Термовакуумное напыление

План

1. Испарение вещества

2. Перенос вещества к подложке

3. Конденсация пара на подложке

4. Образование пленки

5. Испарители.

6. Получение вакуума

7. Достоинства и недостатки термовакуумного напыления

Термовакуумное напыление (ТВН)— это процесс, в котором вещество нагревается в условиях высокого вакуума (при давлении 1,3310^-3 — 1,3310^-5 Па) до температуры испарения. Атомы испаряемого вещества конденсируются на подложке, температура которой значительно ниже температуры испарения вещества. Процесс происходит в специальных вакуумных камерах (рис. 1). Внутри вакуумная камера содержит испаритель, держатель подложки, подогреватель подложки и устройства для измерения давления, толщины пленок, скорости осаждения, температуры испарителя и подложки. Для улучшения адгезии и структуры пленок подложки нагревают до температуры 200…400 ⁰С. Температура подложки определяется напыляемым веществом. Для равномерного нагрева подложки размеры нагревателя больше размеров подложки.

Рисунок 1 – Cхема процесса термовакуумного напыления: 1 - вакуумная камера; 2 - нагреватель подложки; 3 - держатель подложки; 4 - подложка; 5 - заслонка; 6 - частицы испаряемого вещества; 7 - испаритель с навеской материала пленки; 8 - опорная плита

Процесс термовакуумного напыления можно разделить на четыре этапа:

образование пара вещества,

распространение пара от испарителя к подложке,

конденсация пара на подложке,

образование пленки.

1 Испарение вещества

Образование пара вещества осуществляется путем его испарения или сублимации. Вещество испаряется при любой температуре, выше абсолютного нуля. Для повышения интенсивности парообразования вещество нагревают. С возрастанием температуры повышается средняя кинетическая энергия атомов и возрастает вероятность разрыва межатомных связей. Атомы отрываются от поверхности и распространяются в свободном пространстве, образуя пар. Некоторая часть атомов возвращается на поверхность вещества. Если количество атомов, покидающих поверхность, равняется количеству у возвращающихся атомов, то процесс испарения становится равновесным. Давление пара, соответствующее равновесному состоянию системы, носит название давление насыщенного пара p_s , или его упругостью.

Скорость испарения молекул Vи определяется их количеством, покидающим единицу поверхности вещества в единицу времени. Для вакуума она определяется уравнением Герца-Кнудсена

(4.1) ,

где р_и и р_к – давления насыщенного пара при температуре испарения и конденсации соответственно; M – масса молекулы; k – постоянная Больцмана; Т – температура испарения; a - коэффициент испарения (для многих веществ он не сильно отличается от единицы).

Обычно температура испарителя значительно превышает температуру подложки и стенок камеры, поэтому р_и >> р_к. С учетом этого формулу (4.1)

можно привести к виду

где М(г/моль) – молекулярная масса вещества;

- условная температура, в градусах Кельвина.

Cкорость испарения вещества с испарителя площадью 1 см² при условной температуре испарения . При T=T_у р_и = р_s = 1,3 Па и скорость испарения

где М – молярная масса вещества. Полученное выражение представляет собой уравнение Ленгмюра.

Для однокомпонентной двухфазной равновесной системы, например системы «твердое вещество - пар» или «жидкость - пар», в соответствии с правилом фаз Гиббса существует только один независимый параметр – температура вещества в испарителе Т, от которой зависит давление насыщенного пара р_и. Эта зависимость выражается уравнением Клаузиуса-Клапейрона

(4.2)

где ΔQ – молярная теплота парообразования; V_m.n, V_m.ж – молярные объемы вещества в парообразной и жидкой фазах соответственно. Так как при испарении V_m.n >> V_m.ж, то молярным объемом жидкой фазы в уравнении (4.2) можно пренебречь. Тогда

(3)

lgp_S = A-B/T,

где A и B постоянные, характеризующие вещество (см. табл.), p_S – упругость пара [Па] const – постоянная интегрирования.

Температура, при которой p_s=1,33 Па, называют условной температурой испарения. Для некоторых веществ условная температура испарения меньше температуры плавления, то есть вещества интенсивно испаряются из твердого состояния. Это явление называется возгонкой или сублимацией.

Из полученного выражения следует, что давление насыщенного пара р_и увеличивается с ростом температуры по экспоненциальному закону.

Зависимости давления насыщенного пара от температуры для всех веществ, используемых для напыления тонких пленок, представлены в различных справочниках в форме подробных таблиц или графиков.