Методи термічного випаровування

Тверді речовини зазвичай при нагріваннірозплавляються, а потім переходять в газоподібний стан. Деякі речовини переходятьв газоподібний стан, минаючи рідку фазу. Такий процес називається сублімацією .

Температуру, при якій тиск парівречовини над його поверхнею становить 10 -2 мм рт. ст ., називають температуроювипаровування речовини.

Швидкість випаровування речовини визначаєтьсякількістю речовини, испаряемого з одиниці площі в I сек, і виражається формулою

(1)

де V ісп - Швидкість випаровування, г/(см 2 сек); р s - Тиск насиченої пари (10 -2 мм рт. ст.); М - молекулярнавага испаряемого речовини, г/моль; Т - температура випаровування речовини, К.

У табл.1 наведені значення температуриплавлення, кипіння і випаровування, а також тиску парів і швидкості випаровування деякихматеріалів.

Формула (1) для визначення швидкостівипаровування справедлива для так званого молекулярного режиму

Таблиця1

Температура плавлення, 0 С

Температура кипіння, 0 С

Тиск парів при температурі плавлення,

мм рт. ст.

Температура випаровування при тиску парів 10 -2 мм рт. ст.

Швидкість випаровування 10 -4 , г/(см 2 * сек)

Алюміній

Мідь

Нікель

Олово

Срібло

Хром

А1

Сu

Ni

Sn

Ag

Cr

660

1083

1455

232

961

1900

2060

2590

2730

2400

2210

2200

1,2 10 -6

3 жовтня -4

4,4 10 -3

0

1,7 10 -3

6,4 10 -4

996

1273

1510

1189

1047

1205

0,85

1,18

1,06

1,56

1,67

1,1

конденсації називається процес переходуматеріалу з газоподібної фази в тверду. При конденсації на підкладці утворюєтьсяплівка сконденсованого матеріалу.

Конденсація плівки на підкладцізалежить від температури підкладки. Існує така температура підкладки, званакритичної Т кр при перевищенні якої всі атоми відбиваються від підкладкиі плівка не утворюється.

Дослідження конденсації і зростання плівкив початковий момент часу її утворення вкрай важливі, оскільки властивості плівкибагато в чому визначаються на цьому етапі.

На процес утворення плівки впливаєстан поверхні підкладки. Великий вплив роблять також молекули залишковихгазів, які порушують умови конденсації і структуру утворюється плівки.

Молекули залишкового газу знаходяться в хаотичному тепловомурусі і вдаряються про будь-яку ділянку поверхні, в тому числі і про підкладку. Ступіньзабрудненості конденсируемой плівки визначається відношенням числа молекул залишковогогазу, що вдаряються об підкладку, до числа молекул испаряемого речовини.

Молекули залишкового газу, а в основному вони є молекулами води Н 2 О, реагуючи з напиленням металом,окислюють його. Тонкий окісної шар, що утворюється у поверхні підкладки, покращуєадгезію напилюваної плівки до підкладки. Тому плівки, які окислюються краще(Хром, залізо), мають кращу адгезію. Метали, які погано піддаються окисленню(Золото, срібло), мають погану адгезію, і вони зазвичай напилюється з підшаром іншогометалу, що має кращу адгезію до підкладки.

Всі речовинив залежності від температури нагріву можуть знаходитися в одному з трьох фазових (агрегатних)станів: твердому, рідкому або газоподібному (пароподібному

Умовною,практично встановленою температурою випаровування вважається температура, при якійтиск насиченої пари речовини становить приблизно 1,3 Па.

Деякіречовини мають температуру випаровування нижче температури плавлення, ті. вони достатньоінтенсивно випаровуються з твердого стану. Процес переходу речовини з твердогостану в пароподібний, минаючи рідку фазу, називають сублімацією ( сублімацією).

Рухаючись від випарника до підкладки зенергією, молекула при зіткненні з підкладкою віддає їй частину своєї енергії. Іншучастину своєї енергії молекула витрачає на міграцію по поверхні підкладки, втрачаючи поступовоцю енергію і прагнучи до теплового рівноваги з підкладкою, в той же час міграціямолекули вздовж підкладки відбувається в потенційному полі, рельєф якого характеризуєтьсянаявністю "бугрів" і "ям" і являє собою розподілсил зв'язку (сил Ван-дер-Ваальса) по поверхні підкладки.

У процесі міграції можливі наступнірезультати:

1) зустрівши на шляху руху потенційну"Яму" (сильний зв'язок з підкладкою), молекула втрачає надлишок енергії і фіксуєтьсяна підкладці (конденсується), стаючи центром кристалізації;

2) зустрівши на шляху руху потенційний"Бугор" (слабкий зв'язок з підкладкою) і володіючи достатнім надлишком енергії,молекула залишає підкладку (реіспареніе);

3) зустрівши на шляху руху іншумігруючу молекулу, вона вступає з нею в сильну (металеву) зв'язок, у рез...ультатічого рухливість групи і ймовірність її десорбції значно падають. При достатньовеликому об'єднанні молекул така група повністю втрачає здатність мігруватиі фіксується на підкладці, стаючи центром кристалізації.

Навколо окремих центрів кристалізаціївідбувається зростання кристалів, які згодом зростаються і утворюють суцільнуплівку. Підвищення температури підкладки при інших незмінних умовах збільшуєенергію адсорбованих молекул, підвищується ймовірність десорбції одиночних молекулв потенційних "ямах". Таким чином, стійкими можуть бути тільки великігрупові утворення молекул. При достатньо високій температурі підкладки (званоїкритичної) ймовірність реіспаренія стає рівною одиниці і конденсації невідбувається. Зі збільшенням швидкості випаровування критична температура підкладки зростає,зростає ймовірність виникнення дрібнокристалічної плівки, аж до аморфної.

Процес випаровування і якість нанесенихплівок значною мірою визначаються типом і конструкцією випарників, якіможуть мати резистивний або електронно-променевою нагрів.

метод термічне випаровування

резистивного нагріванням називаютьнагрів електропровідного тіла, що володіє високим електричним опоромпри проходженні через нього електричного струму.

Переваги резистивного нагрівання - високийККД, низька вартість устаткування, безпека в роботі і малі габаритні розміри.Чинниками, які обмежують застосування випарників з резистивним нагріванням єможливість забруднення наносимой плівки матеріалом нагрівача, а також

малий ресурс роботи через старіння(Руйнування) нагрівача, що вимагає його періодичної заміни.

Випарники цього типу різних конструктивнихваріантів можуть бути з безпосереднім або з непрямим нагрівом испаряемого речовини.

Матеріали,використовувані для виготовлення випарників, повинні відповідати наступним вимогам:

1) випаровуваністьматеріалу випарника при температурі испаряемого речовини повинна бути пренебрежимомалої;

2) дляхорошого теплового контакту матеріал випарника повинен добре змочуватися розплавленимвипаровуються речовин;

3) міжматеріалом випарника і випаровуються речовин не повинні відбуватися ніякі хімічніреакції, так як це призводить до забруднення наносяться плівок і руйнування випарників.

У випарникахз безпосереднім нагріванням струм в декілька десятків ампер проходить безпосередньочерез випаровує матеріал. Такий метод випаровування може бути застосований лише длясублімується матеріалів, тобто металів, температура плавлення яких вище температуривипаровування

Основнегідність цих випарників - відсутність теплового контакту між їх нагрітимиелементами і випаровується металом, що забезпечує високу чистоту наносимой плівки.Однак вони забезпечують низьку швидкість випаровування, дають можливість випаровувати малекількість матеріалу, який може бути використаний тільки у вигляді стрічки або дроту,а також не дозволяє випаровувати діелектрики і більшість металів.

Випарникиз непрямим резистивним нагріванням

Випарникиз непрямим нагрівом, в яких випаровується речовина нагрівається за рахунок теплопередачівід нагрівача, більш універсальні, так як дозволяють випаровувати проводять і непровідніматеріали у вигляді порошку, гранул, дроту, стрічки та ін Але при цьому через контактз нагрітими частинами випарника, а також через випаровування матеріалу підігрівачаосаджуються менш чисті плівки. Так як форма випарника з непрямим нагрівом залежитьвід агрегатного стану, в якому знаходиться випаровує матеріал, то їх підрозділяютьна дротяні, стрічкові та тигельні.

Дротяні випарники.

А) Б) В)

Рис 2. Дротяний випарник непрямого нагріву а) з циліндричноюдротяної спіраллю I-відігнутий кінець спіралі.2 - циліндричнаспіраль, 3 - випаровує матеріал, б) з конічною дротяної спіраллю: 4 - затискструмопроводу, 5,7 - циліндричний теплової та обмежує екрани, 6 - конічнаспіраль, в) з паралельним розташуванням дротяних нагрівачів

Дротянівипарники застосовують для випаровування речовин, які змочують матеріал нагрівача.При цьому розплавлене речовина силами поверхневого натягу утримується у виглядікраплі дротовому нагрівачі. Дротяні випарники виготовляються V-XV-образноїформи, а також спіраль - і хвилеподібною.

Дротовийвипарник найпростішої конструкції (рис.2. а) використовують для нанесення плівок алюмінію,який добре змочує вольфрамовий дротяний нагрівач - циліндричну дротянуспіраль 2. Випаровуються речовин у вигляді скобочек 3 навішують на спіраль, якувідігнутими кінцями 1 вставляють в контактні затискачі. По мірі нагріву це речовинаплавиться і формується на дроті у вигляді крапель.

При поганій змочуваності испаряемого речовини, а також для випаровуваннянаважок у формі гранул або шматочків застосовують випарники у вигляді конічної дротяноїспіралі 6 (рис.2, 6), що закріплюється на затискачах 4 струмопроводу. Спіраль оточена циліндричнимтепловим екраном 5, а знизу розміщується обмежує екран 7.

Істотнимгідністю дротяних випарників є простота конструкції і можливістьмодифікації під конкретні технологічні умови. Крім того, вони добре компенсуютьрозширення і стиснення при нагріванні і охолодженні. Недолік - мала кількість испаряемогоза один процес матеріалу.

Стрічкові випарники.

Рис. 3. Стрічкові іспарігелі непрямого нагріву а) з поглибленняму вигляді півсфери, 6) човнового типу

Стрічковівипарники застосовуються для випаровування металів, погано утримуються на дротянихвипарниках, а також діелектриків і виготовляються з поглибленнями у вигляді півсфер,жолобків, коробочок або човників. Найбільш поширеними матеріалами для такихвипарників є фольга товщиною 0,1 - 0,3 мм з вольфраму, молібдену і танталу. Випарник з поглибленням у вигляді півсфери, призначений длявипаровування відносно малих кількостей речовини, показаний на рис.3. а. Випарникичовнового типу (рис.3, 6) призначені для випаровування стосовно великих кількостейречовини.

Випарники коробчатого типу.

РНС. 4. Випарник непрямого нагріву коробчатого типу I - коробочка, 2 - потік парів наносимого речовини, 3 - екран,4 - пари испаряемого речовини, 5 - випаровуються речовин

Якщодля металів завдяки їх високій теплопровідності випаровування у вакуумі є явищеповерхневе, то для таких неметалевих речовин поганої теплопровідності, якдіелектрики, існує велика ймовірність їх розбризкування при форсованомувипаровуванні. У цих випадках застосовують випарники коробчатого типу (рис.4), виконанізі стрічки товщиною 0,1 мм у вигляді коробочки 1, в яку засипають випаровуються речовин5. Зверху коробочка закривається одношаровим або двошаровим екраном 3 з отворами,через які проходять пари 4 наносимого матеріалу.

Тигельні випарники.

Рис. 5. Випарники прямого нагріву з тиглями з внутрішнім (а)і зовнішнім (б) спіральними нагрівачами 1 спіраль, 2 тигель

Тигельнівипарники використовують, як правило, для випаровування великих кількостей сипучих діелектричнихматеріалів. Тиглі виготовляють із тугоплавких металів, кварцу, графіту, а такожкерамічних матеріалів (нітриду бору, оксиду алюмінію корунду). Максимально допустиматемпература кварцу становить

1400 В° С,графіту 3000 В° С, оксиду алюмінію 1600 В° С. Два типи випарників з тиглями з керамікипоказані на рис.5 а, б. в випарнику першого типу нагрівач у вигляді плоскої улиткообразноспіралі 1 розташовується в порожнині керамічного тигля 2, куди насипається випаровуєтьсяматеріал. Такий випарник дозволяє випаровувати з високими швидкостями велика кількістьречовини. У випарнику другого типу нагрівач у вигляді конусоподібної спіралі I розташований із зовнішнього боку керамічноготигля 2.

При рівнійпотужності харчування першої випарник нагрівається до більш високої температури, ніждруги...й. Однак достоїнством второю є відсутність контакту матеріалу, який випаровуєтьсязі спіральним нагрівачем. Експлуатаційним недоліком тигельних випарників єте, що вони інерційні, так як мала теплопровідність матеріалу, з якого виготовляютьтигель, не забезпечує швидкого нагріву испаряемого речовини.

Електронно-променевівипарники.

Рис. 6. Електронно-променевої випарник 1 - полюсної наконечник,2 - електромагніт, 1 - водоохолоджувального тигель, 4 - випаровує матеріал, 6 - термокатодом,7 - фокусирующая система, 8 електромагнітний промінь, 9 - тонка плівка, 10 - підкладка

Випарникиз електронно-променевим нагрівом засновані на тому, що кінетична енергія потоку прискоренихелектронів при бомбардуванні ними поверхні речовини перетворюється на теплову енергію,в результаті чого воно нагрівається до температури випаровування.

Електронно-променевийвипарник (рис.6) складається з трьох основних частин: електронної гармати, відхиляючоїсистеми і водоохолоджуваних тигля. Електронна гармата призначена для формуванняпотоку електронів і складається з вольфрамового термокатодом 6 і фокусуючої системи7. Електрони, що емітуються катодом, проходять фокусуючу систему, прискорюються зарахунок різниці потенціалів між катодом і анодом (до 10 кВ) і формуються в електроннийпромінь 8.

Відхиляючасистема призначена для створення магнітного поля, перпендикулярного напрямкушвидкості руху електронів, що виходять з фокусуючої системи гармати, і складаєтьсяз полюсних наконечників 1 і електромагніта 2. Між полюсними наконечниками розташованіводоохолоджуваний тигель 3 і електронна гармата. Відхиляючи електронний промінь магнітнимполем, його направляють у центральну частину водоохолоджуваних тигля 3. У місці падінняпроменя створюється локальна зона випаровування речовини з рідкої фази. Нагріте електронноїбомбардуванням матеріал 4 випаровується, потік 5 осідає у вигляді тонкої плівки 9на підкладці 10. Змінюючи струм в котушці електромагніту 2, можна сканувати променемуздовж тигля, що запобігає утворенню "кратера" в випаровується матеріалі.

Мідніводоохолоджувані тиглі місткістю 50 см і більше забезпечують тривалу безперервнуроботу без добавки матеріалу, який випаровується, який, крім того, не контактує врозплавленому вигляді з мідними стінками тигля.

Недолікицих випарників - складність апаратури живлення та управління, труднощі випаровуванняметалів високої теплопровідності (мідь, алюміній, срібло, золото) з водоохолоджуванихтигля, необхідність частої заміни катода, а також харчування високими напругами.

Необхіднозабезпечувати рівномірність розподілу товщини плівки на підкладці, що є

Рис. 7.

Товщинаодиницю часу.Як видно з рис.речовини.НерівномірністьКожен6.

Рис. 8.

У методі

Методиплівок

Електричне

При виміраходночасно

Контрольнунапилення.

Вимірювання

Масу

Коефіцієнт

Відзначимо

1) висока

3) можливість

4) можливість

5) забруднення

У зв'язку