Вакуумні методи нанесення тонких плівок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

вакуумне нанесення тонка плівка

Вступ

1. Аналітичний огляд

1.1 Поняття вакууму в техніці

1.2 Вакуумні системи

1.2.1 Двохроторнний насос (насоси Рутса)

1.2.2 Турбомолекулярні насоси

1.2.3 Паромасляні дифузійні насоси

1.2.4 Пластинчато - роторний обертальний насос

1.3 Методи нанесеня тонких плівок

1.3.1 Термічне вакуумне напилення

1.3.2 Електронно-променеве напилення

1.3.3 Лазерне напилення

Висновки

Перелік посилань

Вступ

Вакуумна техніка в даний час застосовується в багатьох галузях промисловості. Перші області її промислового застосування - відкачування освітлювальних електроламп і електровакуумних приладів - мають важливе значення, але з появою транзисторів електронна промисловість знайшла нове застосування вакуумному обладнанню у виробництві високочистих матеріалів. Металургія теж знайшла застосування вакуумній техніці: вакуумної плавкою метали очищаються від розчинених газів і летючих домішок, в тих випадках, коли потрібно виключити можливість окислення та інших забруднень поверхні, у вакуумі проводять відпал і термообробку. Без вакуумної техніки було б неможливе виробництво у великих масштабах хімічно чистих і жароміцних металевих матеріалів. Плівки металів і інших речовин, напилювані у вакуумі, знаходять застосування в самих різних галузях промисловості - від виробництва дитячих іграшок до технології оптичних приладів та електронних компонентів. У хімічній промисловості молекулярна дистиляція при низьких температурах, що стала можливою завдяки зниженню тиску в перегінному кубі, дозволила отримувати речовини, які розкладаються, якщо переганяти їх при атмосферному тиску. У медицині, біології, харчової промисловості так звана сушка сублімації дозволяє зневоднювати при низьких температурах у вакуумі, матеріали, які руйнуються при температурах, необхідних для сушки іншими способами. Без вакуумної техніки не могла б існувати атомна промисловість, де вона застосовується, зокрема, для розділення ізотопів, обробки матеріалів та відкачування вакуумного обладнання.

У електроній промисловості вакуумна техніка використовується для нанесення тонких плівок металів, діелектриків, напівпровідників. Для цього розробленно багато методів частину з яких буде розглянуто в данній роботі.

1. Аналітичний огляд

1.1 Поняття вакууму в техніці

Вакуумом (від лат. Vacuum - пустота) називають стан газу або пари при тиску нижче атмосферного. Кількісною характеристикою вакууму служить абсолютний тиск. Вакуумна техніка прикладна наука, що вивчає проблеми отримання і підтримки вакууму, проведення вакуумних вимірювань, а також питання розробки і застосування вакуумних систем та їх функціональних елементів.

Інтенсивність перебігу фізико -хімічних процесів у вакуумі залежить від співвідношення між числом зіткнень молекул газу зі стінками судини що його обмежує і числом взаємних зіткнень молекул, що характеризується відношенням середньої довжини (л) вільного шляху молекул до характерного лінійного розміру (L) судини. Це відношення покладено в основу умовного поділу областей вакууму на наступні діапазони: низький, середній, високий і надвисокий.

Ступінь вакууму в відкачуваних судинах визначається рівноважним тиском, що встановлюється під дією протилежних процесів: відкачування газу насосом і надходження газу в робочий об'єм внаслідок натекания через не щільність, а також технологічного газовиділення.

Низький вакуум характеризується тиском газу, при якому середня довжина вільного шляху молекул газу значно менше визначального лінійного розміру судини, істотного для розглянутого процессу (л <<L). Низького вакууму зазвичай відповідає область тиску 105... 100 Па.

Середній вакуум характеризується тиском газу, при якому середня довжина вільного шляху молекул порівнянна з характерним лінійним розміром (л ? L). Середньому вакууму, як правило, відповідає область тиску 100... 0, 1 Па.

Високий вакуум визначається тиском газу, при якому середня довжина вільного шляху молекул значно перевищує характерний лінійний розмір (л >> L). Високому вакууму зазвичай відповідає область тиску 0, 1... 10-5 Па.

Надвисокий вакуум характеризується тиском газу, при якому не відбувається помітної зміни властивостей поверхні, спочатку вільною від адсорбованого газу, за час, істотне для робочого процесу. Надвисокого вакууму, як правило, властива область тиску < 10-5 Па.

Число Кнудсена () - один з критеріїв подібності руху розріджених газів [1]:

де - середня довжина вільного пробігу молекул в газі, - характерний розмір судини (наприклад діаметр трубопроводу, діаметр вільного струменя). Для ідеального газу формула (1) має вигляд:

де k - постійна Больцмана, P- тиск, T- температура, у - поперечний розмір частки газу.

З точки зору кінетичної теорії газів [2] тиск газу є сума імпульсів, які внаслідок теплового руху передаються ударами молекул газу на одиниці площі стінки посудини за одиницю часу. На основі цього подання про тиск газу безпосередній зв'язок тиску з тепловим рухом молекул виражается наступним рівнянням:

де -число молекул газу. маса газу. - швидкість молекул. - об'єм газу.

Враховуючи те, щосередня енергія теплового руху частки газу дорівнює

то формулу (3) можна переписати у вигляді

Формула (5) пов'язує тиск газу з кількістю газу, що знаходиться в об'ємі V при температурі Tі є аналогом рівняння стану ідеального газу, що полученна в рамках кінетичної теорії газу.

Середнє значенняшвидкості теплового руху молекул газу визначено в припущенні, що окремі молекули мають різні швидкості за величиною та напрямком, а тепловийрух молекул хаотичний.

Газ, наданий собі (тобто той, що непіддається якомусь сторонньому, механічному або температурному впливу), завжди приходить в такий стан, що різні швидкості теплового руху розподіляються між молекулами з цілком певним законом. Зокрема, на основі цього закону можна підрахувати значення найбільш вірогідною, тобто відносно найбільш часто зустрічається у молекул, швидкості теплового руху, яка дорівнює:

Такезакономірнерозподілшвидкостейдозволяєкористуватисяпоняттямпроцілкомпевномузначеннісередньоїквадратичноїабосередньоїарифметичноїшвидкостітепловогорухумолекулгазузпевноюзалежністю відтемпературиімолекулярноївагигазу.

Закон розподілу швидкостей, що обумовлює можливість оперувати з певними значеннями середніх швидкостей теплового руху молекул, дозволяє також вирахувати дуже важливу величину, що грає велику роль у багатьох питаннях вакуумної техніки. Цією величиною є кількість молекул газу, що вдаряються в одиницю площі посудини, що містить газ, за одиницю часу (Nq). Підрахунок, заснований на законі розподілу швидкостей, призводить до наступного простому формулу для Nq:

Величина Nq пропорційна молекулярної концентрації газу, пропорційна квадратному кореню з температури і обернено пропорційна квадратному кореню з молекулярної ваги газу.

Для практичних цілей важливо знати не кількість молекул Nq, об'ємгазу V, що приходиться на цю кількість молекул. Для визначення цього обсягу достатньо обидві частини рівняння (5) розділити на кількість молекул, що містяться в одиниці об'єму, тобто на N1,. тоді

1.2 Вакуумні системи

Вакуумні системи сучасних установок для нанесення тонких плівок складаються з наступних основних вузлів: вакуумної робочої камери, комутуючих елементів, засобів відкачування і засобів вимірювання тиску.

Вакуумною робочою камерою називається об'єм, в якому здійснюється процес відкачування газу.

До комутуючих елементів відносяться елементи, що з'єднують робочу камеру з засобами відкачування. Засоби вимірювання призначені для вимірювання тиску та складу тиск газу у вакуумній системі.

Засоби відкачування - це пристрої для створення вакууму в робочій камері. У техніці вакуум створюють за допомогою вакуумних насосів різних принципів дії [3]. Виділяють насоси фізичного видалення газу і сорбціонні. Принцип роботи сорбціонних насосів полягає у конденсації або захваченню молекул газу на деяку внутрішню поверхню камери насосу без видалення газу назовні.

По робочому діапазону тиску насоси ділять на форвакуумні, насоси середнього вакууму та насоси високого вакууму. По складу газів, що виділяє насос в камеру насоси діляться на масляні і безмасляні.

До основних характеристик вакуумних насосів відносять: швидкість відкачування, максимальна ступінь розрядження, початковий робочий тиск, кількість і склад виділяймих газів у вакуумну камеру. Швидкість відкачування вимірюється у (ПаЧл/с). Причому множник (ПаЧл) є мірою кількості газу, оскільки процес відкачування проводиться при постійній температурі.

1.2.1 Двохроторнний насос (насоси Рутса)

Насос Рутса відносится до насосів фізичного видалення газу середнього вакууму без використання робочої рідини. Насоси даного типу складаються з корпусу, в якому обертаються два однакових за профілем ротора, двох торцевих кришок, підшипників, синхронізуючої передачі і сальників. Відкачування і стиснення газу відбуваються внаслідок заповнення газом утвореною у вакуумному насосі робочої камери, яка переноситься без стиснення з порожнини всмоктування в порожнину нагнітання. Після повідомлення робочої камери з нагнітанням тиск у ній зростає за рахунок газу, що перетікає з нагнітального вікна. Перед початком роботи насосу необхідно попередньо зменшити тиск у робочій камері до 100-10мм рт. ст.. тапідтримувати тиск на виході 10-1 мм рт. ст. для нормальгої роботи насосу.

Основні переваги двохроторних вакуумних насосів такі: велика бистродія, відсутність масла в стиснутому газі, швидкохідність, рівномірність відкачування газів, надійність і довговічність. Швидкість дії насосів Рутса знаходиться в межах від 0, 3 до 28000 л / с.

До недоліків насосів даного типу відносяться: невелика ступінь підвищення тиску, недосконалість процесу стиснення, більш висока температура газу на нагнітанні і високий рівень шуму. Зазор між роторами і корпусом не перевищує 0, 0015 - 0, 0025 зовнішнього радіусу ротора, а між роторами і торцевими кришками зазор виконується приблизно в 1, 5 рази більше.

1.2.2 Турбомолекулярні насоси

Дія турбомолекулярного вакуумного насосу засновано на наданні молекулам відкачуваного газу додаткової швидкості в напрямку їх руху обертовим ротором. Ротор складається з системи дисків. Можливі два види розташування валу: горизонтальне і вертикальне. Переваги насосів з вертикальним валом - гранична компактність і легкість завдяки природному розташуванню першої решітки - роторного диска безпосередньо у роз'єму вхідного фланця, а двигуна - всередині порожнього ротора. У теж час, насос з горизонтальним валом має кращу ремонту здатність, оскільки схильні до зносу підшипники в ньому легко доступні і можуть бути легко замінені без розбирання насоса.

Найскладніший, точний і дорогий вузол - ротор - потребує ретельної динамічного балансування. Точність балансування залежить від маси ротора і обернено пропорційна квадрату робочої частоти його обертання. Недостатнє балансування ротора призводить до небезпечних для роботи вакуумних приладів вібраціям, навантажень на підшипники і дострокового виходу насоса з ладу.

Не менш важливими вузлами є опорні пристрої. Вимога тривалої роботи при високих частотах обертання з урахуванням розміщення підшипників у вакуумі здійснимо тільки при застосуванні підшипників самої високої точності і швидкохідності. Особливі труднощі представляє підбір радіально- наполегливих підшипників. Однак однієї точності і легкості підшипників недостатньо. У зв'язку з наявністю крім вихідного дебаланса неідеальної жорсткості деталей, власної частоти коливань вала і лопаток, не симетрії електромагнітного поля двигуна, зазорів і зносу в підшипниках необхідний підбір характеристик пружності обойм, в які встановлюються підшипники. Застосовуються обойми у вигляді тонкостінних розрізних пружинних втулок.

1.2.3 Паромасляні дифузійні насоси

Відкачувальну дію паромасляного дифузійного вакуумного насоса засновано на дифузії молекул відкачуваного газу вструмінь пари робочої речовини (ртуть, масло).

Паромасляних вакуумний насос має водоохолоджуваний металевий корпус у вигляді циліндра з глухим днищем, в яке вставлені паропроводи з соплами. Робочу рідину заливають у насос, і вона підігрівається електричним нагрівачем. Пари рідини піднімаються по паропроводах до сопел, виходять через них в об'єм насоса, конденсуються на стінках, і утворений конденсат по стінках стікає вниз і знову потрапляє в кип'ятильник. У результаті постійного випаровування і конденсації робочої рідини між паропроводами і об'єм насоса підтримується значний перепад тисків. Внаслідок цього, а також внаслідок спеціальної конструкції сопел пар перебігає в об'єм корпусу насоса з надзвуковою швидкістю. Молекули відкачуваного газу дифундують в струмінь пари, при зіткненні з більш важкими частинками пара отримують спрямований рух вниз і до стінок корпусу і скупчуються в зоні конденсації пари. Там вони захоплюються в рух наступним каскадом відкачування, послідовно стискаються кожною сходинкою, поки не потраплять в зону дії механічного насоса і видаляться з дифузійного вакуумного насоса.

До основних характеристик дифузійного насосу слід віднести:

Швидість відкачування 1 л/с

Робочий діапазон тисків от 10-1 до 10-6 мм рт. ст.

Нижній робочий тиск обумовленний проникненням пари робочої рідини (масла) у відкачуємий об'єм. При тисках, що перевищуют верхню межу робочого діапазону спостерігається інтенсивне окислення вакуумного масла, що призводить до виходу насосу з роботи. У дифузійного насосу низька вибірковість до складу газу.

Рисунок 2.1. Схема сучасного трьохступенчатого дифузійного паромасляного насоса

- Випарник масла;

- Паропроводи;

- Надзвукові струмені пари масла;

- Вхідний фланець (патрубок), підключення до відкачуваного об'єму

- Охолоджені (водою) стінки насоса;

- Вихідний фланець, підключення допоміжного насоса;

- нагрівач

1.2.4 Пластинчато - роторний обертальний насос

Свою назву пластинчасті насоси отримали через наявність в їх конструкції пластин, які в одному типі насосів обертаються разом з ротором (пластинчасті- роторні), а в іншому - розташовані в статорі (пластинчато - статорні насоси).

Рис. 2.2. Пластинчато - роторний насос.1 - цилиндр (корпус насоса) ; 2 - ротор; 3 - пластины; 4 - пружина; 5 - сетка-фильтр; 6 - возвратный клапан;

Обсяги, розташовані між загальною і отворами в статорі, є «шкідливими» просторами. Шкідливість простору у вихідного отвору полягає в тому, що в ньому газ сильно стиснутий, в той час як в порожнині всмоктування створюється розрідження, в результаті чого можливий прорив газу в відкачувати систему.

Тертьові поверхні пластинчастих насосів повинні бути добре оброблені і потребують постійної мастилі. Мастило, крім того, служить для заповнення простору в кінці стисненн. Це необхідно для відкриття випускного клапана, коли вакуум, створюваний насосом, наближається до граничного і тиск стисненого газу недостатньо для відкриття вихлопного каналу.

Граничний вакуум, створюваний пластинчасті- роторними насосами, залежить не тільки від величини шкідливого простору, але також від якості обробки поверхонь, їх мастила і сорти масла. Зазвичай для одного ступеня граничний вакуум досягає значення 1330-1 - 1330-2 Па

1.3 Методи нанесеня тонких плівок

1.3.1 Термічне вакуумне напилення

Сутність даного процесу нанесе6нія тонких плівок полягає в нагріванні речовини у вакуумі до температури, при якій зростаюча з нагріванням кінетична енергія атомів і молекул речовини стає достатньою для їх відриву від поверхні і розповсюдження в навколишньому просторі. Це відбувається при такій температурі, при якій тиск власних парів речовини перевищує на кілька порядків тиск залишкових газів. При цьому атомарний потік поширюється прямолінійно і при зіткненні з поверхнею випаровувані атоми, і молекули конденсуються на ній [5].

Процес випаровування здійснюється за звичайною схемою: тверда фаза - рідка фаза - газоподібний стан. Деякі речовини (магній, кадмій, цинк та ін) переходять в газоподібний стан, минаючи рідку фазу. Такий процес називається сублімацією.

Рис. 2. 3 - Основні елементи установки вакуумного напилення. 1 - вакуумний ковпак з нержавіючої сталі; 2 - заслонка; 3 - трубопровід для водяного підігріву чи охолодження ковпака; 4 - голчастий натекатель для подачі атмосферного повітря в камеру; 5 - нагрівач підкладки; 6 - подложкодержатель з підкладкою; 7 - герметизирующая прокладка з вакуумної гуми; 8 - випарник з розміщеним в ньому речовиною і нагрівачем

Процес проведення операції вакуумного напилення включає в себе виконання наступних дій у верхньому положенні ковпака з подложкодержателя знімають оброблені підкладки і встановлюють нові. Колпак опускають і включають систему вакуумних насосів (спочатку для попереднього розрідження, потім високовакуумний). Для прискорення десорбції повітря з внутрішніх поверхонь і скорочення часу відкачки в трубопровід подають гарячу проточну воду. По досягненні тиску всередині камери порядку 10-2 Па включають нагрівачі випарника і підкладок. По досягненні робочих температур заслінку відводять убік і пари речовини досягають підкладки, де відбувається їх конденсація і зростання плівки. Система автоматичного контролю за зростанням плівки фіксує або товщину плівки (для діелектрика плівкових конденсаторів), або поверхневий опір (для резисторів), або час напилення. Що виробляється при цьому сигнал про закінчення напилення після посилення впливає на соленоїд заслінки, перекриваючи нею потік пари. Далі відключають нагрівачі випарника і підкладок, вимикають систему відкачування, а в трубопровід подають холодну проточну воду. Після охолодження подколпачних пристроїв через натекатель плавно впускають атмосферне повітря. Вирівнювання тисків всередині і поза ковпака дає можливість підняти його і почати наступний цикл обробки.

Інтенсивність випаровування зручно характеризувати пружністю пари (тиском пари в стані насичення) PS. Пружність пари для даної речовини залежить тільки від температури

де А і В - коефіцієнти, що характеризують вид матеріалу;

Т - абсолютна температура речовини, К.

Оптимальною інтенсивністю випаровування прийнято вважати інтенсивність, при якій пружність пара складає ~ 1, 3 Па. Відповідна цій пружності температура випаровування називається умовною і може бути обчислена з (7). Так, для алюмінію вона дорівнює 1150 ° C, для хрому - 1205° C, для міді - 1273° C, для золота - 1465° C і т. д.

Низький тиск повітря Р0 в робочій камері необхідно для:

Забезпечення вільної дифузії атомів речовини випарника в об'єм робочої камери;

Прямолінійного руху атомів речовини без зіткнення з молекулами залишкового повітря і марного розсіювання матеріалу в об'ємі камери;

Виключення хімічної взаємодії напилюваного речовини з молекулами повітря.

Ці умови забезпечуються при залишковому тиску Р0* 10-4 Па. Такий вакуум порівняно легко досягається за допомогою форвакуумного механічного та високовакуумного дифузійного насосів, включених послідовно.

Температура підкладки в процесі осадження робить істотний вплив на структуру плівки, а, отже, і на стабільність її електрофізичних властивостей в процесі експлуатації.

Атоми речовини надходять на підкладку з енергією кТ і швидкостями порядку 1000 м/с. Частина енергії при цьому передається поверхневим атомам підкладки, а залишкова енергія дозволяє їм деякий час мігрувати в поверхневому потенційному полі. Частка залишкової енергії тим вище, чим вище температура підкладки. У процесі міграції атом може або покинути підкладку (на потенційному горбі поля), або частково погасити енергію, вступивши у взаємодію з іншим мигрирующим атомом. Повністю втратити здатність мігрувати і закріпитися на нагрітої підкладці (конденсуватися) може лише багатоатомна група, яка стає одним з центрів кристалізації. При невисокій щільності потоку атомів, тобто помірній температурі на випарнику, число центрів кристалізації на одиницю площі невелике і до моменту утворення суцільної плівки навколо них встигають вирости великі кристали.

Зниження температури підкладки і підвищення щільності потоку призводить до більш раннього утворення центрів кристалізації, збільшення їх числа на одиницю площі і формуванню мелкокристаллической структури. У процесі експлуатації електронної апаратури, коли вона піддається періодичним циклам нагріву і повільного охолодження дрібнокристалічна структура поступово рекрісталлізуется в крупнокристалічну. У резистивних плівках, наприклад, спостерігається з часом зменшення питомого опору.

Отже, для формування тонких плівок, стабільних в процесі експлуатації, необхідно підкладку нагрівати і не форсувати процес напилення за рахунок підвищення температури на випарнику.

У першому наближенні потік атомів від випарника до підкладки являє собою розбіжний пучок і тому щільність потоку в площині підкладки не рівномірна: у центрі підкладки вона максимальна і убуває від центру до периферії. Це означає, що при напиленні плівки на нерухому підкладку в центральній області підкладки утворюється товща плівка, ніж на краях підкладки. Наприклад, резистори, сформовані в центральних модулях, матимуть занижені опору в порівнянні з аналогічними резисторами периферійних модулів.

Термовакуумне напилення це перший метод нанесення тонкоплівкових покриттів у вакуумі. У резистивних випарниках теплова енергія для нагріву испаряемого речовини утворюється за рахунок виділення джоулевого тепла проходженні електричного струму через нагрівач.

До матеріалів, використовуваним для виготовлення нагрівачів резистивних випарників, висуваються такі вимоги.

Тиск пари матеріалу нагрівача при температурі випаровування осаждаемого речовини повинен бути зневажливо малим.

Матеріал нагрівача повинен добре змочуватися розплавленою речовиною, так як це необхідно для забезпечення якісного теплового контакту між ними.

Між матеріалом нагрівача і розплавленою речовиною не повинні виникати жодні хімічні реакції і утворюватися легколетучие сплави цих речовин, тому що в іншому випадку відбувається забруднення наносимих плівок і руйнування нагрівачів.

Для нанесення покриттів резистивним методом застосовуються різні конструкції і способи випаровування металів і сплавів. Найбільш широко використовуються дротові, стрічкові, тигельні і автотігельні випарники дискретної дії.

Дротові випарники, основна перевага яких полягає в простоті пристрою і високої економічності, виготовляються з дроту тугоплавких металів W, Mo, Ta і випускаються найрізноманітніших форм (у вигляді петлі, циліндричної спіралі, конічної спіралі, V -подібної форми тощо). Застосовуються для випаровування речовин, які змочують матеріал нагрівача. При цьому розплавлене речовина силами поверхневого натягу утримується у вигляді краплі на дротовому нагрівачі. Застосовуваний дріт повинен мати по всій довжині однаковий перетин, інакше через місцевий перегрівів буде порушена рівномірність одержуваного шару і, крім того, дріт швидко перегорить.

Стрічкові випарники виготовляються з тонких листів тугоплавких металів і мають спеціальні поглиблення у вигляді жолобків, човників, чашок або коробочок, в яких розміщується випаровуваний матеріал. Вони застосовуються для випаровування порошкових матеріалів і неорганічних сполук. Ці випарники, так само як і дротяні прості по конструкції, але в порівнянні з останніми споживають велику потужність внаслідок значних втрат на теплове випромінювання.

Тигельні випарники можуть застосовуватися для випаровування матеріалів, що не вступають у реакцію з матеріалом тигля і не утворюють з ним сплавів. Вони виготовляються з тугоплавких металів (W, Mo, Ta) з оксидів металів (Al2O3, BeO, ZrO2, ThO2 тощо) і графіту. Для осадження матеріалів з низькою температурою випаровування можна також використовувати тиглі з тугоплавкого скла і кварцу.

Тиглі з окису алюмінію використовуються для металів, температура випаровування яких нижче 16000С (Cu, Mn, Fe, Sn) ; тиглі з окису берилію можуть бути використані до температури 17500С, окису торію - до 22000С. При випаровуванні матеріалів при температурах порядку 25000С застосовуються тиглі з графіту. З графітових випарників ефективно випаровуються Be, Ag, Sr. Багато оксидів активно відновлюються вуглецем, що дає можливість очищати метали за допомогою графітових тиглів.

Основна перевага тигельних випарників полягає в тому, що з їх допомогою можна здійснювати випаровування великої кількості речовин. У порівнянні з дротяними і стрічковими випарниками вони є більш інерційними, так як мала теплопровідність матеріалів не дозволяє забезпечити швидке нагрівання матеріалу, який випаровується. Крім того, тиглі з оксидів не допускають швидкого нагрівання зважаючи на небезпеку їх руйнування тепловим ударом. До недоліків тигельних випарників слід також віднести і те, що з їх допомогою може бути отриманий тільки вузький пучок випаровуваної речовини.

Для випаровування сплавів і речовин складного складу, які складаються з компонентів з різко відмінними швидкостями випаровування, застосовуються поверхневі випарники дискретної дії. У них використовується метод вибухового випаровування. Температура поверхні випарника, на яку падають дрібнодисперсні частинок, вибирається такий, щоб всі падаючі частинки складної речовини миттєво випаровувалися. Подача дрібнодисперсних частинок на розпечену поверхню виробляється зі швидкістю, різної швидкості випаровування частинок цієї речовини, що забезпечує отримання плівок необхідного складу.

Широке поширення одержать так звані автотігельні випарники, в яких крапля або ванна розплавленого металу стикається з тим же металом, що знаходяться в твердому стані. Такий спосіб дозволяє одержувати покриття високої чистоти.

Для отримання покриттів, що характеризуються високою однорідністю структури та хімічного складу, випаровуванням порошкових матеріалів попередньо необхідно провести процеси сепарації і відсіву порошку по фракціях, ретельне механічне перемішування при використанні порошків різного хімічного складу, дегазацію порошку і відведення виділилися газів з обсягу вакуумної камери [4].

Методу резистивного випаровування притаманні недоліки, що значно знижують область його використання. До числа основних недоліків методу слід віднести відсутність помітної іонізації парів випаровуваного матеріалу, труднощі керування основними параметрами потоку, високу інерційність випарників.

1.3.2 Електронно-променеве напилення

У виробничих умовах широко використовується електронно - променеві випарники, які дозволяють отримувати тонкі плівки металів, сплавів і діелектриків. Швидке переміщення нагрітої зони в результаті відхилення потоку електронів, можливість регулювання і контролю потужності нагріву і швидкості осадження створюють передумови для автоматичного управління процесом. Метод дозволяє отримати високу чистоту і однорідність конденсованоїплівки, оскільки реалізується автотігельне випаровування матеріалу [3].

Принцип дії електронно- променевого випарника такий. В електронній гарматі відбувається емісія вільних електронів з поверхні катода і формування їх в пучок під дію прискорюючих і фокусуючих електростатичних і магнітних полів. Через вихідний отвір гармати пучок виводиться в робочу камеру. Для проведення електронного пучка до тиглю з випаровуваним матеріалом і забезпечення параметрів пучка, необхідних для даного технологічного процесу, використовують головним чином магнітні лінзи і магнітні відхилявачі системи. Безперешкодне проходження електронного пучка до об'єкта можливо тільки у високому вакуумі. У камері випарника встановлюється робочий тиск близько 10-4 Па. Випаровуваний матеріал нагрівається внаслідок бомбардування його поверхні електронним пучком до температури, при якій випаровування відбувається з необхідною швидкістю. У утворився потоці пари розташовують підкладку, на якій відбувається конденсація. Випарний пристрій доповнюють засобами вимірювання та контролю, які особливо важливі для управління електронного пучка в процесі напилення.

У простому випадку електронний пучок направляють на виплавляємий матеріал зверху прямовисно або під косим кутом до поверхні. При цьому для забезпечення фокусування пучка і отримання необхідної питомої потужності на поверхні матеріалу, який випаровується використовують довгофокусні генератори електронних пучків. Істотними недоліками такого розташування є можливість утворення плівок на деталях електронно- оптичної системи, що призводить до зміни параметрів електронного променя, і обмеження корисної площі для розміщення підкладки через затінення частини технологічної камери гарматою. Зазначених недоліків можна уникнути, розміщуючи гармату горизонтально і відхиляючи електронний пучок на випаровуваний матеріал за допомогою різних систем.

До недоліків методу електронно- променевого випаровування слід віднести:

Необхідності наявності високого прискорює напруги (порядку 10 кВ) ;

Низький енергетичний ККД;

Газовиділення в робочому об'ємі внаслідок бомбардування вторинними електронами підкладки, технологічного оснащення і стінок камери;

Генерацію радіаційних дефектів в наносяться тонких плівках при бомбардуванні їх вторинними електронами;

Відсутність помітної іонізації потоку осаджаємої речовини;

Погану адгезію тонких плівок до основі внаслідок низької енергії загрожених частинок.

1.3.3 Лазерне напилення

У лазерних випарниках нагрів випаровуваної речовини, поміщеної в вакуум, здійснюється за допомогою фокусированного випромінювання оптичного квантового генератора, що знаходиться поза вакуумної камери. Нанесення плівок за допомогою лазера можливо завдяки наступним властивостям променя: точної фокусуванні випромінювання та дозуванні його енергії [6].

Основними перевагами методу імпульсного лазерного напилення є:

Гранично чисті умови вакуумного випаровування, джерело енергії для випаровування речовини знаходиться поза вакуумного обсягу, випаровування виробляється з власного тигля;

Можливість отримання плівок тугоплавких матеріалів та збереження стехіометричного складу багатокомпонентних сполук, висока щільність потоку енергії лазерного випромінювання і його мала тривалість дозволяють досягти високих температур - до десятків тисяч градусів, при яких всі компоненти випаровуються в однаковій мірі;

Висока миттєва швидкість напилення (103 - 105 нм/с) і реалізовується беззародишевий механізм росту плівки, які забезпечують суцільність шарів при товщині, близької до мономолекулярної. Це дозволяє використовувати илн для отримання ультратонких плівок і сверхрешіток;

Використання тільки низькоенергетичної частини плазми, що сприяє отриманню бездефектних плівок, близьких за своїми параметрами до плівок, одержуваних методом молекулярно- променевої епітаксії.

Висновок

Тонкі плівки широко використовуються в техніці як зносо-, корозійностійких, антифрикційних, захисно -декоративних та ін покриттів. Широке застосування вони знайшли в оптиці (поляризаційні фільтри, светоделітель, просвітлюючі та ін покриття) і в електронній промисловості при виробництві приладів та інтегральних мікросхем (омические контакти, струмоведучі доріжки, виготовлення конденсаторів, пристрої на магнітних плівках, напівпровідникові епітаксіальні плівки).

Для вирішення широкого кола завдань тонкопленочной технології розроблені різні методи генерації потоку осаджаємої речовини, засновані на механізмах термічного випаровування (резистивное, електронно- променеве, імпульсне лазерне, електродугове) і іонного розпилення (катодне, магнетронне, високочастотні) в несамостійному розряді і автономними джерелами. Проведений аналіз фізичних процесів, що лежать в основі кожного методу, дозволяє вибрати найбільш ефективний метод для вирішення конкретної технічної задачі і може бути використаний при розробці нових комбінованих систем.

Перелік посилань

Б. И. Королёв Основы вакуумной техники ГЭИ 1953 г. 328ст.

Справочник технология тонких пленок. Москва., «Советское радио», 1977, 662 с. Л. Майсела, Р. Глєнга

Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. В 10 кн Кн. 6. Нанесение пленок в вакууме / Минайчев В. Е. - М. : Высш. шк., 1989. - 110 с. : ил.

Ефимов И. Е. и др. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. Учеб. Пособие для вузов. М: «Высш. школа», 1977. - 416 с.

Карпенко Г. Д., Рубинштейн В. Л. Современные методы генерации осаждаемого вещества при нанесении тонкопленочных покрытий в вакууме. Минск: БелНИИНТИ, 1990 - 36 с.

Кудинов В. В., Бобров Г. В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. - М. : «Металлургия», 1992 - 431 с.

Размещено на Allbest.ru

...