Звіт з виробничої практики "Методи одержання тонкоплівкових матеріалів"

 

1.1 Процес нанесення тонких плівок

1.2 Метод термічного випаровування

1.3 Метод іонного розпилення

2.1 Будова та принцип роботи ВУП-5М

2.2 Види випарників та їх застосування

2.3 Експериментальні результати

 

 

Вакуумна техніка широко застосовується як у багатьох галузях промисловості так і при наукових дослідженнях.

В останні десятиліття значний інтерес викликають дослідження фізичних процесів, що відбуваються у зразках малих розмірів, а саме тонких металевих плівках. Це обумовлено тим, що з розвитком науково-технічного прогресу з’явилась можливість отримувати тонкоплівкові матеріали з попередньо заданими фізичними властивостями. Завдяки цьому дослідження плівок важливі не лише з наукової точки зору, а й з практичної (виникла перспектива створення нових електронних приладів, широкого застосування ці об’єкти набули в багатьох галузях сучасної техніки).

Тонкі металеві плівки мають фізичні властивості які істотно відрізняються від властивостей масивних зразків такого ж матеріалу. Деякі фізичні властивості можна задати, впливаючи на процес одержання плівок. Ці параметри, значною мірою, визначаються методом одержання того чи іншого зразка. Існує досить велика кількість способів нанесення тонких плівок, але всі вони поділяються на термічне випаровування та іонне розпилення, можлива також комбінація цих методів.

Останнім часом тонкоплівкові технології стрімко розвиваються і є всі передумови для розвитку у майбутньому.

Мета роботи: дослідження механізмів вакуумної конденсації методом термічного випаровування на установці ВУП-5М.

 

 

 

Процес нанесення тонких плівок у вакуумі полягає в генерації потоку частинок, спрямованого в бік оброблюваної підкладки, і подальшої їх конденсації з утворенням тонкоплівкових шарів на поверхні, що покривається.

При нанесенні тонких плівок одночасно протікають три основних процеси: генерація направленого потоку частинок осаджуваної речовини; проліт частинок у розрідженому (вакуумному) просторі від їх джерела до оброблюваної поверхні; осадження (конденсація) частинок на поверхні з утворенням тонкоплівкових шарів.

 

Рис. 1. 1. Схема установки для нанесення плівок [1]

 

Типова установка нанесення тонких плівок у вакуумі (рис. 1. 1.) має каркас 11 на якому змонтовані вакуумна робоча камера 5 з джерелом 1, що наноситься, підкладкотримачем 4 з підкладками 3, а також вакуумна система 10. Системи електроживлення та управління установкою, як правило, розташовані в окремих шафах (стійках).

Робоча вакуумна камера 5 являє собою циліндричний ковпак з нержавіючої сталі, який підйомним механізмом може підніматися вгору для доступу до підковпачних пристроїв. У опущеному стані ковпак герметизується на базовій плиті 9 ущільнюючою кільцевою прокладкою 8 з вакуумної гуми. Кран 6 служить для напуску в камеру повітря, а датчик 7 – для вимірювання вакууму в її робочому просторі. Над джерелом 1, генеруючим потік 2 частинок матеріалу, що наноситься, розташований підкладкотримач 4, на якому кріпляться підкладки 3 з необхідною орієнтацією. Вакуумна система кріпиться до отвору в базовій плиті і призначена для відкачування робочої камери.

Процес росту плівки на підкладці складається з двох етапів: початкового і завершального. Розглянемо, як взаємодіють частинки, що наносяться у вакуумному просторі і на підкладці.

Покинувши поверхню джерела частинки речовини рухаються через вакуумне (розріджене) середовище з великими швидкостями (порядку сотень і навіть тисяч метрів за секунду) до підкладки і досягають її поверхні, віддаючи їй при зіткненні частину своєї енергії. Частка енергії, що передається тим менше, чим вище температура підкладки.

 

Рис. 1. 2. Взаємодія осаджуваних частинок з підкладкою: 1 – частинки в вакуумному середовищі; 2 – дуплет частинок в вакуумному середовищі; 3 -центр кристалізації; 4 – адсорбований дуплет частинок; 5 – рост кристаліту за рахунок мігруючих частинок; 6 – підкладка; 7 – поверхнева міграція частинок; 8 – адсорбована частинка [1]

Зберігши при цьому певний надлишок енергії, частинка речовини здатна переміщатися (мігрувати) по поверхні підкладки. При міграції по поверхні частинка поступово втрачає надлишок своєї енергії, прагнучи до теплової рівноваги з підкладкою, і при цьому може відбутися наступне. Якщо на шляху руху частинка втратить надлишок, своєї енергії, вона фіксується на підкладці (конденсується). Зустрівши на шляху руху потенціальний «бугор» (слабкий зв'язок з підкладкою) і володіючи достатнім надлишком енергії, молекула залишає підкладку (ревипаровування). Зустрівши ж на шляху руху іншу мігруючу частку (або групу частинок), вона вступить з нею в металевий зв'язок, створивши адсорбований дуплет. При досить великому об'єднанні такі частинки повністю втрачають здатність мігрувати і фіксуються на підкладці, стаючи центром кристалізації [1].

Металевий зв'язок утворюється тоді, коли електрони зближуються і орбіти валентних електронів перекриваються між собою. Усі валентні електрони рівномірно розподіляються у просторі між атомами, утворюючи електронний газ. Зв’язок між іонами виникає в результаті їх взаємодії з електронним газом [2].

Навколо окремих центрів кристалізації відбувається ріст кристалітів, які згодом зростаються і утворюють суцільну плівку. Зростання кристалітів відбувається як за рахунок мігруючих по поверхні частинок, так і в результаті безпосереднього осадження частинок на поверхню кристалітів. Можливе також утворення дуплетів у вакуумному просторі при зіткненні