Звіт з виробничої практики "Методи одержання тонкоплівкових матеріалів"

а б

Рис. 2. 7. Стрічкові випарники непрямого нагріву: а – із заглибленням у вигляді півсфери; б – човникового типу [1].

 

Випарник з поглибленням у вигляді півсфери, призначений для випаровування відносно малих кількостей речовини (рис. 2. 6. а). Для зниження теплового потоку із зони випаровування до затискачів по краях є стоншування перетину. Випарники човникового типу (рис. 2. 6. б) призначені для випаровування відносно великих кількостей речовини, щоб компенсувати деформації його профіль ускладнений відгином лапок [9].

Якщо для металів, завдяки їх високій теплопровідності, випаровування у вакуумі є явище поверхневе, то для таких неметалевих речовин поганої теплопровідності, як діелектрики, існує велика ймовірність їх розбризкування при форсованому випаровуванні. У цих випадках застосовують випарники коробчатого типу, виконані з стрічки товщиною 0, 1 мм у вигляді коробочки, в яку засипають випаровуючу речовину. Зверху коробочка закривається одношаровим або двошаровим екраном з отворами, через які проходять пари.

 

Рис. 2. 8. Випаровувач непрямого нагріву коробкового типу: 1 – коробочка, 2 – потік парів, 3 – екран, 4 – пари речовини, 5 – речовина [1]

 

Існують також лабіринтні випарники які мають форму, яка виключає прямий шлях для виходу великих частинок речовини в момент вибухового випаровування [1].

Тигельні випарники використовують, як правило, для випаровування великих кількостей сипучих діелектричних матеріалів. Тиглі виготовляють з тугоплавких металів, кварцу, графіту, а також керамічних матеріалів (нітриду бору, оксиду алюмінію корунду).

 

Рис. 2. 9. Тигельні випарники: 1-спіраль; 2-тигель [1]

 

Експлуатаційним недоліком тигельних випарників є те, що вони інерційні, так як мала теплопровідність матеріалу, з якого виготовляють тигель, не забезпечує швидкого нагрівання випаровуваної речовини [9].

Електронно-променевий випарник. В електронній гарматі відбувається емісія вільних електронів з поверхні катода і формування їх у пучок під дією прискорюючих і фокусуючих електростатичних і магнітних полів. Через вихідний отвір гармати пучок виводиться в робочу камеру.

 

Рис. 2. 10. Електронно-променевий випарник: 1-полюсный наконечник; 2-электромагніт; 3-водооходжуваний тигель; 4-випаровуваний матеріал; 5-потік накошуваного матеріалу; 6-термокатод; 7-фокусуюча система; 8-електронний промінь; 9-плівка; 10-підкладка [1]

 

Для проведення електронного пучка до тиглю з випаровуваним матеріалом і забезпечення параметрів пучка, необхідних для даного технологічного процесу, використовують головним чином магнітні фокусуючі лінзи і магнітні відхиляючі системи.

Безперешкодне проходження електронного пучка до об'єкта можливо тільки у високому вакуумі. Випаровуваний матеріал нагрівається внаслідок бомбардування його поверхні електронним пучком до температури, при якій випаровування відбувається з необхідною швидкістю. Випарний пристрій доповнюють засобами вимірювання та контролю, які особливо важливі для управління електронного пучка в процесі напилення. Для уникнення утворення плівок на катоді його розташовують горизонтально і відхиляють електронний пучок на випаровуваний матеріал за допомогою різних систем, що забезпечують поворот на кут до 270 ° [1].

 

 

В ході виробничої практики були одержані плівки деяких металів, а також проведені їх дослідження. Всі зразки були одержані за допомогою вакуумної установки ВУП-5М (граничний вакуум 1, 310-4 Па). При виготовленні плівок застосовувався метод термічного випаровування з конденсацією на скляні підкладки (для вимірювання товщин) та сколи солі (для електронно-мікроскопічних досліджень).

Вимірювання товщин можуть проводитися такими методами як еліпсометрія, імерсійна спектрофотометрія, оптичні методи вимірювання товщини та ін. Товщини одержаних плівок вимірювалися інтерферометричним методом, похибка вимірювання таким методом складає не більше 10%.

 

Таблиця 2.2

Експериментальні дані

Матеріал плівкиТемпература плавлення, К Товщина, нмШвидкість напилення, нм/с

Al932328

Cu1350305

Cr2073357

 

Результати вимірюваня товщини плівок:

а б   

в

Рис. 2. 11. Інтерферометрична картина: а – Al; б – Cr; в – Cu

 

Результати представлені в таблиці 2. 2.

Для проведення досліджень кристалічної структури зразків застосовувався електронний мікроскоп ПЕМ-125.

Плівка алюмінію (Al) була одержана методом термічного випаровування із застосуванням випарника непрямого нагріву дротяного типу з циліндричною спіраллю. Матеріал випарника – вольфрам (W). Умовна температура випаровування 1320 К. Алюміній має гранецентровану кубічну структуру із сталою решітки 0, 405 нм. Швидкість випаровування речовини в грамах на 1 см2 вільної поверхні при умовній температурі випаровування – 910-5 г/ (см2 с).

 

Рис. 2. 12. Мікроструктура та дифракційна картина від плівки Al (32)

 

Рис. 2. 13. Мікроструктура та дифракційна картина від плівки Cr (35)

 

Плівка хрому (Cr) була одержана методом термічного випаровування із застосуванням випарника непрямого нагріву коробчатого типу. Матеріал випарника – вольфрам (W). Умовна температура випаровування 1478 К. Слід зазначити що температура плавлення хрому 2073 К, а це означає, що хром сублімує, тобто переходить із твердого стану в газоподібний оминаючи рідку фазу. Хром має об’ємоцентровану кубічну структуру із сталою решітки 0, 288 нм. Швидкість випаровування речовини в грамах на 1 см2 вільної поверхні при умовній температурі випаровування – 12, 510-5 г/ (см2 с).

 

Рис. 2. 14. Мікроструктура та дифракційна картина Cu (30)

 

Плівка міді (Cu) була одержана методом термічного випаровування із застосуванням стрічкового випарника непрямого нагріву човникового типу. Матеріал випарника – вольфрам (W). Умовна температура випаровування

1546 К. Мідь має гранецентровану кубічну структуру із сталою решітки

0, 361 нм. Швидкість випаровування речовини в грамах на 1 см2 вільної поверхні при умовній температурі випаровування – 13, 410-5 г/ (см2 с).

 

 

Під час виробничої практики ознайомилися з вакуумною установкою ВУП-5М, її будовою, принципом роботи, технічними характеристиками. Отримані навички одержання тонких металевих плівок за допомогою установки ВУП-5М різними методами. В практичній частині роботи розглянуті методи одержання тонких плівок, які відносяться до термічного випаровування та іонного розпилення.

Методом термічного випаровування були одержані плівки алюмінію (за допомогою дротяного випарника), хрому (за допомогою коробкового випарника) та міді (за допомогою човникового випарника). Отримані на мікроскопі ПЕМ-125 знімки мікроструктури та електронограми плівок свідчать про те, що вони мають нанодисперсну структуру і приблизно однаковий розмір кристалів.

Оволоділи основами використання методу вільних масок, який широко використовується при виробництві плівкових та гібридних ІМС при нанесенні плівок термічним випаровуванням в вакуумі.

 

 

Минайчев В. Е. Нанесение пленок в вакууме / В. Е. Минайчев  Москва: Высшая школа, 1989. -110 с.

Проценко І. Ю. Фізика твердого тіла / І. Ю. Проценко, Н. І. Шумакова, Ю. М. Овчаренко – Суми: Вид-во СумДУ, 2002. -64с.

Однодворець Л. В. Основи мікроелектроніки: Навч. посібник / Л. В. Однодворець – Суми: Вид-во СумДУ, 2005. -107с.

Козырь И. Я. Технология полупроводниковых приборов и изделий / И. Я. Козырь, Ю. И. Горбунов – Москва: Высшая школа, 1989. -223с.

Кудинов В. В. Нанесение покритий напылением. Теория, технология и оборудование / В. В. Кудинов, Г. В. Бобров – Москва: “Металлургия”, 1992. -431с.

Бутовский К. Г. Напыление покрытия, технология и оборудование / К. Г. Бутовский, В. Н. Лясников – Саратов: “Саратовский госуд. техн. университет ”, 1999. -117с.

Проценко І. Ю. Тонкі металеві плівки (Технологія та властивості) / І. Ю. Проценко, В. А. Саєнко – Суми: Вид-во СумДУ, 2003. -187с.

Шпетний І. О. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу “Вакуумна техніка” / І. О. Шпетний, І. Ю. Проценко – Суми: Вид-во СумДУ, 2010. -46с.

Проценко І. Ю. Технологія одержання і застосування плівкових матеріалів / І. Ю. Проценко, Н. І. Шумакова – Суми: Вид-во СумДУ, 2008. -201с.