WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 9 03;06;11;12 Получение тонких пленок полупроводниковых соединений с применением капиллярных испарителей © Б.Н. Грицюк, А.А. Ляхов, С.В. Мельничук, В.Н. Стребежев Черновицкий государственный университет, 58012 Черновцы, Украина e-mail для переписки: melnych@cv.ukrtel.net (Поступило в Редакцию 22 сентября 2000 г.) Представлены экспериментальные результаты распределения толщины пленки разлагающихся полупроводниковых соединений, полученных с использованием капиллярных испарителей. В приближении вязкого потока получено выражение, описывающее толщину пленки на поверхности подложки в зависимости от расстояния от края капилляра до площадки осаждения и угла между осью капилляра и направлением осаждения.

Введение тигель в виде запаянных с одного конца капиллярных трубок, необходимо измельчить исходный монокристалл Получение тонких пленок полупроводниковых соеди- до порошка мелкой фракции. При этом возрастает сумнений методом термического испарения в вакууме за- марная площадь загрязненной и окисленной поверхности труднено, поскольку компоненты испаряются с различ- в исходной загрузке, что существенно влияет на чистоту ными скоростями, которые определяются упругостями и свойства полупроводниковых пленок. Кроме того, ввиих паров и количественными соотношениями в расплаве. ду неоднородности теплового поля и различия порций Состав и свойства сконденсированных пленок в этом загрузок в трубках расплавление исходного материала случае не соответствуют исходным материалам. и соответственно стационарное состояние расплава наступает в и заканчивается неодновременно в разных Одним из направлений технологии получения пленок капиллярах. Это затрудняет получение пленок заданного разлагающихся и диссоциирующих соединений является создание испарителей специальной конструкции, в кото- состава, близкого к стехиометрическому. Определенные трудности представляет также необходимость загружать рых за счет тех или иных особенностей их устройства поочередно порошком капиллярные трубки. Сама загрузсоздается стационарный поток пара, конденсирующийся ка каждого капилляра весьма ограничена, что приводит в виде пленок стехиометрического состава.

к быстрому опустошению тигля и соответственно определяет небольшой ресурс работы испарителя.

Методика испарения материалов В работах [5,6] предложены капиллярные испарители с применением капиллярных для получения пленок полупроводниковых соединений, которые лишены указанных недостатков и позволяют поиспарителей лучать высококачественные пленки стехиометрического состава. Для того чтобы капиллярные трубки представляВ работах [1–3] описаны конструкции специальных ли собой единую испаряющую систему, в конструкции испарителей для получения пленок многокомпонентных испарителя предусмотрено питание их расплавом из сплавов и соединений. Оригинальное решение указанодного объема. Для этого капилляры в нижней части ной задачи представлено в конструкции испарителя для соединяются, как сообщающиеся сосуды с общей некананесения многокомпонентных пленок [4], содержащего пиллярной емкостью для загрузки. Наличие этой емкости тигель в виде пакета закрытых с одного конца капиллярзначительного объема позволяет увеличить ресурс рабоных трубок с диаметром, обеспечивающим подавление ты испарителя и уменьшить число капиллярных трубок, конвективного перемешивания расплава. Каждая трубка поскольку запас исходного материала находится не в испарителя загружается исходным многокомпонентным трубках. Конкретные варианты исполнения испарителя материалом полупроводника, и тигель подогревается могут быть различными в зависимости от природы искоаксиальными цилиндрическими печками. Принцип дейпаряемого соединения и поставленных технологических ствия испарителя заключается в том, что узкие капиллярзадач.

ные трубки подавляют перемешивание расплава в них и через некоторое время, в течение которого испаряющий Нами изготовлены и испытаны капиллярные испарислой обедняется легколетучей компонентой, в расплавах тели с тиглями, выполненными из кварцевого стекла самоустанавливается стационарное состояние, обеспечи- (рис. 1, a) и графита (рис. 1, b). Основными элеменвающее их конгруэнтное испарение.

тами их конструкции являются капиллярные трубки Однако испаритель, предложенный в [4], содержит (внутренний диаметр 0.8-1mm), сообщающиеся с еми существенные недостатки. Для того чтобы загрузить костью для загрузки 2 (диаметр 10-12 mm). В тигле из Получение тонких пленок полупроводниковых соединений с применением капиллярных испарителей Рис. 1. Капиллярные испарители: a — кварцевый однокапиллярный, b — графитовый четырехкапиллярный.

кварцевого стекла одна капиллярная трубка, а емкость Результаты расчетов распределения конденсата по толдля загрузки имеет вид запаянной сверху ампулы. В гра- щине при испарении из точечного источника, испарителя фитовом тигле количество капиллярных трубок может малой площади, кольцевого и дискового испарителя, а варьироваться в зависимости от интенсивности и геоме- также из реальных испарителей в виде эффузионной трии потока пара, а емкость для загрузки закрывается ячейки и конусных тиглей приведены в [8]. Однако снизу прокладкой 3 и резьбовой пробкой 4. Подогрев ти- в литературе отсутствуют данные по расчету толщины глей осуществляется цилиндрическими вольфрамовыми конденсата при испарении из капиллярных трубок. Ввиду нагревателями 5, окруженными тепловыми экранами 6 важности получения равномерных по толщине пленок из танталовой фольги. для оптических и других применений нами проведен После плавления загрузки и поступления расплава 7 анализ распределения конденсата при испарении из кав капилляр испаряющий слой в течение некоторого вре- пиллярных испарителей.

мени переходного процесса обедняется летучим компонентом. Затем устанавливается стационарное состояние, Расчет распределения толщины пленок при котором различие упругостей паров компонентов компенсируется их количественными соотношениями в Зависимости толщины пленки от типа источника и расплаве. Истекающий пар при этом имеет удовлетвориего расположения по отношению к площадке осаждения тельное соотношение летучего и труднолетучего комподетально проанализированы в [8]. Рассмотрен точечный нентов и конденсируется в виде пленки стехиометричеисточник, а также источники типа одномерной провоского состава. Капиллярный испаритель со стеклянным локи и двумерной площадки. В случае двумерной плотиглем удобно применять при подборе режимов испащадки считается, что испарение происходит по закону рения, осуществляя визуальный контроль за уровнями косинусов (закону Кнудсена). За единицу времени на расплава, а также когда нежелателен контакт вещества площадку dS, положение которой определяется углом, расплава с иными материалами, кроме кварцевого стеосаждается масса dM кла. Однако испаритель с тиглем из кварцевого стекла m cosявляется одноразовым и его затруднительно изготовить dM = dS, (1) с количеством капиллярных трубок более одной, что rмогло бы повысить скорость осаждения пленок. где m — масса материала, испаряющегося в единицу Конструкция графитового испарителя позволяет мно- времени; r — расстояние от источника до площадки.

гократно загружать тигель исходным веществом. Суще- В нашем случае имеет место испарение из глубины ственно то, что после плавления загрузки капилляры капилляра, а не с открытой площадки, поэтому закон синхронно заполняются расплавом и выходят на ре- Кнудсена неприменим. До попадания в пространство жим испарения из стационарного состояния. Известно, вакуумной камеры пар должен пройти через капилляр.

что особенности конструкции испарителя существенно Рассмотрим протекание через капилляр пара бинарновлияют на распределение конденсата по толщине на го соединения, например CdSb. Обозначим радиус капилповерхности подложки. По степени влияния конструкции ляра через a и длину — L. При давлении паров порядэлементов на направленность и интенсивность потока ка 1 Torr отношение длины свободного пробега молекулы пара испарители делятся на поверхностные, тигельные к диаметру капилляра в нашем случае равно 0.017, поэтооткрытого типа, тигельные замкнутого типа дискрет- му течение должно быть вязкостным [10]. Кроме того, ного действия и тигельные квазизамкнутого типа [7]. скорость потока намного меньше скорости звука, поэтоК последним можно отнести и капиллярные испарители. му число Маха — отношение скорости потока к скорости Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 56 Б.Н. Грицюк, А.А. Ляхов, С.В. Мельничук, В.Н. Стребежев звука в газе очень мало, что доказывает несжимаемость потока. При таких давлениях число Рейнольдса для потока очень мало (Re < 10), поэтому течение люминарное.

Расстояние Le от начала течения, на котором поток становится полностью сформированным, определяется соотношением Le = 0.227a Re [9]. В нашем случае оно много меньше длины части капилляра, по которой движется поток. По оценкам [10], даже при таких низких давлениях скорость потока вблизи стенок неравна нулю и составляет величину порядка 6% от рассчитанной скорости. Определим поток Q как произведение скорости потока v на сечение капилляра S и на среднее давление P, при котором эта скорость определяется, Рис. 2. Схема процесса осаждения частиц при испарении из капилляра.

Q = PSv. (2) При указанных выше условиях справедлив закон Пуазейля V — тепловая скорость движения частиц; — плотность Q = a4P(p1 - p2)/(8L), (3) пара внутри капилляра. Как видно из рис. 2, где p1, p2 — давления пара вблизи испаряющей площадvt = L - (Vt)2 - x2. (7) ки и в конце капилляра соответственно; — динамическая вязкость пара.

Решая (7) относительно t, находим Давление пара при выходе из капилляра p2 значитель- но меньше давления p1 вблизи испаряющей поверхности, t = -L2v2 + L2v2 - (V - v2)(x2 + L2). (8) которое слабо уменьшается по длине капилляра, тогда В качестве V можно взять среднюю скорость движения можно принять P p1. С другой стороны, поток можно атомов — V =(3RT /µ)1/2 (R — универсальная газовая записать в виде постоянная). Один из корней квадратного уравнения NA dm Q = kT, (4) отбрасываем, так как t должно быть положительным.

µ dt Средние тепловые скорости атомов кадмия и сурьмы где k — постоянная Больцмана, NA — число Авогадро, отличаются на 4.37%, поэтому при расчетах их можно µ — атомная масса испаряющегося вещества, dm/dt — считать одинаковыми и равными V = (VSb + VCd)/2.

скорость испарения; из (2)–(4) находим давление P и Учитывая, что x2 + L2 = L2/ cos2, из формул (6) и (8) скорость потока v.

получаем Будем рассматривать движение частиц в системе отH(, L) счета, которая движется со скоростью v вместе с потоком. Выделим внутри потока небольшой слой, который C(V2 - v2)2 cosограничен двумя концентрическими сферами с близкими =, радиусами r и r + dh. Число атомов внутри слоя V2L2 cos 2v2 - 2cosv V2 - v2 sin2 +V(9) dN = 4 · r2 · n · dh, (5) где L — расстояние от конца капилляра до подложки;

— угол между осью капилляра и радиус-вектором, где n — концентрация частиц в слое.

проведенным от центра площадки испарения (окружноВ выделенном слое число частиц остается постоянным сти открытого конца капилляра) до точки на площад(dN = const), поэтому ке осаждения, в которой определяется толщина пленdN ки H(, L).

n =.

4 · dh r2 Если скорость потока v внутри капилляра равна нулю, что выражение (9) переходит в закон Кнудсена для Достигая подложки, частицы осаждаются, поэтому для излучающей площадки толщины осажденного слоя имеем C cos2 C cosC H = =.

H =, r = Vt, (6) L2 rrЗдесь Экспериментальные результаты dm C = dt С помощью капиллярных испарителей предложенной — константа, зависящая от скорости испарения; t — вре- конструкции нами были напылены пленки полупроводмя, за которое частица достигает площадки осаждения; никовых соединений группы A2B5 — CdSb и ZnSb. При Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Получение тонких пленок полупроводниковых соединений с применением капиллярных испарителей четырех капилляров удается выровнять толщину пленок на значительной площади. Качество полученных пленок, а также достигнутое совпадение расчетных и экспериментальных кривых распределения толщины позволяют говорить о целесообразности применения капиллярных испарителей и предложенного подхода к расчету толщины пленочных покрытий.

Список литературы Рис. 3. Распределение толщины пленки на поверхности [1] Буккер Ю.М., Валеев А.С., Ванин А.А. и др. А.С.

подложки.

№ 659642. БИ. 1979. № 16. 74.

[2] Кузнецов В.М. // Вакуумная техника. ВИНИТИ, 1977. № 8.

16 с.

[3] Ченов Б.А., Олеськив С.П., Олеськив Б.С. // Физическая испарении данных соединений из испарителей обычной электроника. Львов: Изд-во Львовского госуниверситета, конструкции (лодочки, спиральные, ленточные испари- 1989. Т. 38. С. 66.

[4] Долидзе Г.Ф., Якашвили Д.В., Вигдорович В.Н., Ухлители, тигли) [7] происходит диссоциация на отдельные нов Г.А. А.С. № 544711. БИ. 1977. № 4. 74 с.

компоненты. В результате в начальной стадии процесса [5] Грицюк Б.Н., Стребежев В.Н. // ПТЭ. 1997. Т. 5. С. 157.

обогащены легколетучей компонентой Cd или Zn. Затем [6] Грицюк Б.Н., Стребежев В.Н. // Вопросы атомной науки образуются многофазные смеси метастабильных соедии техники. Харьков: ВАНТ, 1998. 207 с.

нений кадмия и сурьмы. Пленки CdSb, приближающиеся [7] Технология тонких пленок. Справочник / Под ред.

по составу к стехиометрическим, получены дискретным Л. Майссела, Р. Глэнга. М.: Сов. радио, 1977. Т. 1. 604 с.

испарением в [11], испарением из двух источников в [12], [8] Holland L., Steckelmacher W. // Vacuum. 1952. Vol. 11. N 4.

лазерным испарением в [13]. Данные методы отличаP. 346.

ются большой технической сложностью. Пленки CdSb [9] Langhaar H.L. // J. Appl. Mechan., 1942. Vol. 9. P. A-55.

и ZnSb, обладающие свойствами, близкими к исходным [10] Дэшман. Научные основы вакуумной техники. М.: Мир, монокристаллам, получены нами с применением капил- 1960. 715 с.

[11] Бараов С.И., Главацкий И.В., Збигли К.Р., Чебан А.Г. // лярных кварцевых испарителей [5,14] и графитовых [6].

Термоэлектрические приборы и пленки. Л., 1976. 194 с.

В этих соединениях показано, что в последовательно [12] Masamu Komatsu, Noriaki Matsuda, Yasube Kashiwaba, напыленных пленках в одном технологическом процессе Hiroshi Saito // Mat. Bes. Bull. 1978. Vol. 13. P. 835.

наблюдается изменение состава и свойств от металли[13] Грицюк Б.Н., Ничей С.В. // ПТЭ. 1997. № 2. С. 114.

ческих к полупроводниковым за время переходного про[14] Грицюк Б.Н., Золотухина В.В., Раренко И.М., Стрецесса в капиллярном испарителе. После установления в бежев В.Н. // Физическая электроника. Львов: Изд-во испарителе стационарного режима испарения свойства Львовского госуниверситета, 1989. Т. 39. С. 19.

пленок соответствуют монокристаллам CdSb или ZnSb.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.