39. Испарители. Виды и конструкции испарителей Требования к материалам. Способы нагрева.

Испаритель Это приспособление, с помощью которого нагревается и испаряется нужный материал. Температура испарения Т_исп для разных материалов различна. Чтобы оценить необходимую температуру испарителя, основываются на необходимости достичь установившееся давление паров испаряемого материала приблизительно1,33 Па (10^-2 мм.рт.ст.). Для большинства материалов, представляющих практический интерес такое давление требует Т_исп =1000-2000^○С.

Материалами, отвечающими таким требованиям, являются тугоплавкие металлы и окислы металлов. Кроме того эти материалы должны при температуре испарения иметь пренебрежимо малое давление паров, не должны вступать в химическое взаимодействие с испаряемым материалом. Поэтому внутри класса тугоплавких наиболее широко используются вольфрам, молибден тантал.

Испарители и испаряемые вещества могут нагреваться или непосредственным пропусканием через них электрического тока (джоулевый нагрев), или индукционным способом ( с помощью высокой частоты), или электронной бомбардировкой испаряемого вещества.

Выполнены испарители могут быть из проволоки и из металлической фольги, если испаряют небольшие навески испаряемого вещества (1-2 )Г т.е. при напылении очень тонких пленок, в основном резистивных, а также адгезионных и защитных слоев.

Для напыления более толстых слоев – проводниковых (1-2 мкм) используют тигельные (рис.7) и электронно-лучевые испарители (рис.8).

1-молибденовый тигель; 2- танталовый нагреватель; 3- экраны; 4- испаряемое вещество.

Рис.7

1-водяное охлаждение; 2-испаряемый материал; 3- остро сфокусированный пучок электронов; 4- катод; 5 – анод.

Рис.8

Электронно-лучевой испаритель обеспечивает наибольшую гибкость в управлении процессом напыления пленок.

40. Испарение сложных материалов и сплавов. Реактивное испарение.

Для испарения сплавов метод взрывного испарения. Он заключается в подаче из вибробункера на нагретый до нужной температуры испаритель расчетных доз компонентов сплава. Используется для получения пленок сложного состава и метод И-ПР.

41. Сущность метода распыления материалов ионной бомбардировкой. Понятие о пороговой энергии.

При бомбардировке поверхности твердого тела - мишени отдельными атомами, ионами происходит множество явлений, какое явление будет преобладать зависит от кинетической энергии бомбардирующих частиц. При кинетических энергиях, превышающих энергию связи атомов мишени, возникает физическое распыление мишени. Атомы кристаллической решетки под воздействием бомбардировки частиц перемещаются в новое положение, мигрируют по поверхности. Если энергия становится достаточной, происходит выбивание этих атомов с поверхности мишени и выброс их в газовую фазу ( бильярдный механизм). Для бомбардировки обычно используются не нейтральные атомы, а ионы. Их можно ускорять с помощью электрического поля. Поток быстрых ионов выбивает электрически нейтральные атомы мишени.

Самая простая схема И-ПР это 2х электродная схема катодного распределения. Упрощенная схема рабочей камеры установки катодного распыления показана на рисунке 2.

Рис.2

1-вакуумный колпак из нержавеющей стали; 2- катод; 3- экран; 4-игольчатый натекатель для непрерывной подачи аргона; 5- подложка; 6- анод; 7- вакуумплотный изолятор; 8-вакуумный уплотнитель по периметру колпака; 9-плита корпуса вакуумной установки.

42. Схема катодного распыления. Скорость распыления. Коэффициент распыления.

В разряженном газе при давлении порядка 10^-2 10^-3 мм рт.ст. (1-10^-1 Па)создаётся тлеющий разряд, путем приложения к катоду- мишени высокого отрицательного потенциала относительно заземлённого анода. Здесь используется самостоятельный разряд, возбуждаемой автоэлектронной эмиссией (испускание электронов металлом под действием сильного внешнего поля ). Электроны, эмитировавшие из катода. ионизируют атомы газа. В результате положительные ионы газа устремляются к отрицательному катоду и выбивают атомы катода- мишени, которые летят нормально к его поверхности и оседают на подложке, лежащей на аноде.

Основной технологический параметр этого процесса Скорость распыления мишени Wp = Kp J_Hm_M, кг/с

где Kp- коэффициент распыления мишени (атомы выбитые 1 ионом).Принимает значения от0,1 до50, в отдельных случаях до100;

J_H- плотность тока катода

m_M- атомная масса материала мишени

Kp- зависит от давления рабочего газа Р_Г. Наибольшее значение соответствует некоторому оптимальному давлению порядка ≈ 10^-3 мм рт.ст., когда достаточно велика средняя длина свободного пробега ионов, с одной стороны, а с другой стороны, и самих ионов достаточно.

Коэффициент распыления зависит также от природы ионов и мишени. Наибольший коэффициент распыления имеют ионы инертных газов т.к. их энергия тратится только на выбивание атомов и не тратится на химическое взаимодействие с атомами мишени.

Важным параметром, определяющим К_Р является угол падения ионов. С уменьшением угла между направлением движения ионов и плоскостью мишени К_Р увеличивается, так как при этом уменьшается угол между направлениями импульсов движения падающих ионов и выбитых атомов, летящих нормально к поверхности мишени.

43. Трехэлектродная система распыления.

Чистота пленок, полученных методом И-ПР тем выше, чем больше скорость осаждения и выше степень вакуума в рабочей камере. Такие условия создаются в трех электродной системе:

1 -термокатод; 2-мишень; 3-анод; 4-подложка; 5-держатель подложки;

Рис.3

44. Технология высокочастотного распыления.

Если нужно распылять высокоомные или диэлектрические материалы, то на мишень подают переменное высокочастотное (ВЧ) напряжение (13,56 МГц). Распыление мишени идет в полупериод, когда мишень заряжена отрицательно. Такая частота напряжения удерживает электроны в области разряда и происходит почти 100% ионизация газа. Это способствует увеличению скорости роста пленок.

45. Технология реактивного распыления.

Если в камеру ВЧ распыления ввести специально активный газ, то можно получить пленку химического соединения газа, напр., кислорода, азота, углерода с распыляемым материалом мишени. Это будет реактивное распыление.

46. Магнетронные распылительные системы.

Использование магнитного поля, перпендикулярного электрическому между анодом и катодом позволило создать усовершенствованные 2-х электродные системы распыления –магнетронные распылительные системы. В них достигается 100% -я ионизация рабочего газа. Высокая скорость осаждения (десятки нм/с) пленок металлов, сплавов, полупроводников и диэлектриков.

47. Схема вакуумной системы установки для напыления тонких пленок. Средства контроля вакуума. Ионизационный и термопарный вакуумметры.

Схема вакуумной системы установок для напыления тонких пленок

Типичная схема представлена на рисунке 6

Рис.6

1-плита вакуумной установки; 2-вакуумное уплотнение; 3-рабочая камера; 4-термопарный вакуумметр; 5,6,7-вентили; 8-форвакуумный насос; 9-ионизационный вакуумметр; 10-форбаллон; 11-высоковакуумный насос; 12-высоковакуумный затвор.

Через открытые вентили 5 и7 с помощью ФВН 8 создают предварительный вакуум порядка 1-5 Па. Это давление контролируют термопарным вакуумметром 4 (рис.6а). После этого вентиль 5 закрывают, отрывают вентиль 6 и высоковакуумный затвор 12 и откачивают всю систему до такого же давления 1-5 Па. Затем включают подогреватель ВВН 11 и откачивают камеру до необходимого высокого вакуума 10^-3 –10^-5 Па. Это давление контролируют ионизационным вакуумметром (рис.6б). При этом ФВН 8 постоянно работает, поддерживая предварительный вакуум в форбаллоне 10. Таким образом, выход ВВН нагружен на ФБ 10, что снижает коэффициент сжатия газа, а следовательно и его конденсацию.

Для контроля вакуума используются манометры, встренные в вакуумную систему, термопарные для контроля низкого вакуума и ионизационные для контроля высокого вакуума.

Рис.6а

1-колба, соединенная с рабочим объемом; 2- провод, через который идет ток (Т_пр=200^○ С); 3- спай термопары; 4-термопара.

Рис.6б

1-открытая колба, соединенная с рабочим объемом; 2-коллектор; 3-сетка; 4- катод.