Звіт з виробничої практики "Методи одержання тонкоплівкових матеріалів"

Різні забруднення у вигляді пилинок і слідів органічних речовин істотно спотворюють процес росту плівок і погіршують їх якість.

Утворенням суцільної плівки закінчується початковий етап процесу. Так як з цього моменту якість поверхні підкладки перестає впливати на властивості нанесуваної плівки, початковий етап має вирішальне значення в їх формуванні. На завершальному етапі відбувається ріст плівки до необхідної товщини.

При інших незмінних умовах ріст температури підкладки збільшує енергію, тобто рухливість адсорбованих молекул, що підвищує ймовірність зустрічі мігруючих молекул і призводить до формування плівки крупнокристалічної структури. Крім того, при збільшенні щільності падаючого пучка підвищується ймовірність утворення дуплетів і навіть багатоатомних груп. У той же час зростання кількості центрів кристалізації сприяє утворенню плівки дрібнокристалічної структури.

Конденсація плівки на підкладці залежить від температури підкладки. Існує така температура підкладки, яка називається критичною при перевищенні якої всі атоми відбиваються від підкладки і плівка не утворюється [1].

До підкладок існує ряд вимог серед яких: стійкість до температури, механічна міцність, високий питомий електричний опір ізоляції, високий коефіцієнт теплопровідності, відповідність коефіцієнта лінійного розширення до матеріалу плівки. В якості матеріалів для підкладок використовують скло, кераміку, ситал, фотоситал, а також полімерні матеріали (лавсан) тощо [3].

Дослідження конденсації і росту плівки в початковий момент часу її утворення вкрай важливі, оскільки властивості плівки переважно визначаються на цьому етапі.

На процес утворення плівки впливає стан поверхні підкладки. Великий вплив мають також молекули залишкових газів, які порушують умови конденсації і структуру плівки.

Молекули залишкового газу знаходяться в хаотичному тепловому русі і зіштовхуються з поверхнею у будь-якій її частині, у тому числі і з підкладкою. Ступінь забрудненості конденсованої плівки визначається відношенням числа молекул залишкового газу, що осідають на підкладці, до числа молекул випаровуваної речовини.

Процеси, що відбуваються при нанесенні тонких плівок, багато в чому визначаються ступенем вакууму в робочих камерах, який характеризується середньою довжиною вільного пробігу частинок осаджуваної речовини.

Якщо вакуум не достатньо високий, значна частина частинок, що летять від джерела потоку, зустрічає молекули залишкового газу і в результаті зіткнення з ними втрачає початковий напрямок свого руху і не потрапляє на підкладку. Це істотно знижує швидкість нанесення плівки.

 

Рис. 1. 3. Рух частинок речовини в умовах середнього (а) і високого (б) вакууму: 1 – робочий об’єм; 2, 9 – частинки осаджені на стінки камери; 3 – частинки осаджені на зворотню сторону підкладки; 4 – підкладка; 5, 10 – частинки осаджені на лицьову сторону підкладки без зіткнень; 6 – частинка осаджена на лицьову сторону підкладки після зіткнень; 7 – джерело випромінювання; 8-тінь від підкладки [1]

 

Залишкові гази в робочій камері, поглинуті зростаючою на підкладці плівкою в процесі її росту, вступають в хімічні реакції з речовиною яка наноситься, що погіршує електрофізичні параметри плівки (підвищується її опір, зменшується адгезія, виникають внутрішні напруження).

 

Рис. 1. 4. Взаємодія молекул газу з атомами осаджуваної речовини [1]

 

Чим нижче вакуум і чим більше в залишковій атмосфері домішків активних газів, тим сильніше їх негативний вплив на якість плівок, а також на продуктивність процесу [1].

Існує три основні методи отримання тонких плівок:

термічне випаровування;

іонне розпилення;

іонно-термічне розпилення.

Кожен з методів має свої особливості, переваги і недоліки. Найбільше поширення отримав метод термічного випаровування. [4]

 

 

Метод термічного випаровування полягає в нагріванні речовин у спеціальних випарниках до температури, при якій починається помітний процес випаровування, і подальшої конденсації парів речовин у вигляді тонких плівок на оброблюваних поверхнях, розташованих на деякій відстані від випарника. Робоча камера вакуумної установки (рис. 1. 5.) представляє собою циліндричний металевий або скляний ковпак 1, який встановлюється на опорній плиті 8. Між ковпаком і плитою знаходиться гумова прокладка 7, що забезпечує щільне з'єднання робочої камери з опорною плитою. Усередині робочої камери розташовані: підкладка 4, яка закріплюється на тримачі 3, нагрівач підкладки 2, випарник 6 для нагріву напилюваних речовин.

 

Рис. 1. 5. Схема термічного випаровування у вакуумі [4]

Між випарником і підкладкою встановлюється заслінка 5, що дозволяє в потрібний момент припиняти попадання випаровуваної речовини на підкладку. Робоча камера відкачується вакуумним насосом. Залишковий тиск під ковпаком вимірюється вакуумметром [4].

Процес термічного напилення в вакуумі розбивається на три етапи:

1. Випаровування речовини.

2. Поширення парів випаровуваної речовини.

3. Конденсація парів випаровуваної речовини на підкладці і утворення плівкової структури.

Умовною, практично встановленої температурою випаровування вважається температура, при якій тиск насиченої пари речовини становить приблизно 1, 3 Па.

Деякі речовини (Ti, Cr, Mg) мають температуру випаровування нижче температури плавлення. Вони досить інтенсивно випаровуються з твердого стану. Процес переходу речовини з твердого стану в пару, минаючи рідку фазу, називають сублімацією [1].

Процес випаровування і якість нанесених плівок значною мірою визначаються типом і конструкцією випарників. Всі випарники відрізняються між собою за способом нагріву випаровуваної речовини. За цією ознакою способи нагріву класифікуються наступним чином: резистивний, електронно-променевий і лазерний