Передмова

У даному навчальному посібнику, призначеному студентам й аспірантам фізико-технічних спеціальностей університетів, розглядаються питання, пов’язані з технологією одержання та застосуванням різних плівкових матеріалів. Цей науково-технічний напрям бурхливо розвивається, що стало можливим після освоєння методів одержання з попередньо заданими фізичними властивостями. Він дав поштовх широкому застосуванню плівкових матеріалів у оптиці, космічній та атомній промисловості, у техніці надвисоких частот, як захисних покриттів, елементів мікроелектронних схем, датчиків неелектричних величин, у кріогенній та обчислювальній техніці.

Таким чином, інтерес до тонких плівок викликаний не лише завданнями металознавства, як це було історично започатковано, а й перспективою для інженерів, пов’язаною зі створенням на базі плівкових елементів нових електронних приладів.

Необхідно підкреслити, що тонкоплівкові матеріали мають фізичні властивості, які істотно відрізняються від аналогічних у масивних зразках. Це обумовлюється двома головними причинами. По-перше, при одержанні плівки можна змінювати умови конденсації таким чином, що кристалічна структура зразка змінюватиметься від гранично неупорядкованого (аморфні та нанокристалічні матеріали) до досить-таки досконалого монокристалічного конденсату. По-друге, тонкий зразок (плівка, дріт, пластина) обмежений у розмірі в одному із напрямків, що приводить до появи ряду фізичних ефектів, які слабо виражені або взагалі не спостерігаються в масивних зразках. Такі явища, як відомо, одержали назву розмірних ефектів. Розмірні ефекти в найбільш широкому їх розумінні – це явища, які полягають у змінюванні фізичних властивостей при зміні розміру зразків у одному із напряків, унаслідок чого зростає внесок поверхневих процесів та поверхневих властивостей порівняно з об'ємними.

У першій частині посібника розглядаються два основні питання: методи одержання металевих вакуумних конденсатів та алмазних, алмазоподібних плівок і споріднених із ними матеріалів.

У другій частині проаналізовані питання взаємного зв’язку між умовами одержання плівок та їх особливостями (механізми конденсації та росту, дефектність кристалічної структури, стабілізація аморфного чи нанокристалічного стану та проблеми старіння вакуумних конденсатів).

Третя частина посібника присвячена проблемі застосування плівкових матеріалів як чутливих елементів датчиків неелектричних величин (температура, тиск, вологість, деформація та ін.).

Автори висловлюють щиру подяку рецензентам, зауваження яких сприяли покращанню наукового і методичного рівнів посібника.

Частина 1 Технологія одержання та вимірювання товщини тонких плівок

Вступ

Сконденсовані металеві плівки вперше були одержані в 1857 році М. Фарадеєм під час проведення ним дослідів із руйнування в атмосфері інертних газів металевих дротів при пропусканні через них електричних струмів. Подальші експерименти в цьому напрямку обумовлювалися насамперед практичними потребами у виготовленні оптичних та астрономічних приладів (дзеркала, інтерферометри та ін.). До 1940-х років тонкі металеві плівки здебільшого використовувалися для наукових (металознавчих) досліджень. Проте з удосконаленням вакуумної техніки, коли з’явилася можливість організувати масове виробництво та контроль властивостей тонких плівок, почалося їх впровадження у промисловість. Останніми роками галузь застосування плівок значно розширилася, причому на різних рівнях: від сонячних окулярів до елементів мікросхем.

Розпочаті у 1950-60 роках дослідження синтезу алмазу стимулювали розвиток методів одержання алмазних, алмазоподібних і споріднених з ними плівкових матеріалів. Особливу увагу дослідники приділяють алмазоподібним плівкам, які мають унікальні фізичні властивості.

У першій частині посібника аналізуються різноманітні методи одержання металевих та алмазоподібних плівкових матеріалів: від історично перших методів випарування із дротів, фольги і тиглів до найбільш сучасних вакуумно-плазмових та дугових методів, електророзрядних, лазерних та іонних методів осадження.

Розділ 1 Методи одержання плівкових матеріалів