WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1998, том 68, № 7 05;11;12 Механизмы и кинетика начальных стадий роста пленок, выращиваемых методом химического газофазного осаждения © Д.А. Григорьев, С.А. Кукушкин Институт проблем машиноведения РАН, 199178 Санкт-Петербург, Россия (Поступило в Редакцию 13 февраля 1997 г.) Исследуются начальные стадии роста пленок и покрытий методом химического газофазного осаждения.

Получена система уравнений, описывающая процесс эволюции островковой пленки на стадии оствальдовского созревания в условиях, характерных для процесса газофазного осаждения. Решение данной системы позволило получить зависимости всех основных характеристик островковой пленки (функцию распределения островков по размерам, зависимости среднего радиуса и плотности островков) как функции времени и пространственной координаты. Даны рекомендации по получению пленок с заранее заданными свойствами.

Введение нанесения можно разделить на два этапа. На первом этапе происходят доставка компонентов-примесей на поМетод химического газофазного осаждения (в зару- верхность подложки и химическая реакция, при которой бежной литературе CVD-метод) широко используется выделяются вещества, из которых будет расти пленка, для получения пленок и покрытий различного назначе- например реакции газообразного цинка и селена с обрания, таких как полупроводниковые пленки, пленки ВТСП зованием селенида цинка [3], разложение металлоргасостава и многие другие [1–5]. Существует множество нических соединений с выделением металлов [2] и т. д.

работ, как экспериментальных [2,5], так и теоретиче- Этот процесс описывается уравнением конвективной ских [3,4], в которых изучаются процессы роста пленок, диффузии с соответствующими граничными условиями, получаемых этим методом. В теоретических исследова- которые мы более подробно рассмотрим ниже.

ниях, как правило, изучают лишь гидродинамику процес- На втором этапе вначале идет накопление на подложке са обтекания подложки, а влияние поверхности и проис- избыточного по сравнению с равновесным количества вещества, из которого будет расти пленка (например, селеходящих на ней процессов сводится в основном только нида цинка [3]). Накопление вещества для роста может к вычислению потоков осаждаемых компонентов [3,4].

происходить как непосредственно за счет доставляемых В частности, остается совершенно не исследованным на поверхность компонентов, так и за счет химической влияние потоков осаждаемых веществ на кинетику роста реакции между ними. Затем происходит фазовый переход пленок и такие характеристики островковых пленок, первого рода с образованием твердых островков новой как распределение островков по размерам, средний и фазы. Фазовый переход первого рода на поверхности критический радиусы островков и др.

твердых тел, как правило, разделяют на несклько стаС другой стороны, целый ряд работ, посвященных продий [1,6]. Вначале происходит флуктуационное образоцессам, происходящим на поверхности [6–8], рассматривание островков новой фазы на поверхности подложки, вает рост пленок только в случае, когда вещество постузатем независимый друг от друга рост островков без пает на подложку равномерно по ее площади. Настоящая изменения их количества, а затем в островковой пленке работа представляет собой попытку рассмотреть теорию начинается процесс коалесценции, или оствальдовского роста островковой пленки в условиях, характерных для созревания. Этот процесс характеризуется образованием CVD-процессов.

обобщенных теплового и диффузионных полей, в которых остовки с размером меньше критического раствоПостановка задачи и физическая ряются, а с размером больше критического растут. При сущность процессов этом происходит уменьшение общего числа островков и устанавливается определенное распределение их по разСуть метода газофазного осаждения состоит в обду- мерам и фазовому составу (в случае многокомпонентной вании подложки газом-носителем, в котором содержит- системы). Этот этап является наиболее продолжителься один или несколько компонентов-примесей, которые ным по времени и именно на нем, как правило, происслужат источником вещества для роста пленки. Пленка ходит окончательное формирование структуры пленки, может расти как непосредственно из компонентов-при- как было показано в целом ряде экспериментальных и месей или продуктов их реакции между собой (напри- теоретических работ [5–8].1 В силу гидродинамики промер, в выращивании пленок селенида цинка [3]), так и цесса обтекания газом-носителем подложки количество из продуктов их распада (в случае использования в качеВ настоящей работе мы будем исследовать только процесс остстве примесей металлоорганических соединений [2]). В вальдовского созревания, процессу зародышеобразования посвятим связи с этим для удобства описания процесс газофазного отдельное рассмотрение.

112 Д.А. Григорьев, С.А. Кукушкин как бесконечно тонкую. Подложка обдувается газомносителем при давлении ниже атмосферного и с постоянной температурой. Скорость движения газа вдали от подложки равна U. К газу-носителю примешивают реагирующие компоненты с концентрациями Ci. Если концентрация компонентов-примесей значительно меньше концентрации газа-носителя и они не взаимодействуют между собой, то их поведение можно рассматривать по отдельности. Примем, что процесс проходит в стационарных условиях. Запишем двумерное (рис. 1) стационарное уравнение конвективной диффузии (1) Рис. 1. Схема протекания процесса. Стрелками показано для каждого компонента-примеси в несжимаемом газенаправление движения газа-носителя. 1 — подложка, 2 — носителе, движущемся прямолинейно и ламинарно. Если островки, 3 — пограничный слой.

параметры проведения процесса существенно меняются во времени, то необходимо использовать нестационарное уравнение конвективной диффузии, для решения которого применяются, как правило, численные методы [3,4] реагентов поступающих и реагирующих на ее поверхности различно по ее площади. Это приводит к тому, Ci Ci 2Ci что и концентрация вещества, из которого растет пленка, Vx + Vy = DCi, (1) x y yразлична в различных частях подложки, т. е. рост пленки, а соответственно и ее структура будут неоднородными где Ci — концентрация i-го компонета-примеси в газепо площади.

носителе; Vx, Vy — составляющие скорости газа; DCi — Рассмотрим для определенности вариант метода газокоэффициент диффузии компонента i в газе.

фазного нанесения, при котором подложка расположена Граничным условием вдали от пластины для конценвдоль потока газа-носителя (рис. 1). Ниже будет показатрации Ci будет Ci|y = C0i, где C0i — концентрация но, каким образом можно распостранить предлагаемую компонента-примеси в толще газа. Это условие отражает, теорию и на другие варианты расположения подложки.

то, что падение концентрации реагирующего компоненДля прояснения физической сущности происходящих та происходит в достаточно тонком пограничном слое.

процессов мы будем исследовать случай, когда на поГраничным условием на поверхности реакции (т. е. при верхности образуются островки только одного состава, y = 0) является уравнение смешанной кинетики т. е. одной фазы. Эти островки образуются как минимум из двух компонентов (вторым компонентом формально Ci DCi = kCij, может служить поверхность подложки). Пусть процесс y y=проходит в изотермических условиях, т. е. температура подложки постоянна. Схема процесса представлена на где k — константа химической реакции образования рис. 1. В работе [1,6] показано, что необходимым усло- вещества из которого будет расти пленка (например, ревием протекания процесса оствальдовского созревания акции разложения металлорганического соединения [2]).

является нахождение ансамбля островков в пределах Решение уравнения (1) в данном случае не предстапограничного слоя газа. В случае срыва пограничного вляет трудностей, поэтому мы сразу же выпишем важное слоя происходит нарушение процесса оствальдовского для дальнейшего рассмотрения значение мощности потосозревания, островки начинают расти независимо друг ка компонента, падающего на подложку в точке y = 0, в от друга, происходит нарушение обобщенного диффу- зависимости от координаты x зионного поля и пленка в этом случае не будет иметь Ci 32/3 C0iDC0i 0.665U3/предсказуемого структурного и фазового состава. Этим ggi(x) =DCi, (2) y 2 1/4(1/3) x + xявлением, очевидно, можно объяснить тот факт, что y=наносить пленки и покрытия хорошего качества методом где — динамическая вязкость газа; U — скорость газагазофазного осаждения удается, как правило, на изделия носителя вдали от подложки; x — расстояние от края с хорошей гидродинамической обтекаемостью.

подложки, x0 — левая граница области, в которой идет процесс оствальдовского созревания (рис. 1); (z) — Пример вычисления потока гамма-функция, значения которой можно найти в матереагирующего вещества матических таблицах; z — аргумент.

Укажем, что для иллюстрации мы рассмотрели здесь из газа-носителя на подложку простейший стационарный вид уравнения конвективной Примем, что длина и ширина пластины, выбранной диффузии. Для получения более точного решения, учинами в качестве подложки (рис. 1), много больше тывающего особенности технологии (например, нестациее толщины. В этом случае ее можно рассматривать онарность процесса, конфигурацию реактора, вращение Журнал технической физики, 1998, том 68, № Механизмы и кинетика начальных стадий роста пленок, выращиваемых методом химического... µ 2µ 1 d подложки и т. п.), необходимо использовать иные, как s = Dµ + dg(x) - I(x, t); (5) правило, численные методы [3,4]. Методику применения t x2 2 dt полученных такими методами значений потоков вещеx = 0; µ = µ0; = 0;

ства для изучения эволюции островковой пленки мы x = ; µ = µ; =. (6) рассмотрим ниже.

Теперь перейдем непосредственно к описанию про- Согласно [7], в систему уравнений, описывающую цессов происходящих на поверхности подложки при процесс оствальдовского созревания ансамбля островвыращивании пленок методом газофазного осаждения.

ков, должно также входить уравнение непрерывности для функции распределения островков в пространстве размеров Эволюция островковых пленок при газофазном осаждении f (R, t, x) + f (R, t, x)VR(R) = 0, t R Итак, пусть на поверхности подложки (рис. 1) находится ансамбль островков одного состава, т. е. одной фазы,2 f (R, t, x) t=0= f0, (7) имеющих равновесную форму, например сферическую где f0 — начальная функция распределения, и выражения форму с радиусом R. Островки цилиндрической формы для скорости роста островков VR(R). В [7] показано, можно описать аналогично. На поверхности подложки что VR(R) находится решением уравнения диффузии для между веществами, поступившими из газа-носителя (см.

выделенного островка в обобщенном поле, определявыше), происходит химическая реакция по уравнению емом остальными островками, и зависит от средней µ = k, (3) концентрации компонентов в системе. В нашем случае, если эта концентрация слабо меняется по длине подложгде µ и — концентрации компонентов поступивших на ки, ее можно положить средней и использовать данные подложку, k — константа химической реакции.

работы [7].3 В частности, в случае, когда скорость роста Стехиометрический коэффициент реакции мы приняли островков ограничивается скоростью образования химиза единицу.

ческих связей на поверхности частицы, т. е. скоростью В силу неравномерности по длине поступления вевстраивания компонентов в кристаллическую решетку ществ из газа вдоль подложки возникают диффузионные островка потоки. Распределение вещества по подложке в этом случае должно описываться уравнением диффузии для 2Vm1()() R VR = - 1, (8) каждого из компонентов. В эти уравнения должна вхоKBTR Rcr дить мощность стока вещества в островки новой фазы (d/dt)I(x, t), где I(x, t) = f (R, x, t)R3(x, t)dR — где — удельный граничный поток на островок, — 2 объем вещества в островках; f (R, x, t) — функция расповерхностное натяжение, KB — константа Больцмана, пределения островков по размерам Rcr — критический радиус островка, T — температура проведения процесса.

1/3(2 - 3cos+cos = ;

Система уравнений (4)–(7) является полной замкнуVmNnQтой нелинейной системой уравнений, описывающей про — краевой угол; Vm — объем на атом (молекулу) цесс оствальдовского созревания в островковой пленке в новой фазе; Nn — число мест адсорбции на единице в условиях, характерных для газофазного осаждения.

поверхности; Q0 — количество вещества новой фазы к Решим вначале совместно уравнения (3)–(5). Вычтем моменту начала процесса оствальдовского созревания;

уравнение (4) из (5) и обозначим разность концентраций f (R, x, t) — функция распределения островков по размекак M = µ -. Примем для простоты, что коэфрам. Множитель 1/2 в выражении для I(x, t) применен фициенты диффузии компонентов равны между собой для того, чтобы не учитывать сток в островки дважды. В Dµ = D = D. Введем новую независимую переменную случае, когда стехиометрические коэффициенты в уравx + xнении (3) не равны единице, этот множитель необходимо m =, заменить отношением соответствующих стехиометри- D(t + t0) ческих коэффициентов. В уравнения диффузии должен s тогда уравнения (4) и (5) перейдут в входить источник фазы dg(x), который определяется минимальным из источников компонентов (2) также со d2M dM множителем 1/2. Таким образом, уравнения диффузии + 2m = 0, (9) dm2 dm компонентов вдоль поверхности с соответствующими граничными условиями будут иметь следующий вид: Из работы [7] и настоящего исследования следует, что в этом приближении мы получаем, что критический и средний радиусы 2 1 d островка не зависят от пространственной координаты. При небольшом s = D + dg(x) - I(x, t); (4) размере подложки это согласуется с экспериментом [1]. Учету влиt x2 2 dt яния неравномерности концентрации по длине подложки на скорость Эволюцию многофазных пленок мы здесь не будем рассматривать, роста островка и его среднего и критического радиуса мы посвятим чтобы не затенять физическую сущность происходящих процессов. отдельное сообщение.

8 Журнал технической физики, 1998, том 68, № 114 Д.А. Григорьев, С.А. Кукушкин граничные условия (6) при этом преобразуются соответ- физически это означает, что поток вещества из газаственно в носителя на поверхность велик и первым членом в уравнении (14) мы пренебрегаем. Тогда уравнение (14) m = 0; µ = µ0; = 0 и M = µ0 - 0 = M0, примет вид m = ; µ = µ; = и M = µ - = M.

32/3 DCi 0.665U3/ t Решив (9) и (3) совместно, получим выражения для µ 2 1/4(1/3) x + xи 1 = f (R, x, t)R3(x, t) dR. (15) µ = M+ M2 + 4k, = M- M2 + 4k, (10) 2 где Введем новые переменные u = R/Rcr и x + xX =0/(x, t), где M = M0 - M0 - M ;

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.