Реферати українською » Физика » Методи термічного випаровування


Реферат Методи термічного випаровування

Страница 1 из 2 | Следующая страница

>РЕФЕРАТ

з дисципліни: ">ФХОТЭС"

на задану тему: "Методи термічного випаровування"


>Оглавление

 

Методтермовакуумного напилювання

>Резистивное термічне випаровування в вакуумі

Забезпечення рівномірності товщини плівки

Метод лазерного випаровування

Переваги й недоліки термічного випаровування

>Многослойние системи

 


Методтермовакуумного напилювання

Метод отримання тонких плівок термічним вакуумним напилюванням є універсальним і найбільш освоєним методом. Розглянемо схему процесу термічного напилювання (мал.1).

>Рис 1 Схема процесу термічного напилювання

 

Схема термічного напилювання. Робоча камера вакуумної установки є циліндричний металевий чи скляний ковпак 1, який встановлюється на опорною плиті 7. Між ковпаком і плитою перебуває гумова прокладка, забезпечуєвакуумплотное з'єднання. Усередині робочої камери розташовані: підкладка 4, яка закріплюється на тримачі 3, нагрівач підкладки 2 випаровувач 6 для нагрівунапиляемих речовин. Міжиспарителем і підкладкою встановлюється заслінка 5, яка у потрібну припиняти потраплянняиспаряемого речовини на підкладку. Робоча камера відкачують вакуумним насосом.Остаточное тиск під ковпаком вимірюється спеціальним приладом -вакуумметром. Тиск вимірюється в мм рт. ст.

Процес термічного напилювання в вакуумі розбивається втричі етапу

1. Випаровування речовини.

2 Поширення парівиспаряемого речовини.

3.Конденсация парівиспаряемого речовини на підкладці й освіту плівковій структури.

Випаровування речовини. Випаровування речовини відбувається за його нагріванні. При нагріванні речовини кінетична енергія його атомів і молекул зростає й стає достатньої у тому, що вони відірвалися від поверхні і є поширилися в навколишньому просторі. З підвищенням температури енергія збільшується кількість молекул,отривающихся від поверхні, зростає.

Тверді речовини зазвичай при нагріванні розплавляються, та був переходить до газоподібне стан. Деякі речовини переходить до газоподібне стан, минаючи рідку фазу. Такий процес називається сублімацією.

>Температуру, коли він тиск парів речовини її поверхнею становить 10-2 мм рт. ст., називають температурою випаровування речовини.

Швидкість випаровування речовини визначається кількістю речовини,испаряемого з одиниці площі I сек, і полягає формулою

 (1)

де V>исп - швидкість випаровування, р/ (див2сік); р>s - тиск насиченого пара (10-2 мм рт. ст.); М - молекулярний вагуиспаряемого речовини, >г/моль; Т - температура випаровування речовини, До.

У табл.1 наведено значення температури плавлення, кипіння і випаровування, і навіть тиску парів і швидкості випаровування деяких матеріалів.

Формула (1) визначення швидкості випаровування справедлива для з так званого молекулярного режиму


Таблиця 1

Матеріал позначення

Температура плавлення, 0З

Температура кипіння, 0З

Тиск парів за нормальної температури плавлення,

мм рт. ст.

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

Швидкість випаровування 10-4, р/ (див2*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 10-4

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

>Конденсация парів на підкладці й освіту плівковій структури

>Конденсацией називається процес переходу матеріалу зі газоподібної фази в тверду. При конденсації на підкладці утворюється плівкасконденсированного матеріалу.

>Конденсация плівки на підкладці залежить від температури підкладки. Є така температура підкладки, звана критичної Т>кр при перевищенні якій усе атоми відбиваються від підкладки і плівка не утворюється.

Дослідження конденсації і зростання плівки в початковий час її створення украй важливі, оскільки властивості плівки багато чому визначаються цьому етапі.

На процес освіти плівки впливає стан поверхні підкладки. Вплинув багатодітній родині і молекули залишкових газів, що порушують умови конденсації і структуруобразующейся плівки.

Молекули залишкового газу перебувають у безладному тепловому рух і вдаряються про будь-яка ділянка поверхні, зокрема і підкладку. Ступінь забрудненняконденсируемой плівки визначається ставленням числа молекул залишкового газу,ударяющихся про підкладку, до молекулиспаряемого речовини.

Молекули залишкового газу, а основному є молекулами води М2Про, реагуючи знапиленним металом,окисляют його. Тонкийокисний шар, утворений у поверхні підкладки, покращує адгезіюнапиляемой плівки до підкладці. Тому плівки, які окислюються краще (хром, залізо), мають кращу адгезію. Метали, які погано піддаються окислювання (золото, срібло), мають погану адгезію, і звичайнонапиляются зподслоем іншого металу, має кращу адгезію до підкладці.

  >Резистивное термічне випаровування в вакуумі

Усі речовини залежно від температури нагріву можуть міститися у одному із трьох фазових (агрегатних) станів: твердому, рідкому чи газоподібному (пароподібному

Умовною, практично встановленої температурою випаровування вважається температура, коли він тиск насиченого пара речовини становить приблизно 1,3Па.

Деякі речовини мають температуру випаровування нижче від температури плавлення, ті. вони досить інтенсивно випаровуються з твердого стану. Процес переходу речовини з твердого стану впарообразное, минаючи рідку фазу, називають сублімацією (сублімацією).

Рухаючись від випарника до підкладці з енергією, молекула у зіткненні з підкладкою віддає їй частину свого енергії. Іншу частину свого енергії молекула витрачає на міграцію поверхнею підкладки, втрачаючи поступово цю енергію та прагнучи тепловому рівноваги з підкладкою, до того ж час міграція молекули вздовж підкладки відбувається у потенційному полі, рельєф якого характеризується наявністю "бугрів" і "ям" і становить розподіл сил зв'язку (силВан-дер-Ваальса) поверхнею підкладки.

У процесі міграції можливі такі результати:

1) зустрівши по дорозі руху потенційну "яму" (сильна зв'язку з підкладкою), молекула втрачає надлишок енергії і фіксується на підкладці (вони вбирають), стаючи центром кристалізації;

2) зустрівши по дорозі руху потенційний "горб" (слабка зв'язку з підкладкою) і володіючи достатнім надлишком енергії, молекула залишає підкладку (>реиспарение);

3) зустрівши по дорозі руху іншумигрирующую молекулу, вона із нею у сильну (металеву) зв'язок, у результаті рухливість групи і можливість їїдесорбции значно падають. При досить великому об'єднанні молекул така група повністю втрачає здатність мігрувати і фіксується на підкладці, стаючи центром кристалізації.

Навколо окремих центрів кристалізації відбувається зростання кристалів, що згодом зростаються й утворять суцільну плівку. Підвищення температури підкладки за інших незмінних умов збільшує енергіюадсорбированних молекул, підвищується ймовірністьдесорбции одиночних молекул в потенційних "ямах". Отже, стійкими може лише великі групові освіти молекул. При досить високої температурі підкладки (званої критичної) ймовірністьреиспарения стає що дорівнює одиниці і конденсації немає. Зі збільшенням швидкості випаровування критична температура підкладки зростає, зростає можливість виникненнямелкокристаллической плівки, до аморфною.

Процес випаровування та якість заподіяних плівок значною мірою визначаються типом і конструкцією випарників, що матирезистивний чи електронно-променевої нагрівання.

метод термічне випаровування

>Резистивним нагріванням називають нагріванняелектропроводящего тіла, який володіє високим електричним опором під час проходження нього електричного струму.

Перевагирезистивного нагріву - високий ККД, низька вартість устаткування, безпеку роботи і малі габаритні розміри. Чинниками, обмежують застосування випарників зрезистивним нагріванням є можливість забрудненнянаносимой плівки матеріалом нагрівача, і навіть

малий ресурс роботи через старіння (руйнації) нагрівача, що потребує його періодичної заміни.

>Испарители цього різних конструктивних варіантів може бути з безпосереднім чи з непрямим нагріваннямиспаряемого речовини.

Матеріали, використовувані виготовлення випарників, повинні відповідати наступним вимогам:

1)испаряемость матеріалу випарника за нормальної температурииспаряемого речовини мусить бутипренебрежимо малої;

2) гарного теплового контакту матеріал випарника повинен добресмачиваться розплавленимиспаряемим речовиною;

3) між матеріалом випарника іиспаряемим речовиною нічого не винні відбуватися ніякі хімічні реакції, оскільки усе веде до забруднення які завдавав плівок і руйнації випарників.

Уиспарителях з безпосереднім нагріванням струм кілька десятків ампер проходить безпосередньо черезиспаряемий матеріал. Такий метод випаровування може бути застосований лишесублимирующихся матеріалів, тобто. металів, температура плавлення яких перевищує температури випаровування

Основне гідність цих випарників - відсутність теплового контакту поміж їхніми нагрітими елементами іиспаряемим металом, що забезпечує високу чистотунаносимой плівки. Але вони забезпечують низьку швидкість випаровування, дають можливість випаровувати невелика кількість матеріалу, що може бути використаний лише у вигляді стрічки чи дроту, і навіть Демшевського не дозволяє випаровувати діелектрики більшість металів.

>Испарители з непрямимрезистивним нагріванням

>Испарители з непрямим нагріванням, у якихиспаряемое речовина нагрівається з допомогою теплопередачі від нагрівача, більш універсальні, оскільки дозволяють випаровувати проводять інепроводящие матеріали як порошку, гранул, дроту, стрічки та інших. Та заодно через контакту з нагрітими частинами випарника, і навіть через випаровування матеріалуподогревателя глушаться менш чисті плівки. Оскільки форма випарника з непрямим нагріванням залежить відагрегатного стану, де знаходитьсяиспаряемий матеріал, їх поділяють на дротові, стрічкові ітигельние.

>Проволочниеиспарители.

 

А) Б) У)

>Рис 2.Проволочний випаровувачкосвенною нагріву і з циліндричною дротяною спіраллюI-отогнутий кінецьспирали.2 -цилиндрическая спіраль, 3 -испаряемий матеріал, з конічній дротяною спіраллю: 4 - затисктокопровода, 5,7 - циліндричний теплової та обмежує екрани, 6 - конічна спіраль, в) з паралельним розташуванням дротяних нагрівачів

>Проволочниеиспарители застосовують для випаровування речовин, які змочують матеріал нагрівача. У цьому розплавлене речовина силами поверхового натягу утримується як краплі дротовомунагревателе.Проволочниеиспарители виготовляютьсяV-XV-образной форми, і навітьспирале - і хвилеподібної.

>Проволочний випаровувач найпростішої конструкції (мал.2. а) використовують із нанесення плівок алюмінію, який добре змочує вольфрамовий дротовий нагрівач - циліндричну дротову спіраль 2.Испаряемое речовина якскобочек 3 навішують на спіраль, яку відігнутими кінцями 1 вставляють в контактні затискачі. Принаймні нагріву це хімічна речовина плавиться і формується на дроті як крапель.

При поганийсмачиваемостииспаряемого речовини, і навіть для випаровуваннянавесок у вигляді гранул чи шматочків застосовуютьиспарители як конічній дротяною спіралі 6 (>рис.2,6),закрепляемой на затисках 4токопровода. Спіраль оточена циліндричним тепловим екраном 5, а знизу розміщається обмежує екран 7.

Істотним гідністю дротяних випарників є простота конструкції і можливість модифікації під конкретні технологічні умови. З іншого боку, вони добре компенсують розширення й стиснення при нагріванні і охолодженні. Недолік - невелика кількістьиспаряемого за процес матеріалу.

>Ленточниеиспарители.

 

>Рис. 3.Ленточниеиспаригели непрямого нагріву і з заглибленням у вигляді півсфери, 6) човнового типу

>Ленточниеиспарители застосовуються для випаровування металів, поганоудерживающихся на дротянихиспарителях, і навіть діелектриків і виготовляються з поглибленнями як півсфер, жолобків, коробочок чи човнів. Найпоширенішими матеріалами для таких випарників є фольга завтовшки 0,1 - 0,3 мм з вольфраму, молібдену і танталу.Испаритель з заглибленням у вигляді півсфери, готовий до випаровування щодо малих кількостей речовини, показаний на рис.3. а.Испарители човнового типу (>рис.3,6) призначені для випаровування щодо великих кількостей речовини.

>Испарителикоробчатого типу.

 

>Рнс. 4.Испаритель непрямого нагрівукоробчатого типу I - коробочка, 2 - потік парів спричинених речовини, 3 - екран, 4 - парииспаряемого речовини, 5 -испаряемое речовина

Якщо металів завдяки їхнім високої теплопровідності випаровування в вакуумі є явище поверхове, то тут для таких неметалічних речовин поганий теплопровідності, як діелектрики, є велика можливість їхразбризгивания при форсованому випаровуванні. У таких випадках застосовуютьиспарителикоробчатого типу (рис.4), виконані з стрічки завтовшки 0,1 мм як коробочки 1, у якому засинаютьиспаряемое речовина 5. Згори коробочка закривається одношаровим чидвухслойним екраном 3 з отворами, якими проходять пари 4 спричинених матеріалу.

>Тигельниеиспарители.

 

>Рис. 5.Испарители прямого нагріву з тиглями з внутрішнім (чи зовнішнім (б) спіральниминагревателями 1 спіраль, 2 тигель

>Тигельниеиспарители використовують, зазвичай, для випаровування великих кількостей сипучих діелектричних матеріалів.Тигли виготовляються з тугоплавких металів, кварцу, графіту, і навіть керамічних матеріалів (нітриду бору, оксиду алюмінію корунду). Максимально допустима температура кварцу становить

>1400°С, графіту3000°С, оксиду алюмінію1600°С. Два типу випарників з тиглями з кераміки показані на див. мал.5 а, б. виспарителе першого типу нагрівач як пласкоюулиткообразний спіралі 1 міститься у порожнини керамічного тигля 2, куди насипаєтьсяиспаряемий матеріал. Такий випаровувач дозволяє випаровувати з високими швидкостями дуже багато речовини. Уиспарителе другого типу нагрівач як конусоподібному спіралі I розташований з зовнішнього боку керамічного тигля 2.

При рівної потужності харчування перший випаровувач нагрівається до високої температури, ніж другий. Проте гідністювторою є контактуиспаряемого матеріалу зі спіральнимнагревателем.Эксплуатационним недоліком тигельних випарників і те, що вони інерційними, оскільки мала теплопровідність матеріалу, з яких виготовляють тигель, не забезпечує швидкого нагрівуиспаряемого речовини.


>Электронно-лучевиеиспарители.

>Рис. 6.Электронно-лучевой випаровувач 1 -полюсной наконечник, 2 - електромагніт, 1 -водоохладительний тигель, 4 -испаряемий матеріал, 6 -термокатод, 7 -фокусирующая система, 8 електромагнітний промінь, 9 - тонка плівка, 10 - підкладка

>Испарители зелектронно-лучевим нагріванням засновані у тому, що кінетична енергія потоку прискорених електронів при бомбардуванню ними поверхні речовини перетворюється на теплову енергію, у результаті воно нагрівається до температури випаровування.

>Электронно-лучевой випаровувач (див. мал.6) складається з з трьох основних частин: електронної гармати,отклоняющей системи таводоохлаждаемого тигля. Електронна гармата варта формування потоку електронів і складається звольфрамовоготермокатода 6 і котра фокусує системи 7.Электрони,емитируемие катодом, проходятьфокусирующую систему, пришвидшуються з допомогою різниці потенціалів між катодом і анодом (до 10 кВ) і формуються в електронний промінь 8.

>Отклоняющая система варта створення магнітного поля, перпендикулярного напрямку швидкість руху електронів, які виходять із котра фокусує системи гармати, і складається зполюсних наконечників 1 і електромагніта 2. Міжполюсними наконечниками розташованіводоохлаждаемий тигель 3 і електронна гармата.Отклоняя електронний промінь магнітним полем, його посилають в центральну частинаводоохлаждаемого тигля 3. У місці падіння променя створюється локальна зона випаровування речовини з рідкої фази.Нагретий електронної бомбардуванням матеріал 4 випаровується, потік 5 осаджується як тонкої плівки 9 на підкладці 10. Змінюючи струм в котушці електромагніта 2, можна сканувати променем вздовж тигля, що запобігає освіту "кратера" виспаряемом матеріалі.

>Медниеводоохлаждаемие тиглі ємністю 50 див і більше забезпечують тривалу безперервну роботу без добавкииспаряемого матеріалу, який, ще, не контактує в розплавленому вигляді з мідними стінками тигля.

Недоліки цих випарників - складність апаратури харчування та управління, труднощі випаровування металів високої теплопровідності (мідь, алюміній, срібло, золото) зводоохлаждаемого тигля, необхідність частої заміни катода, і навіть харчування високими напругами.

  Забезпечення рівномірності товщини плівки

Необхідно забезпечувати рівномірність розподілу товщини плівки на підкладці, що однією з основних її параметрів.

>Рис. 7. Схема осадження плівок з точечної джерела на плаский (чи сферичний (б)подложкодержатели і планетарнийподложкодержатепь з цими двома напрямами обертання (один, 5, 7 - плаский, сферичний на планетарнийподложкодержатели; 2 підкладки; 3 потікосаждаемих частинок; 4 - точковий джерело потокуосаждаемих частинок; 6 - кільце; 8 - вісьподложкодержателя; 9 -приводная обертова вісь.

Товщина плівки у цій точці підкладки визначається кількістю частинок що сягають їх у одиницю часу. Якби потік

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація