Фізико-хімічні основи термовакуумного випаровування та осадження матеріалів

РЕФЕРАТ

по ФХОТЕС

В«Фізико-хімічніоснови термовакуумного випаровування та осадження матеріалів В»

ЗМІСТ

Введення

1.Нанесення плівоку вакуумі

2.Методтермічного випаровування

3.Ступеня вакууму

4.Середня довжинавільного шляху молекул

5.Вплив вакуумуна процес нанесення плівок

6.Вакуумні системи

6.1 Загальні відомості

6.2 Засоби отримання вакууму

6.3 Засоби вимірювання вакууму

Висновок

Література

Введення

Широке застосування врадіоелектроніці отримали тонкі металеві, напівпровідникові тадіелектричні плівки, вирощувані на неоріентірующіх і орієнтувальнихпідкладках.

Основними методамиотримання плівок на не орієнтувальних є вакуумне випаровування, іоннерозпорошення і хімічне осадження. [1]

Технологія нанесеннятонких плівок і створення вакууму в робочих камерах установок базуються намолекулярно-кінетичної теорії будови речовини.

Речовини в природіскладаються з дрібних часток - молекул, які можуть існуватисамостійно і володіють всіма властивостями даної речовини.

Спостереження за поведінкоюбудь-якої речовини показали, що його молекули знаходяться в постійному безладномурусі незалежно від того, в якому знаходиться стані речовина: рідкому,твердому або газоподібному. Цей рух обумовлено внутрішньої кінетичноїенергією речовини, яка пов'язана з його температурою. Тому безладнерух, в якому знаходяться молекули, називають тепловим, а теорію, що вивчаєтепловий рух молекул, - кінетичної теорії матерії.

Якщо тверде піддатинагріванню, то при деякій температурі воно почне роздрібнюють і перетворюватися врідина. При подальшому нагріванні рідина починає випаровуватися, перетворюючись

напар, тобто переходить в газоподібний стан.

розрідженому станігазу, тобто стан, при якому тиск газу в деякому замкненомугерметичному об'ємі нижче атмосферного, називають вакуумом. [2]

1. Нанесення плівок ввакуумі

Процес нанесення тонкихплівок у вакуумі полягає у створенні потоку частинок, спрямованого в бікоброблюваної підкладки, і подальшої їх конденсації з утвореннямтонкоплівкових шарів на поверхні, що покривається.

Таким чином, принанесенні тонких плівок одночасно протікають три основних процеси: генераціянаправленого потоку часток, що осідає речовини; проліт часток у розрядженому(Вакуумному) просторі від їх джерела до оброблюваної поверхні;осадження (конденсація) часток на поверхні з утворенням тонкоплівковихшарів.

У відповідності з цимвакуумні установки для нанесення тонких плівок, незважаючи на різноманіття їхпризначення і конструктивного оформлення, складаються з наступних основнихелементів: джерела генерації потоку часток осаждаемого матеріалу; вакуумнійсистеми, що забезпечує необхідні умови для проведення технологічногопроцесу; транспортно позиціонують пристроїв, які забезпечують введення підложок взону нанесення плівок та орієнтування оброблюваних поверхонь відноснопотоку частинок матеріалу, що наноситься.

Процес нанесення тонкихплівок у вакуумі складається з наступних операцій:

- установки та закріпленніпідлягають обробці підкладок на подложкодержателе при піднятому ковпаку;

- закриття (герметизації)робочої камери і відкачки її до потрібного вакууму;

- включенні джерела,створює атомарний (молекулярний) потік осаждаемого речовини;

-нанесенні плівкипевної товщини при постійно працюючих джерелі потоку часток івакуумній системі;

- вимиканні джерелапотоку частинок, охолодженні підкладок і напуску повітря в робочу камеру доатмосферного тиску;

- підйомі ковпака і зніманніоброблених підкладок з подложкодержателя.

2. Метод термічноговипаровування

Заснований на нагріві речовинв спеціальних випарниках до температури, при якій починається помітний процесвипаровування, і наступної конденсації парів речовини у вигляді тонких плівок наоброблюваних поверхнях, розташованих на деякій відстані відвипарника. Важливим фактором, що визначає експлуатаційні особливості іконструкцію установок термічного випаровування, є спосіб нагрівущо випаровуються,: резистивний (омічний) або електронно-променевої.

3.Ступінь вакууму

Вакуум - це станрозрядженого газу, якому відповідає область тиску нижче 10 5 Па, тобто нижче атмосферного тиску. Залежно від ступеня розрідження,розрізняють низький, середній, високий і надвисокий вакуум. Області тискугазів, відповідні различному вакууму, показані в таблиці 1. [3]

Таблиця 1.

Вакуум низький середній високий надвисокий p, Па

10 5 -10 2

10 2 -10 -1

10 -1 -10 -5

10 -5 -10 -10

р, мм рт.ст. 750-10

10-10 -3

10 -3 -10 -7

10 -7 -10 -12

4. Середня довжина вільногошляху молекул

Згідномолекулярно-кінетичної теорії, всі молекули (атоми) газів знаходяться впостійному хаотичному тепловому русі. Хаотичне русі молекулпояснюється їх взаємними зіткненнями. В результаті цього шлях молекул впросторі при їх тепловому русі являє собою ламану криву,складається з окремих прямолінійних ділянок. Ці ділянки відповідаютьпереміщенню молекули без зіткнення з іншими молекулами. Кожен злам шляхує результатом пружного зіткнення розглянутої молекули з іншогомолекулою.

Для простоти будемовважати, що після зіткнення молекула може з рівною імовірністю полетіти вбудь-яку сторону незалежно від свого первісного напрямку руху.

Шлях, прохідниймолекулою газу між черговими сутичками газу, не може бути однаковимчерез хаотичності теплового руху молекул. Тому говорять про середню шляху,скоюване молекулою газу між двома черговими сутичками.

Середня довжинапрямолінійних проміжків, з яких складається зигзагоподібний шлях молекулгазу, називається середньою довжиною вільного шляху молекули, позначається О» іє одним з найважливіших понять вакуумної техніки.

Очевидно, що значення О»залежить від концентрації молекул. При атмосферному тиску, коли концентраціямолекул висока, в результаті теплового руху вони дуже часто стикаютьсяодин з одним Чим нижче концентрація, тобто чим менше молекул міститься водиниці об'єму газу, тим рідше з взаємні зіткнення і більше О». Так якконцентрація молекул газу в обсязі пропорційна тиску ПЃ, значення О»назад пропорційно тиску газу.

Нижче наведена середнядовжина вільного шляху молекул повітря при 20 Вє С і різних тисках,яку можна розрахувати за формулою

λ = 5 • 10 -1 /ρ.

Таблиця 2.

ПЃ, Па (мм рт.ст.)

10 5

(760)

10 1

(10 -1 )

10 0

(10 -2 )

10 -1

(10 -3 )

10 -2

(10 -4 )

10 -3

(10 -5 )

10 -4

(10 -6 )

О», ...см

7,2 • 10 -6

0,055 0,55 5,5 55 550 5500

З формули і таблиці 2випливає, що в міру видалення повітря з об'єму, тобто зменшення тиску, О»збільшується. Причому може наступити такий момент, коли взаємні зіткненнямолекул практично припиняться і будуть відбуватися лише їх зіткнення зістінками посудини (камери).

Щоб визначити видзіткнень молекул газу, необхідно визначити співвідношення між середньоюдовжиною вільного шляху молекул О» і характерним розміром d - діаметромсудин циліндричної форми і довжиною меншою боку судин прямокутноїформи (квадратна камера). Ставлення О»/d є критерієм поділувакууму на низький, високий та середній.

При низькому вакуумісередня довжина вільного шляху молекул О» значно менше характерногорозміру посудини d, тобто О» <

Високий вакуумхарактеризується тим, що середня довжина вільного шляху молекул О»значно більше характерного розміру посудини d, тобто О»>> d. При високому вакуумі в сильно розрядженому газі хоча ізберігається хаотичний характер руху молекул, але взаємодія між нимичерез малу кількість практично зникає і вони рухаються прямолінійно вмежах наданого об'єму, стикаючись в основному зі стінками посудини.Вдарившись об стінку посудини і пробувши дуже малий час в адсорбованомустані, молекули відриваються і летять у випадкових напрямках. Томудеякі частини стінок посудини можуть бути вільні від шару адсорбованихмолекул газу.

Середній вакуум характеризуєтьсятим, що середня довжина вільного шляху молекул О» приблизно дорівнюєхарактерному розміру судини d,тобто О» ≈ d. При чомуможливі траєкторії руху молекул, частково властиві умовам низького, ачастково високого вакууму.

5. Вплив вакууму напроцес нанесення плівок

Процеси, що відбуваютьсяпри нанесенні тонких плівок, багато в чому визначаються середньою довжиною вільногошляхи частинок осаждаемого речовини. Для аналізу процесів, що відбуваються принанесенні тонких плівок має співвідношення О» в /d ип . При цьому під О» в розуміють довжину вільного шляху частинок потоку наносимого речовини, що вийшов зджерела, а під d ип - відстань від джерела допідкладки.

При нанесенні плівок всередньому вакуумі частинки осаждаемого речовини мають різний характер руху.Частина з них при русі у напрямку до підкладки зазнає великекількість зіткнень з молекулами газу, і траєкторія їх руху має виглядламаної лінії. При цьому повністю порушується первісна орієнтуванняруху частинок. В результаті деякі частинки після низки зіткненьпотрапляють на підкладку. Частина частинок потрапляє на неї без зіткнень. Деякічастинки не потрапляють на підкладку, а конденсуються на стінках камери, утворюючирівномірне плівкове покриття. Зіткнення окремих часток може привести навітьдо осадження плівки на зворотному боці підкладки.

При нанесенні плівок ввисокому вакуумі частинки осаждаемого матеріалу летять незалежно один від одного попрямолінійним траєкторіях без взаємних зіткнень і зіткнень з молекуламигазу, не змінюючи свого напрямку, на стінках камери і поверхні підкладки.

Умови вакууму впливають назростання плівок наступним чином.

перше, якщо вакуум недосить високий, помітна частина часток, що летять з джерела потоку,зустрічає молекули залишкового газу і в результаті зіткнення з нимирозсіюється, тобто втрачає первинний напрям свого руху і непотрапляє на підкладку. Це істотно знижує швидкість нанесення плівки напідкладку.

друге, залишковігази в робочій камері, що поглинаються зростаючої на підкладці плівці в процесі їїзростання, вступають в хімічні реакції з наносимим речовиною, що погіршуєелектрофізичні параметри плівки (підвищується її опір, зменшуєтьсяадгезія, виникають внутрішні напруги та ін.)

Таким чином, чим нижчевакуум і чим більше в залишковою атмосфері вакуумної камери домішки активнихгазів, тим сильніше їх негативний вплив на якість наносяться плівок, атакож на продуктивність процесу. [4]

6. Вакуумні системи

6.1 Основні відомості

Основним елементомвакуумних систем є насоси, які призначені для створення необхідноговакууму в камерах установок, а також для підтримки робочого тиску припроведенні технологічного процесу. В установках для виготовленнятонкоплівкових структур ІМС застосовуються механічні форвакуумний ідвороторного насоси, пароструминні дифузійні, а також криогенні ітурбомолекулярні насоси.

При виробництві ІМС втехнології нанесення тонких плівок потрібно створювати тиску від 10 5 Па (атмосферний) до 10 -5 Па і нижче.

Жоден із зазначенихнасосів не може самостійно забезпечити відкачку від атмосферного тиску довисокого вакууму з наступних причин. По-перше, при такому широкому діапазонітисків істотно відрізняються умови відкачування і, по-друге, кожен насосволодіє вибірковістю по відношенню до газу, що входять до складу повітря.

Для створення технологічноговакууму 10 -5 Па включають каскадно кілька насосів різних типів.Крім того, для кожного інтервалу тисків і для різних газів існують своїметоди відкачування, не оптимальні для інших умов.

Переходячи до вивченнявакуумних насосів, перш за все розглянемо їх основні параметри - граничнезалишкове тиску, яке зазвичай наводяться в паспортних даних.

Граничне залишковетиск - це найменше тиск, який може бути створено даними насосомпри закритому вхідному патрубку. При цьому мається на увазі, що відсутнянатікання в насос ззовні, з боку його вхідного патрубка. Цей параметробумовлює неможливість побудови насоса, який сам не був навіть дужеслабким постачальником газів у вакуумну систему.

Швидкість дії - цеобсяг газу, що відкачуються в одиницю часу при даному тиску на вході в насос(У перетині вхідного патрубка). Найбільш поширеними одиницями вимірушвидкості дії є м 3 /год і л/с. По стабільності швидкостідії при зміні тиску можна судити про якість насоса, яке тимвище, чим менше зміняться швидкість дії при зменшенні тиску у вхідномупатрубку.

Найбільший тискзапуску - це найбільший тиск у вхідному патрубку, при якому насоспочинає нормально працювати, тобто відкачувати з'єднані вакуумну камеру.

Вакуумні насоси можна поцим параметром розділити на дві групи. До першої відносяться насоси, найбільшутиск запуску яких дорівнює атмосферному (механічні форвакуумний). Підвтору входять насоси, що вимагають для роботи попереднього розрядки, яказазвичай створюється додатковим насосом, званим насосом попередньоговакууму (механічним форвакуумним). Насос попереднього вакуумуприєднують впускним патрубком до випускного патрубка насоса, що потребуєпопередньому розрідженні.

Найбільше випускнетиск - це найбільший тиск у вихідному патрубку, при якому насос щеможе виконувати відкачку (тобто при перевищенні якого відкачка припиняється).Для механічних форвакуумних насосів воно перевищує атмосферний, а для насосів,вимагають попереднього розрядження, приблизно дорівнює найбільшому тискузапуску.

6.2 Засоби отриманнявакууму

Основним елементомвакуумних систем є насоси. Розрізняють механічні форвакуумний ідвороторного насоси, пароструминні дифузійні, а також криогенні ітурбомолекулярні насоси.

Механічні форвакуумнийі двороторного насоси.

Насоси цих двох типівмають однакові принципи дії, засновані на переміщенні газу внаслідокмеханічного руху їх робочих частин, при якому відбувається періодичнезміна обсягу робочої камери.

Механічні форвакуумнийі двороторного насоси працюють в області середнього вакууму, т.е... при тиску від10 2 до 10 -2 Па.

Застосовуються в вакуумнихустановках для створення вакууму близько 10 -1 Па при швидкості діїпорядку одиниць і десятків літрів в секунду. Найбільшого поширення набулипластично-роторні механічні насоси з масляним ущільненням, основнимиконструктивними елементами яких є корпус, камера і ротор.Механічні двороторного насоси (насоси Рутса) застосовують у вакуумних системахдля створення тиску порядку 10 -2 Па, при швидкості дії 50 л/с,тобто забезпечують вакуум, при якому механічні пластинчастої-роторні насосине ефективні.

Дифузійні паромаслянінасоси.

Є найбільш поширенимиВисоковакуумні насосами, широко застосовуються в різних областях вакуумноїтехніки.

паромасляні насосидозволяють створювати вакуум до 10 -5 Па.

паромасляні насоси непрацюють без попереднього механічного насоса, під'єднується до їхвихідного патрубка і забезпечує попереднє розрядження, а також безводяного охолодження кожуха. Припинення подачі води у водяну сорочку можепривести до перегріву насоса і згорянню масла, а отже до порушеннянормальної роботи.

Недолік дифузійнихпаромасляних наос - можливість попадання в відкачуємо робочий об'єммолекул масла, що може відбуватися двома шляхами: прольотом в паровій фазі таміграцією по стінках вакуумних трубопроводів. Так як проникли втехнологічний обсяг молекули масла осідають на підкладках і забруднюютьнаносяться плівки, такі насоси застосовують у технологічних установках тільки впоєднанні з пастками парів масло.

Кріогенні насоси.

Є безмаслянихзасобами відкачування і тому набули найбільшого поширення при нанесеннітонких плівок.

Кріогенні насосидозволяють створювати вакуум до 10 -5 .

Принцип дії цихнасосів заснований на фізичних явищах, що відбуваються при наднизьких - кріогенних(120-4 К) температурах: конденсації на охолоджених металевих поверхняхгазів в твердий стан і адсорбції (поглинання) їх твердими охолодженимипористими адсорбентами.

Найбільшепоширення набули криогенні насоси, охолоджувані газовими холодильнимимашинами - кріогенераторамі. Кріогенні насоси складаються з чотирьох основнихелементів: кріопанелі, захисного екрана, корпуса і системи охолодження -кріогенератора.

турбомолекулярні насоси.

в

При експлуатаціїПа.

В даний частиску.тисків.

газу.

регулювання.

газів.

Висновок

Для створення

Література

1.Книга 6.Стор. 112.

3.

[1]

[2]Книга 6.

[3]Стор. 9-10.

[4]Книга 6.

[5]Книга 6.