Способ резистивного испарения материалов электронной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет

имени Франциска Скорины»

Физический факультет

Кафедра оптики

Курсовая работа

Способ резистивного испарения материалов электронной техники

Исполнитель:

студент группы Ф - 33пр В.А. Смык

Руководитель проекта:

Доцент кафедры оптики Н.Н. Федосенко

Кандидат технических наук

Гомель 2016



Содержание

Введение

Глава 1. Технологические особенности формирования металлических покрытий резистивным способом

1.1 Общие сведения о формировании покрытий резистивным способом

1.2 Электрофизические свойства тонких плёнок

1.3 Оптические свойства тонких плёнок (значения n,k)

Глава 2. Методика формирования металлических покрытий на устройстве ВУП-5 и исследование спектрофотометрических характеристик

2.1 Общие сведения и устройство ВУП-5

2.1.1 Технические особенности работы ВУП-5

2.2 Общие сведения и устройство Спектрофотометра PHOTON RT

Глава 3. Изучение и расчёт основных технологических параметров металлических покрытий при резистивном испарении, и расчёт их спектральных характеристик

Заключение

Список используемой литературы



Введение

Впервые металлические покрытия были получены Фарадеем в 1857 г. при проведении экспериментов по пропусканию больших электрических токов через металлическую проволоку. В 1887 г. Нарволд на примере проволок из платины продемонстрировал возможность осаждения тонких металлических плёнок в вакууме с использованием джоулева тепла. До 50-х годов XX века вакуумная металлизация имела весьма ограниченное применение и использовалась, в основном, для декоративной обработки, при изготовлении зеркал, фильтров, элементов научных приборов. Бурное развитие эта технология получила в связи с ее эффективным применением при решении проблем микроэлектроники. Одновременно начала развиваться технологические методы и оборудование для нанесения вакуумных покрытий на машиностроительные материалы с целью повышения их эксплуатационных свойств. В 1959 г. была введена в эксплуатацию первая вакуумная линия, позволяющая наносить антикоррозионные покрытия (алюминия, кадмия, титана) на стальную фольгу. В настоящее время благодаря развитию, в основном, вакуумной техники методы осаждения покрытий в вакууме получили широкое распространение и в ряде случаев являются единственными эффективными технологическими приемами повышения долговечности и износостойкости машиностроительных изделий. Они по сравнению с другими методами нанесения функциональных слоев (например, гальваническими, химическими, газо-термическими) характеризуются следующими преимуществами:

1. Высокая производительность процесса нанесения покрытия. Разработаны установки, в которых осаждение покрытия осуществляется со скоростью до 20 кг/мин. Скорость перемещения ленты в зоне металлизации может достигать более 10 м/с. Имеются камеры непрерывного действия, которые позволяют осаждать покрытия на листы шириной более двух метров, перемещающиеся со скоростью до 10 м/с. Это стало возможным в ряде случаев благодаря автоматизации процесса, использованию ЭВМ.

2. Возможность получения покрытий в чистых условиях и, как следствие этого, достижение их высокого качества. Покрытия наносятся в вакууме при давлении Р=Па и ниже, что позволяет практически полностью исключить загрязнения материала покрытия. Проведение предварительной обработки поверхности, например, тлеющим разрядом, обеспечивает удаление с поверхности адсорбированных слоев технологических газов.

3. Возможность нанесения многослойных и комбинированных покрытий в едином технологическом цикле. Например, с целью повышения износостойкости на рабочие поверхности режущего инструмента за один цикл откачки воздуха в вакуумной камере наносят многослойное покрытие на основе Ti, TiN, TiCN, TiC.

4. Высокая воспроизводимость структуры и свойств формируемых слоев. Полное исключение водородной хрупкости, которая характерна, например, для гальванических покрытий.

5. Вакуумные технологии нанесения покрытий являются экологически чистыми. При их реализации, как правило, не используются химически активные вещества, вредное экологическое воздействие на окружающую среду практически отсутствует[5].



Глава 1. Технологические особенности формирования металлических покрытий резистивным способом

1.1 Общие сведения о формировании покрытий резистивным способом

Существует несколько разновидностей термического напыления тонких пленок. Выбор того или иного способа зависит от поставленной задачи и материала мишени. К основным методам термического напыления можно отнести обычный резистивный нагрев испарителя и лучевые методы: лазерный и электроннолучевой. Резистивный метод основан на использовании Джоулевого тепла при пропускании тока через нагреватель. Лучевые методы используют энергию квантов света и энергию ускоренных электронов. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Во всех случаях вещество мишени в результате фазовых превращений переходит из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное. Правда, имеется ряд веществ, которые могут сублимировать прямо из твердого состояния (цинк, кадмий, магний). Испарившиеся частицы мишени в условиях высокого вакуума не испытывают столкновений и оседают на подложку, которая обычно прогревается. Имея достаточную тепловую энергию частицы мишени, могут или резиспариться, или адсорбироваться на подложку, передавая ей часть своей энергии. В результате диффузионных процессов частицы могут мигрировать по поверхности подложки. Встретив на своем пути другую частицу, они могут объединиться, образуя постепенно группу, которая может стать центром кристаллизации или кластера. На начальном этапе формирования конденсата отдельные группы отдалены друг от друга. Таким образом, получается островковая структура, которая в дальнейшем трансформируется в сплошное покрытие по мере поступления конденсата. Структура покрытия на начальном этапе существенно зависит как от физических и механических свойств подложки, так и от ее температуры. Высокая температура подложки способствует миграционным процессам, т.е. увеличивается время диффузионного перемещения частиц, а значит, растет вероятность формирования более крупных образований (зерен и кластеров). В этом случае островковая структура может сохраняться достаточно долго, а вновь поступающие частицы идут на достройку зерен. На холодных и неориентированных подложках, например, аморфных, миграционные процессы менее выражены и островковая стадия заканчивается значительно раньше. При этом размер зерен меньше и пленка становится сплошной раньше, однако, в этом случае не следует ожидать от нее кристаллического строения. Более подробное описание механизма

формирования тонкой пленки на различных подложках будет приведено позже.

Система вакуумного резистивного напыления включает необходимые элементы: вакуумное оборудование, испаритель, подложка-держатель, нагреватели, источники питания, контрольно-измерительные приборы и др. Испаряемое вещество-мишень размещается на испарителе в виде токопроводящих лент, лодочек, спирали, нити или тугоплавких тиглей, косвенного нагрева. Проводящие испарители изготовляются из тугоплавких металлов: молибден и вольфрам. Пока испаритель выводится в рабочий режим, подложка экранируется поворотной заслонкой. Температура подложки играет существенную роль при формировании покрытия и ее чистоты. Осаждение паров вещества на подложку с низкой температурой выше, чем на горячую подложку. Однако время формирования структуры пленки снижается в виду низкой энергии миграции и диффузии атомов. С другой стороны, скорость напыления на горячую подложку уменьшается в результате процессов резистивного испарения. Современные без масляные вакуумные установки позволяют производить напыление при разряжении остаточных газов вплоть до 10-11 мм. рт.ст. Процесс термического резистивного напыления зависит от многих факторов: степени и чистоты вакуума, строения, чистоты и температуры подложки, химических свойств испарителя и мишени. При температуре испарения мишени, нагреватель не должен сам, заметно, испарятся и вступать в химическое взаимодействие с веществом мишени. Проблему нарушения стехиометрии тонкопленочного покрытия в методе резистивного испарения можно частично решить, используя разновидности этого метода. Так в режиме реактивного испарения, когда компоненты бинарного соединения имеют значительные расхождения давлений паров при одинаковой температуре, в вакуумную камеру вводят реактивный газ (кислород, азот, хлор и др.). Молекулы газа компенсируют дефицит данных элементов в бинарном соединении на подложке и тем самым способствуют формированию стехиометрических покрытий. Такую же задачу решают методы дискретного взрывного испарения и испарения с двух и более резистивных нагревателей. В методе дискретного испарения на перегретый испаритель сбрасываются небольшие порции вещества мишени. Происходит почти мгновенное испарение, при котором бинарное соединение не успевает диссоциировать и оседает на подложку. Однако в виду высоких тепловых энергий из испарителя могут лететь не только атомы

и молекулы, но и крупные частицы, ухудшающие характеристику конденсата. Напыление из двух источников уменьшает риск загрязнения подложки продуктами химического взаимодействия вещества мишени и нагревательного элемента, т.к. компоненты химического соединения мишени испаряются отдельно. Но в этом случае требуется предварительная отработка температурных и временных режимов. Следует отметить, что метод резистивного вакуумного напыления стал развиваться раньше других вариантов и, может быть, по этой причине разработан глубже и надежнее других методов вакуумного напыления. В настоящее время этот метод является основным в производстве элементов приборов электроники и микроэлектроники.

К достоинствам данного метода напыления тонких пленок можно отнести:

- относительная техническая простота;

- технологичность;

- высокий и относительно чистый вакуум, априори, не загрязняет подложку и конденсат;

- возможны сочетания с другими способами напыления;

- непосредственный технический контроль и регулирование параметров самого процесса напыления и конечного продукта обеспечивают воспроизводимость серийного продукта.

К недостаткам самого метода в чистом виде без привлечения других средств можно отнести:

- возможность загрязнения покрытий частицами испарителя;

- трудно испарять тугоплавкие вещества;

- возможно селективное испарение сложных по химическому составу веществ;

- требуется относительно длительное время для подготовки самого процесса вакуумного напыления.

Нагрев и испарение вещества, как уже отмечалось, осуществляются с помощью испарителей. Резистивные испарители в зависимости от их конструкции разделяют на проволочные, ленточные, тигельные.

Проволочные испарители характеризуются простотой конструкции и технологии изготовления. В качестве материала испарители, как правило, используются тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, тантал и др. Форма испарителя может быть различной. Некоторые наиболее часто встречающиеся на практике варианты конструкций проволочных испарителей приведены на рисунке:



а - нить в виде шпильки; б-синусоидальная нить; в-многожильная спираль; г-стержневой вольфрамовый нагреватель; д-коническая спираль

Диаметр проволоки -0,5-1,5 мм, и она должна быть равномерной по сечению, в противном случае возможен локальный перегрев и последующее разрушение[10].

Проволочные испарители имеют следующие основные недостатки:

- не позволяют испарять порошки;

- испаряемые с помощью проволочных испарителей атомы вещества распространяются по всем направлениям и возможны его потери (коэффициент полезного использования испаряемого материала низок).

Ленточный испаритель изготовляется из тонких пластин, лент тугоплавких металлов и имеет на поверхности специальные углубления, в которые помещается испаряемое вещество. Они просты по своей конструкции и испаряют атомы металла в телесном угле 2р. Вместе с тем они менее экономичны по сравнению с проволочными испарителями.

1.2 Электрофизические свойства тонких плёнок

Тонкие пленки в силу своих структурных и других особенностей обладают свойствами, в том числе и электрофизическими, существенно отличающимися от свойств массивных образцов, в которых основные характеристики носят усредненный, интегральный характер[1].

Из-за своей волновой природы электроны могут проходить сквозь совершенную решетку без затухания, поэтому удельное сопротивление является мерой совершенства структуры кристаллической решетки. В реальности, по ряду причин совершенной структуры не бывает, поэтому электроны подвергаются рассеянию, среднее расстояние, которое электроны проходят между соударениями, называется средним свободным пробегом. Даже если решетка не имеет структурных дефектов, но вследствие тепловых колебаний атомов около своих средних положений решетка не будет совершенной для дрейфа электронов. Электроны будут взаимодействовать с различными видами колебаний решетки (фононами), что и будет определять электросопротивление[3].

По электропроводности медь среди прочих материалов стоит на втором месте после серебра. Свойства меди, и особенно ее электропроводность, зависят от распределения в ней различных примесей, причем сотые и тысячные доли процента примеси могут резко снижать тепло- и электропроводность материала[1].

Еще в ХIX веке было обнаружено, что электрическая проводимость металлических пленок меньше проводимости соответствующих массивных образцов. Первая работа, в которой количественно изучалось влияние толщины металлических пленок на их электропроводность, принадлежит Томпсону. Согласно его теории проводимость металлов прямо пропорциональна средней длине свободного пробега электронов. Поскольку в тонких пленках их поверхности налагают дополнительные ограничения на траектории свободного движения электронов, то проводимость пленки должна быть меньше объемной проводимости. Полученная Томпсоном формула для проводимости у тонкой пленки, отнесенной к объемной проводимости , имеет вид:

,

где k - отношение толщины пленки d к длине свободного пробега ? электрона в массивном металле. При выводе этой формулы не учитывались электроны, начинающие движение с поверхностей пленки.

Теория, в которой, наоборот, все электроны начинают движение с поверхностей и которая, стало быть, применима лишь к очень тонким пленкам, была построена Ловеллом. Эта теория дает следующую формулу для относительной проводимости:

,

Однако обе теории не учитывают статистического разброса длин свободного пробега электронов относительно их среднего значения. Такой учет был последовательно проведен Фуксом и Зондгеймером [2].

1.3 Оптические свойства тонких плёнок (значения n,k)

Показатель преломления является одной из основных оптических характеристик. Он определяет скорость распространения световой волны в веществе. Знание его необходимо для материалов, используемых в оптике.

В отличие от диэлектриков и полупроводников в металлах большое число электронов слабо связано с атомами металла, и эти электроны считают свободными. Наличием свободных электронов объясняются особенности отражения света от металлической поверхности. Вторичные волны, вызванные вынужденными колебаниями свободных электронов, порождают сильную отраженную волну, интенсивность которой может достигать 95% (и даже больше) интенсивности падающей, и сравнительно слабую волну, идущую внутрь металла. Так как плотность свободных электронов весьма значительна (~ 10²² в 1 см³), то даже очень тонкие слои металла отражают большую часть падающего на них света. Та часть световой энергии, которая проникает внутрь металла, испытывает в нем поглощение.

Какая доля света не пропускается металлом, вследствие отражения и какая задерживается в нем благодаря поглощению, зависит от его проводимости. В идеальном проводнике поглощение равно нулю, так что падающий свет полностью отражается. К такому идеалу приближаются серебряные пленки. В металлах хуже проводящих, например, в железе отражение может составлять всего лишь 30-40%, так что непрозрачная пленка железа толщиной не более доли микрона поглощает около 60% падающего на нее света.

Таким образом, характерная особенность металла, состоящая в его высокой отражательной способности и проявляющаяся в наличии особого "металлического" блеска чистой поверхности, связана с его электропроводностью. Чем больше коэффициент электропроводности, тем, в общем случае, выше отражательная способность металлов.

Экспериментально полученная таблица отражательной способности металлов была измерена с помощью гелий-неонового лазера на длине волны 600 нм:

Металл	R,%	с, 10-6 Ом·см
Серебро	98.4	2.07
Медь	92.8	2.28
Золото	91.9	2.89
Алюминий	91.0	3.86

Но высокие значения коэффициента отражения можно получить лишь для пленок, полученных в оптимальных условиях. Факторами, влияющими на коэффициент отражения, являются: скорость напыления, давление во время напыления, толщина напылённой пленки, температура подложки, угол падения вещества, степень чистоты испаряемого материала и, наконец, старение полученного покрытия на воздухе.

Глава 2 Методика формирования металлических покрытий на устройстве ВУП-5 и исследование спектрофотометрических характеристик

2.1 Общие сведения и устройство ВУП-5

ВУП-5 - Вакуумный универсальный пост.

1-рабочая камера; 2-вентиль для напуска воздуха: 3-высоковакуумный затвор; 4-ловушка; 5-деффузионный насос: 5-форвакуумиый насос: 7-вентиль для напуска воздуха в насос; 8-вентиль.

Прибор выполнен одной стойкой, в которой размещены рабочий объем, предназначенный для препарирования объектов; вакуумная система, предназначенная для получения требуемого режима в рабочем объеме; блоки питания устройств и приставок и пульты управления.

Стойка разделена перегородкой на две части, в одной из которых размещена вакуумная система с электромагнитными клапанами для ее коммутации, преобразователи ПМТ-4М или ПМТ-2, ПМИ-3 для контроля вакуума и автоматического управления вакуумной системой, вентиль пьезоэлектрической и баллон с аргоном. В другой части стойки размещены блоки питания устройств и приставок и трансформаторы накала испарителей.

Для удобства монтажа, профилактических и ремонтных работ предусмотрены съемные задние и боковые щитки, а впереди открывающиеся двери обеих частей, а также легкосъемные платы управления прибором, собранные в единой кассете.

На стойке размещены рабочий объем и пульт управления и индикации режимов работы прибора. Все блоки питания, пульты управления, кассеты с печатными платами имеет электрическую связь через жгуты и кабели, уложенные в обеих частях стойки.

Оригинальным в конструкции вакуумной системы является высоковакуумный клапан. Клапан устанавливается на столике рабочего объема. Он содержит заслонку, рычаг и привод. Атмосферное давление, воздействующее на верхнюю часть плунжера, перемещает его с тягой вниз, сжимая пружину. Левая часть рычага с заслонкой поднимается и соединяет диффузионный насос с рабочим объемом.

Для подготовки к исследованию имеются устройства и приставки. Эти устройства и приставки устанавливаются в рабочем объеме в зависимости от выбора методики подготовки отбора. Каждое из устройств имеет вакуумное конструкцию и легко заменяется, одно другим. Все операции по подготовки объекта контролируются с помощью индикаторных приборов и других методов контроля.

Основными операциями по подготовки объектов можно назвать термическое испарение вещества с помощью резистивных и электронного испарителей, а так же ионную обработку объектов.

резистивный покрытие вакуумный пленка

Схема процесса термического напыления:

Рабочая камера вакуумной установки представляет собой цилиндрический металлический или стеклянный колпак (1), который устанавливается на опорной плите (7). Между колпаком и плитой находится резиновая прокладка, обеспечивающая вакуум плотное соединение. Внутри рабочей камеры расположены: подложка (4), которая закрепляется на держателе (3), нагреватель подложки (2) испаритель (6) для нагрева напыляемых веществ. Между испарителем и подложкой устанавливается заслонка (5), позволяющая в нужный момент прекращать попадание испаряемого вещества на подложку. Рабочая камера откачивается вакуумным насосом. Остаточное давление под колпаком измеряется специальным прибором - вакуумметром. Давление измеряется в мм. рт. ст.

Процесс термического напыления в вакууме разбивается на три этапа

1. Испарение вещества.

2 Распространение паров испаряемого вещества.

3. Конденсация паров испаряемого вещества на подложке и образование пленочной структуры.



2.1.1 Технические особенности работы ВУП-5

При включении питания на ВУП-5 включается вентилятор охлаждающий систему.

Включением кнопки откачки, начинается работа форвакуумного насоса, который создает предварительный вакуум порядка Па.

После предварительной откачки включается диффузионный насос. Предельный вакуум, создаваемый ВУП-5 с данными типами насосов, составляют порядка Па[4].

2.2 Общие сведения и устройство Спектрофотометра PHOTON RT-190-4900

Блок схема спектрофотометра:



Спектрофотометр - прибор, предназначенный для измерения спектров пропускания или спектров отражения излучения. Спектрофотометр является основным прибором, используемым в спектрофотомерии[15].



Глава 3. Изучение и расчёт основных технологических параметров металлических покрытий при резистивном испарении, и расчёт их спектральных характеристик

Данные полученные и рассчитанные в ходе эксперимента:

Алюминий

Температура плавления = 660

Время осаждения = 5 с.

Приложенный ток = 100 А.

Расстояние от в-ва до подложки = 70 мм

Толщина пленки = 1 мкм

Скорость осаждения пленки

Графики отражения и пропускания:

по оси y:= R, %; по оси x: = л, нм, где- R- коэф. отражения, л- длина волны

по оси y:=k,%; по оси x:= л, нм, где k- коэф. Пропускания



Медь

Температура плавления =1083

Время осаждения =7 с.

Приложенный ток = 200 А.

Расстояние от в-ва до подложки - 70 мм

Толщина пленки 1.3 мкм

Скорость осаждения пленки

Графики отражения и пропускания:

по оси y:= R, %; по оси x: = л, нм, где- R- коэф. отражения, л- длина волны

по оси y:=k,%; по оси x:= л, нм, где k- коэф. Пропускания



Висмут

Температура плавления =271

Время осаждения = 10 с.

Приложенный ток = 100 А.

Расстояние от в-ва до подложки = 70 мм

Толщина пленки = 1.4 мкм

Скорость осаждения пленки

Графики отражения и пропускания:

по оси y:= R, %; по оси x: = л, нм, где- R- коэф. отражения, л- длина волны

по оси y:=k,%; по оси x:= л, нм, где k- коэф. пропускания



Заключение

В ходе выполнения дипломной работы проведён литературный обзор по способам резистивного испарения материалов электронной техники. Изучены методики термовакуумного нанесения тонких металлических покрытий. В процессе выполнения курсовой работы были решены следующие задачи:

- Изучены способы и методы нанесения металлических покрытий резистивным (термовакуумным) способом;

- выполнен ряд экспериментов по нанесению тонких плёнок металлов (Al, Cu, Bi) на прозрачные покрытия (SiО2);

- Были измерены и зафиксированы спектральные характеристики металлических покрытий.

Полученные тонкоплёночные материалы имеют очень высокую отражательную способность:

Для алюминия он составляет

при л= 800 нм

при л= 1000 нм

Для меди он составляет

при л= 400 нм

91.9% при л= 1000 нм

Для висмута он составляет

при л= 400 нм

% при л= 1000 нм

где R - коэффициент отражения.



Список литературы

1. Отчет об испытаниях электрофизических свойств образцов тонких пленок на стеклянных подложках. Санкт-Петербург 2006г.

2. Электрохимия тонких металлических плёнок. Москва 2011

3. http://studopedia.su/14_17459_issledovanie-opticheskih-svoystv-tonkih-plenok.html

4. Минайчев В.Е. Вакуумное оборудование для нанесения пленок.

5. http://referatwork.ru/refs/source/ref-116018.html

6. http://www.ngpedia.ru/id66216p1.html

7. Технология тонких пленок. Москва 1977 г

8. Получение и свойства тонких пленок. Киев 1982 г.

9. Вакуум и тонкие пленки: курс лекций для студентов вузов по специальности Физика (научно-педагогическая деятельность)

10. Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких пленок. Берлин Е.В.., Сейдман Л.А.

11. Вакуумное нанесение тонких пленок. Данилин Б.С.

12. Технология тонких пленок: учебное пособие. Антоненко С. В.

13. Тонкие пленки/ Химическая энциклопедия. - М.: Большая Российская энциклопедия.

14. Расчет оптических характеристик пленок. Черемухин Г.С. 1976

Размещено на Allbest.ru

...