Разработка теоретической модели эффузионной ячейки для термовакуумного испарения алюминия

В настоящее время трудно назвать какую-либо область науки, техники или промышленного производства, где бы ни применялись тонкие пленки. Одним из основных методов получения тонкопленочных слоев является термическое испарение в вакууме, который нашел свое применение в весьма перспективных отраслях электронной техники – микро- и наноэлектронике.

Для проведения процесса испарения вещества в вакууме необходимо иметь испаритель, который содержал бы в себе испаряемое вещество и поддерживал его при температуре, достаточной для получения требуемого давления паров. Качество пленок, получаемых путем термического испарения в вакууме, в значительной мере зависит от типа и конструкции испарителей, которые определяются свойствами испаряемого вещества и его исходной формой (гранулы, порошок, проволока), требуемой скорости испарения, ее постоянством во времени и рядом других факторов.

Опираясь на конструктивные признаки, существующие испарители можно разделить на три основные группы [1]: проволочные, ленточные и тигельные.

Наиболее широкое распространение получили проволочные испарители, поскольку их конструкция довольно проста и для их реализации не требуется конструкционных изменений вакуумной камеры. Однако такие испарители недолговечны, так как при испарении металлов с хорошим смачиванием происходит разрушение испарителя [1]. Кроме того, конструкция испарителя сильно усложнится, если возникнет необходимость для испарения мелкодисперсного материала [2]

Ленточные испарители нашли свое применение в испарении металлов с плохими адгезионными свойствами и порошковых материалов. Из проблем в использовании ленточных испарителей стоит выделить тот факт, что они потребляют большую мощность, чем проволочные при том же сечении, что приводит к необходимости организации охлаждения, например, водой [1]. При испарении тугоплавких металлов ленточные испарители подвержены деформации, что приводит к нарушению взаимного расположения испарителя и подложки [1].

Тигельные испарители нашли свое широкое применение, благодаря тому, что при их помощи можно осуществлять многократное испарение большого количества вещества [2]. Однако особый интерес представляет использование тиглей для создания так называемых эффузионных ячеек. Сама же ячейка представляет собой тигель, окруженный нагревательным элементом. Идеальная ячейка имеет изотермические оболочки с бесконечно малым отверстием и бесконечно тонкими стенками этого отверстия [3], что является условием для возникновения эффузии. По сравнению с проволочными испарителями был получен ламинарный поток частиц. Кроме того, поток в такой конфигурации становится более предсказуемым, чем в конфигурации с открытой границей раздела [3].

С целью подбора материала тигля в данной работе в качестве материала для испарения в вакууме выбран алюминий, поскольку использование тонкопленочной алюминиевой металлизации на данный момент является массовым, так как данный материал обладает хорошими электрическими характеристиками и имеет высокую коррозионную стойкость [4].

Из опытов, проводимых в работах [5, 6] известно, что алюминий имеет тенденцию мигрировать вверх по стенкам тигля, что, в конце концов, приводит к его выплескиванию через край. Вытекший алюминий, являясь активным химическим веществом, вступает в контакт с нагревателем, что приводит к его выходу из строя.

Целью данной работы является разработка модели эффузионной ячейки, защищенной от контакта вытекающего алюминия с нагревателем.

Исходя из поставленной цели, можно сделать вывод, что наиболее простой способ ее достижения – располагать нагреватель и тигель на некотором расстоянии. Опираясь на вышесказанное, целесообразным будет производить нагрев с помощью ВЧ-катушек. Кроме того, использование энергии, питающей испаритель, является более эффективным, чем в случае применения источника накала, так как потери за счет излучения и теплопроводности при индукционном нагреве меньше [3].

Рассмотрев данные представленные в источниках [1, 2, 3], были получены сведения о следующих материалах тиглей: BN, AlN, TiB 2 +BN.

Использование тиглей из AlN при их нагреве вызывает диссоциацию азота из данного соединения [2], что накладывает ряд ограничений на использование этого материала для изготовления тиглей. Кроме того, AlN обладает плохой теплопроводностью [2], что препятствует возникновению реиспарения со стенок тигля.

Из представленного ряда особый интерес вызывает BN, поскольку тигли из этого материала не подвергаются значительному разъеданию расплавленным алюминием [3]. Однако, являясь диэлектрическим материалом, нитрид бора, для нагрева самого тигля, вынуждает располагать нагреватель вплотную к нему, что приводит к контакту нагревателя и жидкой фазы алюминия при вытекании последнего. Опыт по напылению алюминия из тигля из BN представлен в работе [7].

Сплав TiB 2 +BN представляет практический интерес, поскольку использование включений титана в состав тигля, позволяет прогревать стенки с помощью индукционного нагрева. Данный сплав так же слабо подвержен разъеданию расплавленным алюминием. Работа по использованию тигля из TiB 2 +BN для испарения алюминия представлена в работе Амеса [6].

Так как загруженный в тигель материал будет прогреваться быстрее, чем непосредственно тигель, предлагается использовать заслонку, для достижения равновесия замкнутой системы. Также использование заслонки позволяет использовать как непрерывный поток пара, так и серию импульсов пара заданной длительности и скважности для получения заданной толщины пленки [2]. Кроме того, уменьшаются непроизводительные потери испаряемого вещества.

С целью реализации эффузии предлагается сделать кольцевую форму выходного отверстия. Это позволит уменьшить неравномерность толщины осаждаемой пленки, указанной Данилиным [2]. Для достижения такой формы эффузионной ячейки мы предлагаем использовать конструкцию, представленную на рисунке 1: так как выращивание тиглей особой формы сильно затруднено, предлагается использование двух тиглей с разным диаметром, скрепленных между собой вольфрамовой проволокой.

Рисунок 1 - Эффузионная ячейка