Методы термического испарения (стр. 1 из 3)
РЕФЕРАТ
по дисциплине: "ФХОТЭС"
на тему: "Методы термического испарения"
Оглавление
Метод термовакуумного напыления
Резистивное термическое испарение в вакууме
Обеспечение равномерности толщины пленки
Достоинства и недостатки термического испарения
Метод термовакуумного напыления
Метод получения тонких пленок термическим вакуумным напылением является универсальным и наиболее освоенным методом. Рассмотрим схему процесса термического напыления (рис.1).
Рис 1 Схема процесса термического напыления
Схема 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 вакуумплотное 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.
Испарение вещества. Испарение вещества происходит при его нагревании. При нагревании вещества кинетическая энергия его атомов и молекул возрастает и становится достаточной для того, чтобы они оторвались от поверхности и распространились в окружающем пространстве. С повышением температуры энергия увеличивается и количество молекул, отрывающихся от поверхности, возрастает.
Твердые вещества обычно при нагревании расплавляются, а затем переходят в газообразное состояние. Некоторые вещества переходят в газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией.
Температуру, при которой давление паров вещества над его поверхностью составляет 10-2мм рт. ст., называют температурой испарения вещества.
Скорость испарения вещества определяется количеством вещества, испаряемого с единицы площади в Iсек, и выражается формулой
(1)где Vисп - скорость испарения, г/ (см2сек); рs - давление насыщенного пара (10-2мм рт. ст.); М - молекулярный вес испаряемого вещества, г/моль; Т - температура испарения вещества, К.
В табл.1 приведены значения температуры плавления, кипения и испарения, а также давления паров и скорости испарения некоторых материалов.
Формула (1) для определения скорости испарения справедлива для так называемого молекулярного режима
Таблица 1
| Материал | обозначения | Температура плавления, 0С | Температура кипения, 0С | Давление паров при температуре плавления,мм рт. ст. | Температура испарения при давлении паров 10-2 мм рт. ст. | Скорость испарения 10-4, г/ (см2*сек) |
| АлюминийМедьНикельОловоСереброХром | А1СuNiSnAgCr | 660108314552329611900 | 206025902730240022102200 | 1,2 10-63 10-44,4 10-301,7 10-36,4 10-4 | 99612731510118910471205 | 0,851,181,061,561,671,1 |
Конденсация паров на подложке и образование пленочной структуры
Конденсацией называется процесс перехода материала из газообразной фазы в твердую. При конденсации на подложке образуется пленка сконденсированного материала.
Конденсация пленкина подложке зависит от температуры подложки. Существует такая температура подложки, называемая критической Ткр при превышении которой все атомы отражаются от подложки и пленка не образуется.
Исследования конденсации и роста пленки в начальный момент времени ее образования крайне важны, так как свойства пленки во многом определяются на этом этапе.
На процесс образования пленки влияет состояние поверхности подложки. Большое влияние оказывают также молекулы остаточных газов, которые нарушают условия конденсации и структуру образующейся пленки.
Молекулы остаточного газа находятся в беспорядочном тепловом движении и ударяются о любой участок поверхности, в том числе и о подложку. Степень загрязненности конденсируемой пленки определяется отношением числа молекул остаточного газа, ударяющихся о подложку, к числу молекул испаряемого вещества.
Молекулы остаточного газа, а в основномони являются молекулами воды Н2О, реагируя с напыленным металлом, окисляют его. Тонкий окисный слой, образующийся у поверхности подложки, улучшает адгезию напыляемой пленки к подложке. Поэтому пленки, которые окисляются лучше (хром, железо), имеют лучшую адгезию. Металлы, которые плохо поддаются окислению (золото, серебро), имеют плохую адгезию, и они обычно напыляются с подслоем другого металла, имеющую лучшую адгезию к подложке.
Резистивное термическое испарение в вакууме
Все вещества в зависимости от температуры нагрева могут находиться в одном из трех фазовых (агрегатных) состояний: твердом, жидком или газообразном (парообразном
Условной, практически установленной температурой испарения считается температура, при которой давление насыщенного пара вещества составляет приблизительно 1,3 Па.
Некоторые вещества имеют температуру испарения ниже температуры плавления, те. они достаточно интенсивно испаряются из твердого состояния. Процесс перехода вещества из твердого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу, называют сублимацией (возгонкой).
Двигаясь от испарителя к подложке с энергией, молекула при столкновении с подложкой отдает ей часть своей энергии. Другую часть своей энергии молекула тратит на миграцию по поверхности подложки, теряя постепенно эту энергию и стремясь к тепловому равновесию с подложкой, в то же время миграция молекулы вдоль подложки происходит в потенциальном поле, рельеф которого характеризуется наличием "бугров" и "ям" и представляет собой распределение сил связи (сил Ван-дер-Ваальса) по поверхности подложки.
В процессе миграции возможны следующие результаты:
1) встретив на пути движения потенциальную "яму" (сильная связь с подложкой), молекула теряет избыток энергии и фиксируется на подложке (конденсируется), становясь центром кристаллизации;
2) встретив на пути движения потенциальный "бугор" (слабая связь с подложкой) и обладая достаточным избытком энергии, молекула покидает подложку (реиспарение);
3) встретив на пути движения другую мигрирующую молекулу, она вступает с ней в сильную (металлическую) связь, в результате чего подвижность группы и вероятность ее десорбции значительно падают. При достаточно крупном объединении молекул такая группа полностью теряет способность мигрировать и фиксируется на подложке, становясь центром кристаллизации.
Вокруг отдельных центров кристаллизации происходит рост кристаллов, которые впоследствии срастаются и образуют сплошную пленку. Повышение температуры подложки при прочих неизменных условиях увеличивает энергию адсорбированных молекул, повышается вероятность десорбции одиночных молекул в потенциальных "ямах". Таким образом, устойчивыми могут быть только крупные групповые образования молекул. При достаточно высокой температуре подложки (называемой критической) вероятность реиспарения становится равной единице и конденсации не происходит. С увеличением скорости испарения критическая температура подложки возрастает, возрастает вероятность возникновения мелкокристаллической пленки, вплоть до аморфной.
Процесс испарения и качество нанесенных пленок в значительной мере определяются типом и конструкцией испарителей, которые могут иметь резистивный или электронно-лучевой нагрев.
метод термическое испарение
Резистивным нагревом называют нагрев электропроводящего тела, обладающего высоким электрическим сопротивлением при прохождении через него электрического тока.
Достоинства резистивного нагрева - высокий КПД, низкая стоимость оборудования, безопасность в работе и малые габаритные размеры. Факторами, ограничивающими применение испарителей с резистивным нагревом являются возможность загрязнения наносимой пленки материалом нагревателя, а также
малый ресурс работы из-за старения (разрушения) нагревателя, что требует его периодической замены.
Испарители этого типа различных конструктивных вариантов могут быть с непосредственным или с косвенным нагревом испаряемого вещества.
Материалы, используемые для изготовления испарителей, должны отвечать следующим требованиям:
1) испаряемость материала испарителя при температуре испаряемого вещества должна быть пренебрежимо малой;
2) для хорошего теплового контакта материал испарителя должен хорошо смачиваться расплавленным испаряемым веществом;
3) между материалом испарителя и испаряемым веществом не должны происходить никакие химические реакции, так как это приводит к загрязнению наносимых пленок и разрушению испарителей.
В испарителях с непосредственным нагревом ток в несколько десятков ампер проходит непосредственно через испаряемый материал. Такой метод испарения может быть применен только для сублимирующихся материалов, т.е. металлов, температура плавления которых выше температуры испарения