- •Технологія одержання і застосування плівКових матеріалів
- •Проценко і.Ю., Шумакова н.І.
- •© І.Ю.Проценко, н.І Шумакова, 2008
- •Передмова...................................................................................... 7
- •Конструкції термовипарників та їх застосування……… 19
- •Передмова
- •1 Основи термодинаміки та кінетичної теорії газів
- •Рівноважний тиск пари
- •1.2 Розподіл атомів пари за швидкостями
- •1.3 Механізми випаровування рідин та твердих тіл
- •2 Конструкції термовипарників та їх застосування
- •2.1 Загальна інформація
- •2.2 Випаровування із дротів та металевої фольги
- •2.3 Випаровування із тиглів, матеріали тиглів
- •2.4 Випаровування матеріалів електронно-променевими методами
- •3 Вакуумно-плазмова технологія
- •4 Плазмові випарники
- •4.1 Випарники з випаровуванням матеріалу катода
- •4.2 Вакуумно-дугові випарники
- •4.3 Випарники з випаровуванням матеріалу анода
- •4.4 Електронно-променеві випарники
- •5 Метод іонного та реактивного розпилення
- •5.1 Іонне розпилення
- •5.2 Реактивне розпилення
- •6 Особливості випаровування сплавів та хімічних сполук
- •7 Методи контролю товщини плівок
- •7.1 Мікрозважування
- •7.2 Метод кварцового резонатора
- •7.3 Оптичні методи
- •7.4 Інші методи
- •8 Характеристика елемента карбону
- •9 Класифікація алотропів карбону
- •10 Фізичні властивості алотропів карбону
- •11 “Метастабільність алмазу” та шляхи його одержання
- •12 Хімічний синтез алмазу
- •13 До історії розвитку хімічного синтезу алмазу
- •14 Методи одержання алмазоподібних плівок
- •14.1 Термохімічні методи осадження
- •14.2 Електророзрядні методи
- •14.3 Комбіновані розряди
- •14.4 Методи одержання апп на атмосфері
- •15 Методи одержання гідрогенезованих
- •16 Методи одержання ультрадисперсних алмазів (уда) і наноалмазів (на)
- •17 Методи одержання
- •18 Хімічний склад і кристалічна структура
- •18.1 Нітрид титану
- •18.2 Карбід вольфраму
- •Задачі та вправи
- •19 Уявлення про адатом, кластер та критичний зародок
- •20 Залежність розміру критичного зародка від матеріалу плівки та підкладки
- •21 Механізми конденсації плівок, їх узагальнена діаграма
- •22 Чотири стадії росту плівки
- •22.1 Утворення острівців
- •22.2 Коалесценція острівців
- •22.3 Утворення каналів
- •22.4 Утворення суцільної плівки
- •23 Критична товщина і критична температура конденсації
- •24 Утворення дефектів у процесі росту плівки
- •24.1 Дислокації
- •24.2 Межі зерен
- •24.3 Шорсткість та пористість конденсатів
- •25 Епітаксіальний ріст плівок
- •25.1 Зародження епітаксіальних частинок
- •25.2 Механізми епітаксіального росту
- •26 Змінювання параметра решітки, псевдоморфний ріст плівок
- •27 Види спряжень кристалів при епітаксіальному рості
- •28 Субструктура полікристалічних плівок
- •29 Нанокристалічні та аморфні матеріали
- •30 Внутрішні макронапруження в конденсатах
- •30.1 Вплив температури підкладки
- •30.2 Причина виникнення макронапружень у
- •30.3 Вплив товщини плівок, швидкості конденсації та термообробки
- •30.4 Розрахунок величини st
- •30.5 Методи вимірювання s
- •Вплив іонного бомбардування підкладки на властивості плівок
- •32 Процес старіння в тонких плівках
- •Датчики температури із платини та нікелю
- •Термопари
- •Терморезистори із від’ємним і додатним
- •Кремнієві датчики
- •37 Датчики на основі металевої плівки
- •38 Термокондуктометричні та термохімічні
- •39 Тонкоплівкові газові датчики
- •40 Датчики вологості
- •41 Уявлення про тензоефект
- •42 Перетворення деформації тензорезистором
- •43 Передача деформації чутливому елементу
- •44 Металеві тензодатчики
- •45 Напівпровідникові та полімерні тензорезистори
- •46 Магніторезистивні датчики
- •47 Датчики Холла
- •Технологія одержання і застосування плівкових матеріалів
19 Уявлення про адатом, кластер та критичний зародок
В усіх відомих теоріях утворення металевої плівки із насиченої пари (вакуумне напилення чи газотранспортна реакція) першим етапом вважається зіткнення атомів пари з підкладкою. У результаті такого зіткнення вони передають частину своєї енергії, й упродовж певного проміжку часу p, названого часом релаксації, відбувається встановлення термодинамічної рівноваги адсорбованого атома (адатома) з підкладкою. Якщо адатом у процесі поверхневої дифузії не приєднається до іншого адатома або їх скупчення, то він, ревипарувавшись, залишить підкладку, оскільки має достатньо велику нормальну (перпендикулярну до площини підкладки) складову імпульсу. Деякі атоми, маючи велику кінетичну енергію, миттєво відбиваються від підкладки, як світло від дзеркала. Час адсорбції адатома визначається за формулою
а= 0(Т)exp(Ea/kT), (2.1)
де 0 - величина порядку 10-13 с; Еa - енергія адсорбції атома; а є величиною порядку 0. Тому деякі атоми можуть дуже швидко закріпитися на підкладці або в процесі поверхневої дифузії, як уже зазначалося, приєднатися до інших адатомів. Комплекси із декількох адатомів (їх називають кластерами) - термодинамічно нестійкі утворення. Тому якщо кластери перебувають в не вигідному для подальшого росту стані, то вони розпадатимуться. Разом з цим їх велика частина буде приєднувати адатоми і збільшувати розміри до так званого критичного зародка. Це такий комплекс із атомів, який має мінімальну термодинамічну стійкість. Приєднання наступного адатома до нього робить його стійким (зменшується відносний вклад вільної поверхневої енергії в загальну енергію зародка завдяки зменшенню відношення його площі до об'єму). Подальший ріст критичного зародка приводить до утворення стійкого острівця металевої плівки.
Ю.Ф.Комник звернув увагу на те, що зародковий механізм утворення плівки не універсальний, оскільки не спостерігається в граничних випадках. Так, наприклад, при низьких температурах(Еа>>kТ) імовірність ревипаровування wа-1 виявиться дуже малою величиною. Поряд із цим і дифузійна рухливість адатомів буде також незначною, в результаті чого окремий адатом являтиме собою критичний зародок. Підкреслимо, що умова Еа>>kТ виконується не тільки при низьких температурах, а й при нормальних, якщо конденсація відбувається на споріднений метал (адатоми відтворюють підкладку без проміжної стадії утворення критичного зародка). Сказане проілюструємо числовими розрахунками. Якщо вважати, що критичний зародок знаходиться на скляній підкладці і має форму напівсфери, то критичний радіус для плівки срібла при Тп=300 К матиме величину rкр=4,6 нм. При осаджуванні вольфраму за таких самих умов (підкреслимо, що в цьому випадку Тп =300 К може розглядатися як низька температура) rкр = 0,13 нм, що сумірне з розміром атома вольфраму, а для плівок міді на монокристалі NaСl величина rкр=1,0 нм .
20 Залежність розміру критичного зародка від матеріалу плівки та підкладки
Розмір критичного зародка дуже залежить від природи металу, що конденсується. Розрахунки величини rкр на основі рівняння Клапейрона-Клаузіуса (1.2) та правила Троутона свідчать про те, що розмір rкр зменшується при збільшенні температури кипіння металу. Таким чином, у металів W, Mo, Ta, Pt, Nі та інших навіть маленькі зародки (окремий атом) є термодинамічно стійкими, і їх дисоціація чи ревипарування малоймовірні. З іншого боку, у металів із низькою температурою кипіння (Cd, Zn, Mg та ін.) критичні зародки повинні стати великими, перш ніж настане їх термодинамічна стійкість. Причому якщо в першому випадку стійкість різко збільшується при збільшенні розміру, то в другому - стійкість зростає дуже повільно, а дисоціація чи ревипаровування більш імовірні.
Із теорії також випливає, що за інших однакових умов критичний зародок має більші розміри, якщо поверхнева енергія металу велика, а матеріалу підкладки - відносно мала. Крім двох розглянутих факторів - матеріалу плівки та підкладки, - розмір критичного зародка також суттєво залежить від енергії адсорбції Еа , температури підкладки, а також швидкості конденсації.