenta, etapa de nucleatie este o trnsformare de faza si anume din faza de vapori in faza solida sau vapori - faza amorfa - faza solida sau vapori - faza lichida(amorfa) - faza solida.

Din punct de vedere calitativ, pentru etapa de inceput a depunerii se pot trage urmatoarele concluzii, confirmate de practica productiva.

La o anumita rata de evaporare, exista o valoare critica a temperaturii stratului, deasupra careia depunerea nu se mai produce.

La o anumita temperatura a substratului, exista o valoare critica a ratei de evaporare, sub care condensarea nu se mai produce.

Cresterea temperaturii substratului mareste dimensiunea critica a germenilor, micsoreaza densitatea acestora si in consecinta permite formarea unei structuri cu graunti de mari dimensiuni.

Cresterea ratei de evaporare, scade dimensiunea critica a grauntilor, creste densitatea centrilor de germinare si permite formarea unei structuri cu graunti mici.

In anumite conditii, micsorarea dimensiunilor critice a grauntilor si in consecinta asigurarea conditiilor de realizare a unei structuri cu graunti mici o asigura metalele cu cea mai inalta temperatura de vaporizare precum W, Mo, Ta, Pt, Ni.

b) Compatibilitatea intre materialul substratului si materialul de depunere

Pentru cea mai mare parte din aplicatii, materialul substratului (a piesei pe care se face depunerea) si a peliculei depuse, sunt impuse prin conditiile functionale ale piesei finite. Alegerea materialului substratului si a materialului de depunere, trebuie sa tina cont de compatibilitatea celor doua materiale pentru asigurarea unei aderente corespunzatoare depunerii, a unor proprietati prestabilite, precum si a unui pret de cost cat mai scazut al depunerii. Ca materiale pentru realizarea straturilor subtiri, practic, in aplicatii se utilizeaza: sticlele, ceramicele, metalele si dielectricii.

Compatibilitatea materialului substratului si al materialului de depunere, pentru asigurarea aderentei este legata in primul rand de constantele de retea ale celor doua materiale si de coeficientii de dilatare termica ai acestora.

Pentru a se elimina tensiunile la zona de separatie substrat - condensat si pentru a asigura o aderenta buna pe un domeniu cat mai mare de temperaturi, coeficientii de dilatare termica ai substratului si ai peliculei depuse, trebuie sa fie apropiati.

Constanta de retea a celor doua materiale (substrat-condensat) are o importanta extrema in cresterea epitaxiala a straturilor subtiri.

In esenta, procesul de epitaxie consta in transportul atomilor dintr-o faza solida, lichida sau gazoasa la suprafata unui suport monocristalin si in ocuparea unor pozitii ordonate in urma difuziei la suprafata, astfel incat suportul monocristalin care creste sa continue structura cristalina a substratului.

Planeitatea si rugozitatea suprafetei au influente mari asupra structurii si porozitatii depunerii, pelicula depusa urmarind suprafata substratului. Aspectul zgrumturos al cresterii peliculei se datoreaza fie transmiterii structurii suprafetei substratului, fie datorita cresterii preferentiale in structura columnara, ce prezinta porozitate maxima. Numai pe substraturi reduse se poate obtine un luciu metalic deosebit.

Temperatura substratului are influenta asupra depunerii (permitand obtinerea de pelicule cu structura de amorf la cristalin), precum si asupra aderentei acesteia la substrat. Ea influenteaza extrem de mult si marimea grauntilor depunerilor cristaline. Uneori pentru a preveni aparitia unei structuri columnare se mareste temperatura substratului.

La alegerea materialului pentru suport, trebuie sa se tina cont de cerintele de asigurare a calitatii depunerii. In tabelul 1.2.2 se prezinta cateva din principalele cerinte de calitate a depunerii si proprietatile pe care trebuie sa le indeplineasca substratul pentru asigurarea calitatii.

Tabel 1.2.2

c) Prelucrarea suprafetei substratului in vederea asigurarii aderentei depunerii

Metodele de prelucrare a suprafetei substratului in vederea asigurarii aderentei particulelor depuse in vid, aplicate diferentiat in functie de substrat si de tehnologia de depunere, au in vedere:

Realizarea unei suprafete chimic curate a substratului, prin indepartarea impuritatilor de la suprafata si a gazelor absorbite.

Activitatea acesteia in vederea realizarii de legaturi fizico-chimice stabile si puternice intre substrat si condensat.

Aceste prelucrari se executa in doua etape.

Intr-o prima etapa, premergatoare procesului de depunere, prin metode fizico-chimice si mecanice se asigura indepartarea impuritatilor organice si neorganice de la suprafata substratului, precum si activarea acestuia pentru imbunatatirea aderentei depunerilor.

Dintre aceste metode preliminare de prelucrare a suprafetei pieselor de depunere, cele mai uzuale se refera la:

-curatirea prin spalare in medii lichide sau de vapori;

-curatirea prin ultrasunete;

-reducerea rugozitatii prin polizare sau slefuire mecanica;

-acoperirea cu lac a suprafetelor metalice rugoase sau a celor nemetalice, ce prezinta gazari mari, pentru realizarea de acoperiri aderente si stralucitoare;

-activarea prin sablare.

Cea de-a doua etapa de curatire a suprafetei substratului, se executa in camera tehnologica de depunere, precedand operatia de depunere propriu-zisa si are ca scop asigurarea suprafetei activate si chimic curate.

Intre aceste metode de curatire si activare a suprafetei substratului se disting:

o   incalzirea substratului

o   curatirea si activarea prin bombardament cu un fascicul de electroni generati   de un tun electronic

o   curatirea si activarea prin bombardament cu electroni si ioni din plasma  descarcarii luminiscente

o   curatirea si activarea prin bombardament cu ioni sau atomi neutri, generati de un generator de ioni, sau de atomi neutri.