Теория конденсации

1.

Санкт-Петербург, 2015

2. Теория конденсации

Дьяченко Николай
Р4190
Санкт-Петербург, 2016

3. Конденсация

Теория конденсации
Конденсация
Конденсация означает переход из газообразного состояния в жидкое или
твердое. С точки зрения термодинамики, для того, чтобы произошла
конденсация, необходимо только, чтобы парциальное давление материала
пленки в газовой фазе было равно или больше равновесного давлений
паров этого материала над конденсированной фазой при данной
температуре.
Однако это справедливо только в том случае, если имеет место конденсация
на уже сконденсированный материал пленки или на подложку из этого же
материала. В общем случае подложка по своей химической природе
отличается от материала пленки. При этом необходимо рассматривать еще и
третью фазу, а именно, адсорбированную, в которой атомы пара уже
адсорбированы на подложку, но еще не связаны с другими
адсорбированными атомами.

4. Рост пленки

Конденсация начинается с соединения нескольких адсорбированных
атомов в небольшие скопления, которые называются зародышевыми
центрами, или зародышами, а процесс их образования —
зародышеобразованием. Так как маленькие частицы обладают более
высоким давлением паров, чем массивный материал при тех же
условиях, для того чтобы произошло образование зародыша, необходима
степень пересыщения больше единицы. Процесс увеличения
зародышевого центра и образование, в конце концов, однородной пленки
называется ростом пленки. Часто образование зародышей и рост
происходят одновременно в процессе образования пленки. Процесс
конденсации недостаточно рассматривать просто как случайное падение
на подложку липких пробковых шариков, которые прилипают там же,
где упали. Наоборот, адсорбированные атомы обладают достаточно
большой поверхностной подвижностью, и в результате ярко выраженные
островки из материала пленки на подложке образуются даже спустя
длительное время после образования зародышевых центров. В конце
концов, эти островки сливаются и образуют непрерывную пленку, но
это происходит только после того как средняя толщина пленки составит
несколько атомных слоев.

5. Столкновение молекул пара с подолжкой

Во всех теориях зародышеобразования в тонких пленках
первым этапом считается столкновение молекул пара с
подложкой.
После
столкновения
молекулы
пара
могут
адсорбироваться и прочно закрепиться на подложке, могут через
конечный промежуток времени после адсорбции снова испариться
и, наконец, могут, мгновенно отразиться от подложки, как свет от
зеркала.
В общем случае атомы пара падают на поверхность подложки с
энергиями значительно большими kT, где Т - температура,
подложки. Поэтому возникает вопрос, сможет ли такой атом пара
достаточно быстро прийти в равновесие с подложкой так чтобы
смогла произойти его адсорбция, или он отразится от подложки, не
отдав ей при этом всей своей запасенной энергии. В последнем
случае, коэффициент термической аккомодации будет меньше
единицы.

6. Коэффициент термической аккодомации

В последнем случае, коэффициент термической аккомодации, который
определяется как
αT = (Ev – Er) / (Ev – E) = (Tv – Tr) / (Tv – T),
будет меньше единицы.
Здесь Ev - кинетическая энергия пара, падающего на подложку, Er - энергия
десорбированного атома до установления равновесия с подложкой, Tv, Tr,
T - соответствующие температуры.

7. Теоретические исследования

Теоретические исследования Кабреры, Цванцига и Мак-Кэррола и Эрлиха
показывают, что в том случае, если горячий атом сталкивается с
одномерной решеткой, коэффициент аккомодации будет меньше единицы
только в том случае, если кинетическая энергия падающего атома более чем
в 25 раз превышает энергию, необходимую для десорбции после
установления равновесия с подложкой. Ими также показано, что
термическая аккомодация происходит практически полностью, если Ev
меньше, чем энергия, необходимая для десорбции атома после
установления равновесия с подложкой.

8. Стационарное состояние

Когда концентрация адсорбированных на подложке атомов пара достигнет
определенной величины, устанавливается стационарное состояние, и если
образования зародышей не происходит, поток испаряющихся молекул в
точности равен потоку, падающему на подложку.
Заполнение поверхности подложки адсорбированными молекулами пара n 1
зависит поэтому от скорости осаждения R
n1 = (R/ν0)exp(ΔGdes/kT), где
ν0 – частота десорбции адсорбированных молекул, равная частоте их
колебаний ( примерно 1014 с-1), ΔGdes – свободная энергия активации,
десорбции. Если падение атомов на подложку прекращается и R стремится к
0, то заполнение подложки адсорбированными атомами тоже стремится к
нулю.
Среднее время жизни τα – адсорбированной молекулы до повторного
испарения
τα = (1/ ν0) exp(ΔGdes/kT).

9.

Получение стабильного слоя поэтому невозможно даже в том случае, если
температура подложки настолько низка, что скорость испарения данного материала из
массивного кристалла при этой температуре пренебрежимо мала, т.е. если степень
пресыщения при осаждении пленки много больше единицы.
В действительности сплошная пленка получается при достаточно высоких скоростях
падения атомов на подложку, и поэтому взаимодействием между отдельными
адсорбированными атомами нельзя пренебрегать. Адсорбированные атомы могут
мигрировать по поверхности, сталкиваясь с другими атомами, и тогда могут возникать
скопления из адсорбированных атомов, или зародыши. Последние, по сравнению с
отдельными атомами должны быть более устойчивы к повторному испарению, так как
они связаны друг с другом силами связи, характеризующими энергию конденсации.
Однако устойчивость небольших зародышей, или кластеров, содержащих всего лишь
несколько атомов, определяется не только объемной энергией конденсации. Атомы в
таком зародыше обычно имеют меньше или совсем не имеют соседей,
принадлежащих к следующей координационной сфере.
Таким образом, отношение поверхности к объему у них очень велико и, из-за высокой
поверхностной энергии кластеры становятся менее устойчивыми. В большинстве
теорий, рассматривающих процесс зародышеообразования, постулируется, что
существует стационарное состояние, при котором зародыши различных размеров
находятся в равновесии с адсорбированными атомами, последние же диффундируют
по подложке в течении времени τα, постоянно сталкиваясь друг с другом и разными
зародышами. Далее, в большинстве теорий постулируется, что как только зародыш
достигнет определенной критической величины, в среднем, он уже не распадается на
отдельные адсорбированные атомы, а растет и образует устойчивый конденсат.

10. Сила Ван-дер-Ваальса

Ван-дер-ваальсовы силы — силы межмолекулярного (и межатомного)
взаимодействия с энергией 10—20 кДж/моль. Этим термином
первоначально обозначались все такие силы, в современной науке он
обычно применяется к силам, возникающим при поляризации молекул и
образовании диполей. Открыты Я. Д. Ван дер Ваальсом в1869 году.
Дисперсионные ван-дер-ваальсовые силы приводят к конденсации
идеальных газов.

11. Теория конденсации при ALD техногогии

12. Список литературы:

Майссел Л., Глэнг Р. Те
хнология тонких пленок.
Большая Энциклопедия
Нефти
Газаhttp://www.ngpedia.ru
https://ru.wikipedia.org

13. Спасибо за внимание!

en.ifmo.ru
[email protected]
Санкт-Петербург, 2015