close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

3168.683.Применение ЭВМ при моделировании процессов термического напыления в вакууме

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Казанский государственный технологический университет»
ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ
ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ
В ВАКУУМЕ
Методические указания
к лабораторным работам
Казань
КГТУ
2008
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.52
Составители: доц. С.А.Бурцев
доц. А.В.Гаврилов
доц. Т.Г. Булатова
Применение ЭВМ при моделировании процессов термического
напыления в вакууме: методические указания к лабораторным работам /
сост.: С.А. Бурцев, А.В. Гаврилов, Т.Г. Булатова. – Казань: Изд-во Казан. гос.
технол. ун-та, 2008. – 48 c.
Изложены методики расчетов процессов, происходящих при
термическом
напылении
в
вакууме.
Рассмотрены
возможности
моделирования толщины пленки для однокомпонентных покрытий.
Предназначены для студентов, обучающихся по специальности
«Вакуумная и компрессорная техника физических установок» (15080165)
очной и очно-заочной форм обучения.
Подготовлены на кафедре вакуумной техники электрофизических
установок.
Печатаются по решению методической
химического и нефтяного машиностроения (ИХНМ)
комиссии
института
Рецензенты: проф. Н.Ф. Кашапов
доц. М.С. Курбангалеев
Корректор Ю.Е. Стрыхарь
Лицензия № 020404 от 6.03.97 г.
Подписано в печать 17.06.08.
Бумага писчая.
Печать Riso.
3,0 уч.-изд.л.
Тираж 100 экз.
Формат 60х84 1/16.
2,79 усл.печ.л.
Заказ
«С» 121
Издательство Казанского государственного технологического университета
Офсетная лаборатория Казанского государственного
технологического университета
420015, Казань, К.Маркса,68
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Процессы нанесения покрытий в вакууме все более
совершенствуются, наряду с испарением и катодным
напылением появились процессы ионного покрытия, т.е.
магнетронные, химические покрытия в газовой среде;
химические покрытия под плазмой; химические покрытия под
низким давлением.
При этом методы испарения и конденсации в вакууме
сохраняются, это обусловлено универсальностью технологии,
высокой производительностью процесса нанесения покрытий,
малой энергоёмкостью и рядом других преимуществ по
сравнению с традиционными методами получения покрытий
различного функционального назначения (гальваническим
осаждением,
плакированием,
плазменным
напылением,
катодным распылением). Одно из основных преимуществ
метода испарения и конденсации в вакууме – экологически
чистая технология.
В настоящей работе приведен обзор методики расчетов
некоторых геометрических и физических параметров при
испарении в вакууме.
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тема 1
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИСПАРЕНИЯ И КОНДЕНСАЦИИ
МЕТАЛЛОВ В ВАКУУМЕ
Процесс получения плёнок и покрытий методом
испарения и конденсации в вакууме состоит из двух этапов:
испарения вещества в вакууме и последующей конденсации
паров на подложке.
Испарение различных материалов в вакууме, в том числе
и металлов, происходит при нагревании до температуры
плавления и испарения (сублимации), либо при распылении
(методы катодного и магнетронного распыления). Металлы
можно
нагревать
резистивным
методом
(испарители
прямонакального и косвенного нагрева), электронным лучом,
электрической дугой, токами высокой частоты. Способы
нагрева,
определяющие
конструкции
соответствующих
внутрикамерных
устройств
промышленных
вакуумных
установок, детально описаны в инструкции по эксплуатации
установок. Большая часть металлов при нагреве переходит в
паровую фазу через жидкое состояние, т.е. сначала они
плавятся, а затем испаряются. Некоторые металлы (Cd, Zn, Mn и
в отдельных случаях чистый Cr) переходят из твёрдого
состояния в паровую фазу, минуя жидкую (сублимируют).
Характер распределения испаряемого вещества в
пространстве над испарителем определяется двумя основными
параметрами: рабочим давлением в вакуумной камере и
плотностью потока испаряемых атомов и молекул. Принята
следующая условная классификация: высокий вакуум (λ >> d),
средний вакуум (λ ≈ d) и низкий вакуум (λ << d), где λ - длина
свободного пути молекул; d – линейный размер вакуумной
камеры. Если давление паров испаряемого вещества (металла)
при температуре Tи не превышает 1.33 Па, то при рабочем
давлении в вакуумной камере порядка 10 –2 Па и менее
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
молекулы и атомы испаряемого вещества достигают
поверхности подложки без столкновений между собой и с
молекулами остаточных газов. В этом случае говорят, что
реализуется молекулярный режим испарения и конденсации, для
которого справедливы законы Ламберта – Кнудсена:
• распределение в пространстве потока вещества,
испарённого с плоской поверхности, пропорционально
cosϕ (ϕ - угол между направлением распространения
паров и нормалью к поверхности);
• число частиц, попадающих на поверхность подложки,
обратно пропорционально квадрату расстояния между
испарителем и подложкой.
Эти законы являются базовыми при анализе
закономерностей формирования плёнок на поверхностях
различной конфигурации.
При анализе процесса формирования покрытий на
подложках следует выделить два аспекта – физический и
технологический.
Физический
аспект
отражает
закономерности
формирования начальных слоёв покрытия, характер продольной
и поперечной структур, рельефа поверхности и др. Не
рассматривая детально теорию зародышеобразования и
основные закономерности начального роста кристаллов,
отметим, что процесс конденсации и структура сформированной
плёнки существенно зависят от кинетических параметров
конденсации, температуры и потенциального рельефа
подложки, плотности падающего молекулярного пучка,
характера взаимодействия осаждаемых атомов с подложкой. Из
указанных параметров существенным является температура
подложки. Многочисленными исследованиями установлено, что
на нейтральной (неориентированной) подложке молекулярный
пучок конденсируется только в том случае, если её температура
ниже некоторой критической Tкр.
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Принципиально возможны и реализуются на практике
два механизма конденсации молекулярных пучков испарённых
веществ на различных подложках – ПК (пар – кристалл) и ПЖК
(пар – жидкость – кристалл). Если реализуется механизм ПК, то
частицы, конденсирующиеся на начальных стадиях испарения
навески, имеют кристаллическое строение, и в дальнейшем
формируется только кристаллическая плёнка. Механизм ПЖК
проявляется в том, что образование конденсированной фазы на
подложке начинается с появления на подложке жидкой фазы в
виде капель, которые длительное время существуют на
подложке, после чего начинается процесс кристаллизации.
Рассмотренные механизмы кристаллизации определяют
различные характеры формирования и роста плёнки из паровой
фазы, что в конечном счёте определяет свойства плёнок.
Схематически механизмы конденсации ПК и ПЖК показаны на
рис. 1.1.
1
2
3
(а)
(б)
Рис.1.1. Схемы начальных стадий 1, 2, 3
роста конденсированной плёнки по механизмам
конденсации ПК (а) и ПЖК (б).
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Если конденсируемые атомы связаны с собой сильнее,
чем с поверхностью нейтральной подложки, они свободно и
достаточно интенсивно мигрируют с её поверхности. При
достаточно высокой плотности потока испаряемого вещества на
поверхности подложки образуются зародыши кристаллической
фазы или жидкой конденсированной фазы, которые
разрастаются сначала в двух (рис.1.1 б, стадия 3), а затем и в
трёх измерениях. Если же силы взаимной связи атомов или
молекул конденсирующегося вещества меньше сил их связи с
подложкой, резко возрастает влияние кинетических параметров
подложки на процесс формирования плёнки по механизму ПК.
В табл. 1.1 даны примеры механизмов конденсации
различных металлов на аморфных подложках.
Таблица 1.1 Механизмы ПК и ПЖК при формировании пленок
некоторых металлов на аморфных подложках
Испаряемое
вещество
Bi, Sn, Pb, Au, Cu,
Ag, Al
Zn, Mg, Cd, Sb
Bi, Sn, Pb, Au
Cu, Ag, Al
Температура
подложки
Характерный
механизм
конденсации
Tп<(2/3)Tпл
ПК
(1/3)Tпл<Tп<(2/3)Tпл
Tп>(2/3)Tпл
Tп<(1/3)Tпл
ПЖК
Следует отметить, что механизм конденсации зависит (в
первом приближении) от соотношения температуры подложки
Tп и температуры плавления Tпл конденсирующихся веществ.
При изменении Tп может измениться механизм конденсации.
При конденсации молекулярных пучков сложного состава
(например, при нанесении покрытий из сплавов) механизм
конденсации зависит и от состава паровой фазы. Приведённые в
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
табл. 1.1 данные установлены для случая формирования плёнок
«докритической» толщины, т.е. до момента образования
сплошного слоя. После завершения формирования сплошного
слоя, закономерности дальнейшего роста плёнки определяются
не непосредственно механизмом конденсации материала, а в
основном структурой первично сформированных слоёв.
Основные требования к материалу испарителя:
незначительное
(минимально
возможное)
давление
насыщенного пара при рабочей температуре; инертность по
отношению
к
испаряемому
материалу;
обеспечение
возможности изготовления различных конструкций.
Соблюдение первого требования обеспечивает получение
качественных пленок, не загрязненных атомами материала
испарителя, соблюдения второго требования – длительную
работу испарительного элемента, так как образование сплава
испаряемого вещества с материалом испарителя приводит к
быстрому разрушению испарителя. Кроме того, в результате
химической реакции возможно образование соединений с
низкой температурой испарения, что также приводит к
загрязнению
формируемого
конденсата.
Третье
(дополнительное) требование подбора материала испарителя
обусловлено, прежде всего, технологическими соображениями –
конструкцией токовых вводов и зажимов вакуумной установки.
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
СПОСОБЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВАКУУМНОГО
ИСПАРЕНИЯ И ИХ ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ
В зависимости от температуры испарения материал
нагревают:
• резистивным способом;
• воздействием высокочастотного электромагнитного поля;
• бомбардировкой ускоренными электронами;
• лучом лазера;
• с помощью электрического разряда.
Простейшие резистивные испарители изготавливают в
виде проволочной спирали, многожильных жгутов, корзиночек,
плоской ленты с углублениями, лодочек различной
конфигурации.
Прямонакальные испарители выполняют, как правило, из
тугоплавких металлов (вольфрам, молибдена и тантала),
имеющих высокую температуру плавления и низкое давление
паров при рабочей температуре. Некоторые свойства
тугоплавких металлов приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2 Свойства материалов для прямонакальных
испарителей
ρэл·108, Ом·м,
ε, %, при Т, К
Тпл, К
при Т, К
-4
10 , Па
293
2273 0…1273 0…2273
W
3650
2680
5.5
66
0.5
1.1
Mo
2850
2090
5.7
62
0.5
1.2
Ta
3270
2510
13.5
87
0.7
1.5
Примечание: ρэл – удельное электрическое сопротивление; ε - термическое расширение (относительное изменение
геометрических размеров при нагревании).
Металл
Т пл при
p = 1,33·
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Как правило, прямонакальные испарители используют
для испарения небольших количеств вещества. В практике
получения защитных покрытий толщиной несколько десятков
микрометров используют специальные устройства догрузки.
Прямонакальные испарители применяют для получения
некоторых видов функциональных покрытий изделий
электронной техники.
Значительно шире используют тигельные испарительные
устройства, конструктивно выполняемые как в активном, так и в
пассивном вариантах.
В первом случае тигель нагревается специальными
нагревателями, которые либо встроены в тигель, либо намотаны
на него (тигли с косвенным нагревом). При этом варианте
энергия к испаряемому материалу передается при тепловом
контакте с поверхностью тигля. Таким образом, в режиме
испарения температура тигля равна или несколько выше
расплава; это определяет требования к термостойкости
материала тигля.
Материалы
испарителя
должны
удовлетворять
следующим требованиям:
- давление пара материала при температуре испарения
должно быть пренебрежимо мало по сравнению с упругостью
пара напыляемого вещества;
- материал испарителя должен хорошо смачиваться
расплавленным напыляемым металлом с целью обеспечения
хорошего теплового контакта и равномерного потока пара;
- химическое взаимодействие между контактирующими
материалами, обусловливающее загрязнение покрытий и
разрушение испарителей, должно отсутствовать.
Способ применяется при испарении материалов,
температура нагрева которых не превышает 1500 °С.
Второй,
пассивный,
вариант
конструктивного
исполнения тигля реализуют на практике использованием
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
электронно-лучевого или индуктивного способов нагрева. В
этом случае тигель является контейнером и его температура
ниже температуры испаряемого вещества. Тигельные
испарители пассивного исполнения обычно более долговечны.
Тигли изготовляют из тугоплавких оксидов (ThO2, BeO,
ZrO2, AI2O3, MgO); реже используют оксиды типа SiO2, TiO2,
NiO.
В
электронно-лучевых
испарительных
системах
применяют тигли из тугоплавких металлов, а также
водоохлаждаемые медные тигли.
Также применяют термостойкие химически стабильные
тигли на основе боридов и нитридов. За рубежом широко
используют тигли из ВN, TiB2 и смеси BN-TiB2 (по 50% каждого
компонента).
Довольно широко для изготовления тиглей используют
углерод трех модификаций: промышленный, стеклообразный и
пиролитический графит.
При этом следует учесть, что такие металлы, как Al, Si,
Ti, K, Na, Li в расплавленном состоянии взаимодействуют с
графитом, образуя карбиды; Та, Мо и W образуют карбиды при
температурах соответственно 1273, 1470 и 1670К; Cu и Be в
расплавленном состоянии практически не взаимодействуют с
графитом. При взаимодействии графита с тугоплавкими
оксидами, например ThO2, BeO, ZrO2, происходит процесс их
восстановления. Отличие заключается лишь в температуре и
продолжительности реакции взаимодействия τ, после которой
начинается процесс восстановления; так, для ThO2 T=2273 K,
τ=240 c; для ВеО - Т=2570 К и τ =120 с, для ZrO2 - T=1870 K и
τ =240 с.
Прямонакальные испарители, несмотря на довольно
широкое распространение и простоту конструктивного
исполнения,
не
соответствуют
всем
требованиям,
предъявленным к технологическим процессам получения
вакуумных покрытий. Основные недостатки этих испарителей –
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
высокая энергоемкость, ограниченные возможности при
нанесении толстых покрытий, низкое качество покрытий
вследствие их загрязнения атомами испарителя и продуктами
взаимодействия материала испарителя и испаряемого вещества.
Этих недостатков лишены испарительные устройства и
системы, основанные на электронно-лучевом способе нагрева.
Электронно-лучевой способ нагрева заключается в том, что на
поверхность металла, сплава или какого-либо соединения,
помещенного в тигель, направляют поток электронов, который
довольно быстро нагревает вещество до температуры плавления,
а затем и испарения. Носителем энергии является луч с энергией
(9,6…48,0)10-16 Дж. В результате взаимодействия электронного
луча с поверхностью испаряемого материала, кинетическая
энергия электронов преобразуется в тепловую. Материал
нагревается и испаряется. При таком способе существует
принципиальная возможность поддержания вещества при
температуре испарения в течение довольно длительного
времени. Соответственно практически нет ограничений по
толщине наносимых слоев.
Конструктивно
электронно-лучевые
испарители
выполняют в различных модификациях – с линейным,
кольцевым (аксиальные пушки) или полым (газоразрядные
пушки) катодом. Однако для всех систем характерно наличие
функциональных типовых узлов: источника электронов,
ускоряющего анода, системы поворота электронного пучка и
системы его фокусировки. Сформированный электронный пучок
направлен в тигель с расплавом.
Электронный пучок может быть направлен в тигель с
испаряемым веществом несколькими способами: без отклонения
пучка и отклонением пучка на 45; 90; 180 и 2700. Следует
отметить, что использование пушек с отклоняемым пучком
электронов позволяет решать более широкий диапазон
технологических задач, но при этом эффективность пучка
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
снижается: с увеличением угла отклонения пучка возрастает
рассеяние электронов и требуется повышенная мощность.
Преимущества
электронно-лучевого
испарения
обусловлены прежде всего тем, что это единственный способ,
при котором энергия подводится непосредственно к
поверхности, где формируется поток пара. Метод позволяет:
•
достичь значительной поверхностной плотности
энергии, благодаря чему могут быть реализованы высокие
скорости испарения различных материалов, в том числе
тугоплавких металлов, оксидов и других соединений;
обеспечить простую регулировку мощности и
•
распределение энергии по поверхности нагрева, что
позволяет относительно легко регулировать толщину и
равномерность нанесения покрытий.
Принципиальная схема электронно-лучевого испарения
в вакууме дана на рис.1.2.
1 – прикатодный формирующий
электрод; 2 – термоэлектронный катод; 3 – анод; 4 – поток
электронов; 5 – система магнитной фокусировки; 6 – узел
поворота электромагнитного
пучка на 90°; 7 – водоохлаждаемый тигель; 8 – поток пара;
9 – заслонка; 10 – подложкодержатель; 11 – патрубок к
системе вакууммирования
Рис. 1.2. Принципиальная схема электронно-лучевого
испарения
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ускоренный пучок электронов с помощью отклоняющей
системы непосредственно направляется на поверхность
испаряемого материала. При столкновении с частицами
окружающей среды электроны могут терять свою энергию и
изменять направление движения. Число столкновений
определяется
концентрацией
частиц,
протяженностью
электронного потока и его сечением. Для исключения
газовыделения в процессе нагрева необходимо применять
высокочистые исходные материалы.
Системы отклонения и фокусировки имеют три основные
модификации - электростатические, электромагнитные и на
постоянных
магнитах.
Наиболее
широко
используют
электромагнитные системы.
Электронная пушка (рис.1.3) – устройство для создания,
ускорения и фокусировки пучка электронов – состоит из
катодного узла и системы фокусировки, обеспечивающей
направленность потока. Последняя, включает прикатодный
фокусирующий электрод, ускоряющий анод и устройство
магнитной фокусировки.
Рис.1.3. Схема плоско-лучевой электронной пушки
1 – катодный узел; 2 – проволочный термоэлектронный
катод; 3 – анод; 4 – ускоренный пучок электронов; 5 –
устройство магнитного поворота электронов; 6 – водоохлаждаемый медный тигель; 7 – охлаждаемая ловушка для
отраженных электронов
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Принципиальная схема установки “ионного осаждения”
представлена на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Схема установки “ионного осаждения”
1 – тлеющий разряд; 2 – катодная зона; 3 – подложки; 4 –
подложкодержатель, отрицательное напряжение
смещения 1-5 кВ; 5 – высоковольтный выпрямитель; 6 –
тигель; 7 – испаритель; 8 – напуск аргона
Анодом тлеющего разряда служит тигель с испаряемым
материалом, который обычно находится под потенциалом
земли. Процесс происходит следующим образом. Камера
предварительно вакуумируется до давления не выше 10-4 Па.
При закрытой заслонке напыляемый материал расплавляется и
производится его дегазация. Затем испаритель отключается, на
подложку подается отрицательный потенциал смещения 2-5 кВ,
и в камеру напускают рабочий газ аргон. При давлении порядка
10-1-1 Па, в зависимости от геометрии устройства и
межэлектродных расстояний, между подложкой и испаряемым
материалом возбуждается тлеющий разряд. Поверхность
подложки в результате бомбардировки ускоренными ионами и
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
возбужденными атомами аргона распыляется. В некоторых
случаях, с целью повышения эффективности удаления
примесей, в состав аргона вводят химически активный газ,
образующий с ними летучие соединения. Производится очистка
поверхности подложки от оксидных соединений.
При достижении равновесного минимального тока на
подложке начинается напыление. Испарение ведется в условиях
тлеющего разряда. На поверхности подложки протекают два
конкурирующих процесса: распыление и осаждение. На
начальных стадиях, когда подложка находится под высоким
потенциалом (3-5 кВ), скорость распыления выше. Затем
потенциал уменьшается и идет осаждение покрытия при
бомбардировке растущего слоя энергетическими частицами.
Напыление возможно, как в тлеющем разряде, так и в его
отсутствии. В последнем случае напуск аргона прекращается, и
процесс
ведется
аналогично
классическому
способу
термовакуумного напыления. При напылении покрытий на
диэлектрические материалы используют высокочастотный
разряд, либо при разряде в постоянном токе вблизи них
устанавливается сетка, изготавливаемая из напыляемого или
другого инертного материала, на которую подается высокий
отрицательный потенциал.
На начальных стадиях роста поверхность подложки и
растущий слой подвергаются интенсивной бомбардировке
ионами, ускоренными в темном катодном пространстве, и
возбужденными частицами. Основной вклад при этом вносится
возбужденными нейтральными частицами, составляющими 90%
всей энергии потока. Энергия частиц колеблется от значений,
определяемых ее температурой нагрева, до энергий ионов,
ускоренных в поле подложки.
Воздействие энергетических частиц обусловливает
десорбцию газов, распыление приповерхностного слоя, рост
дефектов кристаллической решетки, изменение морфологии
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
поверхности и структур роста тонких пленок и покрытий. Все
это
обусловливает
напыление
высокочастотных
прочносцепленных покрытий. Кроме того, покрытия,
осажденные данным способом, характеризуются достаточно
высокой равномерностью по толщине при напылении на
поверхности со сложной геометрией.
Основные
преимущества
метода
термического
испарения в следующем:
• возможность нанесения пленок металлов (в том числе
тугоплавких), сплавов, полупроводниковых соединений
и диэлектрических пленок;
• простота реализации;
• высокая скорость испарения вещества и возможность
регулирования ее в широких пределах за счет изменения
подводимой к испарителю мощности;
• возможность
получения
покрытий,
практически
свободных от загрязнения.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа 1
Определение скорости испарения при термическом
напылении в зависимости от температуры, давления и типа
материала
Цель работы: подобрать вид технологического варианта
испарения и используя приведенные ниже формулы, рассчитать
скорость испарения в зависимости от типа распыляемого
материала и температуры испарения.
Скорость испарения Vи, [кг/(м2с)] всех веществ
определяется давлением паров p, [Па] при температуре
испарения Tи, [K] и молекулярной массой вещества M:
VИ = 0,438 ⋅ 10 −2 p M TИ ;
(1.1)
VИ = A1 ⋅ p .
(1.2)
Зависимость давления паров от температуры в общем
виде описывается уравнением:
lg p =AT –1 + B lg T + CT + DT 2 + E ,
(1.3)
где А, В, С, D и Е – константы, характерные для данного
вещества.
При проведении расчетов обычно ограничиваются
коэффициентами А, В и Е, значения которых для некоторых
металлов приведены в табл.1.3. Значение коэффициента В
следует учитывать только для Na, K, Rb, Cs, Zn, Cd и Hg.
В приложении приведены основные термодинамические
характеристики элементов, наиболее широко используемых в
технологии нанесения покрытий в вакууме (Тпл и Тк – температуры плавления и кипения).
При
определении
основных
параметров
технологического процесса нанесения покрытий оператору
необходимо, как минимум, определить скорость испарения
вещества. Для этого он должен выполнить следующие
операции:
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- выбрать необходимый элемент;
- задаться ориентировочно температурой испарения Ти;
- выбрать наиболее близкое значение Ти из значений,
приведенных в приложении;
- затем умножив коэффициент А1 на соответствующее
значение р, определить скорость испарения.
Таблица 1.3 Значения констант А, В и Е в формуле (1.3)
Элемент
М
А· 10 −3
В
Е
Серебро (Ag)
Алюминий (Al)
Золото (Au)
Висмут (Bi)
Бериллий (Be)
Кадмий (Cd)
Кобальт (Co)
Хром (Cr)
Медь (Cu)
Железо (Fe)
Германий (Ge)
Индий (In)
Иридий (Ir)
Магний (Mg)
Марганец (Mn)
Молибден (Mo)
Натрий (Na)
Ниобий (Nb)
Никель (Ni)
Свинец (Pb)
Палладий (Pd)
108
30
197
209
9
112
59
52
64
56
73
115
192
24
55
96
23
93
59
207
106
14.27
15.94
1758
9.53
16.47
5.72
21.11
20.00
16.98
19.97
18.03
12.48
31.23
7.65
13.74
30.85
5.49
40.40
20.96
9.71
19.71
8.63
8.27
8.80
8.10
8.25
8.35
9.35
9.56
8.63
9.08
8.40
8.03
9.98
8.10
8.77
8.40
7.17
11.12
9.40
7.69
8.56
9.73
9.67
9.77
9.06
9.89
9.44
10.58
10.82
9.74
10.32
9.49
9.09
10.95
9.52
10.02
9.52
8.60
12.25
10.63
8.65
9.66
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Порядок выполнения и оформления лабораторной
работы:
1. В редакторе Word подготовьте документ для
оформления отчета: название работы, исполнители работы,
постановка задачи.
2. Определите вид технологического варианта испарения,
получите у преподавателя список элементов, для которых вы
будете определять скорости испарения.
2.1. – ориентировочно задайтесь температурой испарения
Ти;
– выберите наиболее близкое значение Ти из значений,
приведенных в приложении (при необходимости проведите
интерполяцию);
– определите скорости испарения по формуле (1.1),
значения для расчетов возьмите из приложения.
– по результатам расчетов постройте зависимость
скорости испарения от давления для рассмотренных элементов.
2.2. – выберите из табл. 1.3 четыре элемента;
– задайтесь диапазоном температур испарения (минимум
пять значений);
– по формуле (1.3) рассчитайте значения давления паров
выбранных элементов при различных температурах;
– постройте зависимость давления паров от температуры
испарения для выбранных элементов.
3. Полученные графики перенесите в отчет (Word).
4. По полученным результатам напишите вывод: как
меняется скорость испарения в зависимости от молекулярной
массы испаряемого вещества, давления и температуры
испарения.
Расчеты можно выполнить, используя
программы: Excel, Mathematicа или MathCAD.
20
на
выбор
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В качестве примера в табл.1.4 представлены результаты,
полученные в автоматизированном режиме в ходе проведения
технологического процесса на промышленной установке УВН74П4.М расположенной в отделе микроэлектроники ФГУП
«КПКБ».
Таблица 1.4 Выходные обработанные данные
Al
V
Vи·10-7
3,04
2,75
2,51
2,31
2,13
1,90
1,80
3,96
3,58
3,27
3,01
2,78
2,59
2,42
T и, K
473
523
573
623
673
723
773
473
523
573
623
673
723
773
M
30
P, Па
6·10-3
51
6·10-3
τ, с
15
25
35
40
45
50
60
15
25
35
40
45
50
60
Данные обработаны и представлены в виде графиков
рис.1.5, 1.6.
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис.1.5. Зависимость скорости испарения металлов (алюминия
и ванадия) от температуры испарения
Рис.1.6. Зависимость скорости испарения металлов (алюминия
и ванадия) от времени испарения
Контрольные вопросы
1. Какие существуют варианты конструкций испарительных систем?
2. Какие материалы используются для изготовления
испарителей?
3. В чем принципиальное отличие прямонакальных и
электроннолучевых испарителей?
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Какие существуют способы вакуумного термического
испарения?
5. Как можно предварительно определить скорость
испарения Vи?
6. Как зависит Vи от материала?
7. Как зависит Vи от температуры?
8. От чего зависит увеличение области возбуждения
электронов?
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Тема 2
КОНФИГУРАЦИЯ СИСТЕМЫ НАПЫЛЕНИЯ
ПРИ НАНЕСЕНИИ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ
Технологический аспект процесса конденсации отражает
характер распределения толщины плёнки вдоль поверхности
подложки и рассматривает влияние геометрических параметров
испарения (размеров и формы испарителей и подложки, их
взаимного расположения) и режима металлизации на
равномерность толщины покрытия.
Предварительное моделирование и расчет системы
испарения позволяют достичь равномерности толщины
напыленной пленки, т.к. равномерность толщины имеет важное
значение при создании различных функциональных элементов
методами тонкопленочной технологии. Чтобы обеспечить
допустимую неравномерность пленок по толщине для
требуемого распределения покрытия по толщине, оператор
должен знать основные принципы обеспечения данного
технологического
параметра
металлизации,
основные
закономерности формирования покрытия на неподвижных и
движущихся подложках при использовании испарительных
систем различных конструкций.
Толщина пленки в произвольной точке на поверхности
неподвижной подложки, удаленной от точечного испарителя на
расстояние h, определяется выражением
(
)
−1
1,5
 ,
d = m 4πρh 2 1 + l
(2.1)
h 

где m - масса испаренного вещества; ρ - плотность вещества;
l - расстояние от центра подложки до исследуемой точки.
Приняты следующие допущения: давление в вакуумной
камере в процессе напыления невелико, что исключает
рассеяние частиц испаренного вещества вследствие соударений
с молекулами остаточной атмосферы; возможное столкновение
испаренных частиц между собой в пространстве между
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
испарителем и подложкой не влияют на характер распределения
потока паров; испарение происходит с зеркала расплава (т.е. не
учтены реальная форма испарителя, а также явление смачивания
поверхности испарителя расплавом, искажающее форму
поверхности испарения).
Если толщину пленки, формирующейся в центре
подложки, обозначить d0, то отношение d/d0 определяет
относительную толщину пленки в произвольной точке на
поверхности подложки.
Наиболее простой способ увеличения равномерности
толщины вакуумных покрытий – подбор геометрии испарения
(взаимного расположения испарителя и подложки, размеров и
формы испарителя).
Рассмотрим наиболее характерный вариант получения
функциональных покрытий на подложках, вращающихся
относительно вертикальной оси (рис.2.1). Линейные размеры
испарителя (2) значительно меньше размеров подложки (1).
Обозначим h – расстояние между испарителями и подложкой;
δ – расстояние между осью вращения подложки и осью
испарителя; R и γ- радиус вектор и угловая координата
произвольный точки на поверхности подложки; r0 и r –
расстояние от испарителя до двух точек соответственно B и C.
Введя безразмерные параметры геометрии испарения
Н = h/ δ
и
Х =R/ δ,
(2.2)
можно получить группу кривых, описывающих распределение
толщины покрытия в точках с различными координатами Х при
фиксированных значениях Н (рис.2.2). При многократном
прохождение подложки над поверхностью испарителя характер
распределения толщины пленки вдоль поверхности подложки
аналогичен получаемому за один оборот подложки.
Для кольцевого испарителя мгновенное значение
толщины покрытия, формирующегося за промежуток времени
dτ в точке В с координатами ξ, η от элемента испарителя
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
площадью dS
выражением
на
поверхности
подложки,
(
определяется
)
∂d (τ ) ∂τ = VИ ⋅ h 2 ⋅ dS π ⋅ ρ ⋅ r 4 ,
(2.3)
где Vи – скорость испарения материала; r – расстояние от
элемента испарителя до точки В.
Рис. 2.1. Схематичное изображение плоской вращающейся
подложки параллельной плоскому элементарному испарителю
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис.2.2. Кривые распределения толщины покрытия вдоль
поверхности плоской подложки при различных значениях
параметра Н
Если
представить
кольцевой
испаритель
как
совокупность точечных испарителей, то суммарную толщину
покрытия в точке В (рис. 2.3) подложки можно определить
интегрированием по всей поверхности кольцевого испарителя:
R
2π
∂d (τ ) VИ 1
h 2 ⋅ dϕ
=
RdR ∫
. (2.4)
2
2 2
2
∂τ
π ⋅ ρ R∫2
0 h + (ξ + R ⋅ cos ϕ ) + (η − R ⋅ sin ϕ )
(
)
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис.2.3. Схематичное расположение кольцевого
испарителя и прямоугольной подложки
Распределение плотности потока испаряющихся частиц
подчиняется закону косинуса высших порядков cos n ϕ ;
показатель степени n увеличивается с ростом скорости
испарения. Относительное изменение толщины покрытия на
плоской подложке:
∆d
= (n + 3)tgθ∆θ ,
(2.5)
d0
где θ - угол падения испаряющейся частицы на подложку.
(
28
)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
С ростом n резко уменьшается равномерность
распределения толщины покрытия от точечного и кольцевого
испарителя. Равномерность распределения покрытия по
толщине можно увеличить:
• распределением зон интенсивного испарения на
большой площади;
• размещением подложек по поверхности с одинаковой
плотностью потока пара;
• согласованием времени пребывания подложки в потоке
пара с распределением плотности путем подбора
геометрии испарения;
• коррекцией распределения плотности потока пара
установкой диафрагм.
Рассмотрим каждый из этих способов.
Один из методов повышения равномерности толщины
покрытия большой площади – применение нескольких
источников с малой поверхностью испарения. Оптимизируя их
число и взаимное расположение, а также скорость испарения с
учетом эмиссионных характеристик отдельных испарителей,
можно добиться требуемого распределения плотности общего
потока паров. Результирующее распределение толщины слоя
можно рассчитать, суммируя вклады отдельных испарителей.
При нанесении покрытий на подложки большой площади
испарители располагают по прямой или по окружности.
Равномерность толщины можно повысить подбором
взаимного расположения испарителя и подложки.
При металлизации большого числа подложек их
располагают в верхней части куполообразной установки. При
этом куполообразная часть вращается, перемещаясь по
кольцевым направляющим, расположенным внутри установки.
Получение
равномерного
покрытия
обеспечивают
соответственно
рассчитанные
кольцевые
диафрагмы,
расположенные в непосредственной близости от покрываемых
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
подложек. При этом источник напыления находится внизу
вблизи центра кривизны куполообразной оболочки.
При оптимальной геометрии испарения равномерность
распределения покрытия по толщине можно незначительно
откорректировать, повысив давление инертного газа в камере,
что приводит к рассеянию испаренных частиц на молекулах
инертного газа (рис.2.4).
Рис.2.4. Кривые распределения толщины покрытия вдоль
поверхности подложки: 1 - при отсутствии столкновений
испаренных частиц между собой; 2 - при диффузии испаренного
металла через аргон (рAr = 1,33 Па)
Наиболее
эффективный
способ
повышения
равномерности
распределения
толщины
покрытия
использование различных экранирующих устройств, а также
диафрагм и заслонок в сочетании с вращением подложек и
подбор оптимальной геометрии испарения.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис.2.5. Схема
внутрикамерного устройства
для получения однородных по
толщине пленок (r, z - радиус
и координата дисковой
заслонки)
Рис.2.6. Кривые распределения
толщины пленки вдоль
поверхности плоской подложки
радиуса R
На рис. 2.5 приведена схема внутрикамерного устройства
в виде трубы, в которой расположен диск, преграждающий
поток испаряющегося вещества на подложку, и показано
распределение покрытия по толщине при различных
положениях диска (рис.2.6). При такой конструкции
экранирующего устройства на подложку попадают частицы,
отраженные от стенок трубы; для этих частиц выполняется
закон Ламберта - Кнудсена (штриховая линия соответствует
оптимальному взаимному расположению внутрикамерных
устройств).
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа 2
Определение толщины напыляемых пленок в зависимости
от различных параметров
Цель работы: используя приведенные формулы,
научиться моделировать и рассчитывать толщину напыления в
зависимости от материала, источника испарения и геометрии
расположения испарителя и напыляемой поверхности.
Порядок выполнения работы: работа состоит из трех
частей, которые могут выполняться как отдельно, так и
совместно.
1. В редакторе Word подготовить документ для
оформления отчета: название работы, исполнители работы,
постановка задачи.
2. Выбрать кольцевой или точечный источник
распыления, и соответствующую ему формулу для
моделирования процесса распыления.
Часть 1:
- по приложению подобрать три вида материала
испаряемого вещества, записать их молекулярную массу (М) и
плотность (ρ);
- произвести расчеты по соответствующей формуле для
трех веществ, варьируя величиной h, расстояние l от центра
подложки до исследуемой точки считать величиной постоянной
(значение взять у преподавателя);
- по результатам расчетов построить график зависимости
толщины напыления d от расстояния между испарителем и
подложкой h для различных материалов, т.е. d=f(h,M).
Часть 2:
- по приложению подобрать три вида материала
испаряемого вещества, записать их молекулярную массу (М) и
плотность (ρ);
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- произвести расчеты по соответствующей формуле для
трех веществ, варьируя величиной l, расстояние h между
испарителем и подложкой считать величиной постоянной
(значение взять у преподавателя);
- по результатам расчетов построить график зависимости
толщины напыления d от расстояния от центра подложки до
исследуемой точки l для различных материалов, т.е. d=f(l,M).
Часть 3:
- по приложению выбрать материал испаряемого
вещества, записать его молекулярную массу (М) и плотность (ρ);
- произвести расчеты по соответствующей формуле для
исследуемого вещества варьируя величинами h и l;
- по результатам расчетов построить график зависимости
толщины напыления d от l расстояния от центра подложки до
исследуемой точки при различных расстояниях между
испарителем и подложкой h для исследуемого материала, т.е.
d=f(l,h).
3. Перенести таблицы и графики в Word.
4. Оформить работу, сделать выводы.
Выполнять задание можно в Excel, Mathematicа или
MathCAD, по выбору.
Пример оформления расчетной и графической части
выполненного задания в Excel:
Часть 1
Масса
Плотность
h
d(Na)
d(Pb)
d(Pd)
23
2,04
0,2
0,9055 2,4095 0,7112
207
6,9
0,4
0,5419 1,4420 0,4256
106
11,97
0,6
0,3808 1,0132 0,2991
0,8
0,2877 0,7655 0,2259
l=1,5
1
0,2270 0,6042 0,1783
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
d
2,5
2
Na
1,5
Pb
Pd
1
0,5
0
0
0,2
0,4
Часть 2
Масса
Плотность
23
2,04
207
6,9
106
11,97
l
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
h =1
2,5
0,6
0,8
d(Na)
0,7781
0,6829
0,6056
0,5419
0,4886
d
1 h
d(Pb)
2,0703
1,8170
1,6114
1,4419
1,3002
Na
Pb
Pd
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
0
0,2
0,4
34
l
d(Pd)
0,6111
0,5364
0,4757
0,4256
0,3838
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Часть 3
Масса Плотность
23
2,04
h
L
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
22,44
12,22
7,93
5,68
4,32
3,43
Значение d при различных
значениях h и L
5,61 2,49 1,40
0,90
4,01 1,98 1,18
0,78
3,05 1,62 1,00
0,68
2,42 1,36 0,87
0,61
1,98 1,16 0,76
0,54
1,66 1,00 0,68
0,49
d=f(L, h)
25
h=0,2
h=0,4
20
h=0,6
15
h=0,8
d
h=1
10
5
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6 L
Контрольные вопросы
1. Какие конструкции в вакуумных установках
напыления можно представить в виде точечных источников?
2. С какой целью предварительно рассчитывается и
моделируется толщина напыления?
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. Как зависит толщина покрытия от вида напыляемого
материала?
4. В каких установках используется кольцевой источник
для распыления вещества?
5. Как можно смоделировать толщину напыления от трех
точечных источников?
36
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ТЕМА 3
ТЕРМИЧЕСКОЕ НАПЫЛЕНИЕ НА ОСНОВЕ
РАЗРЯДНОГО ИСПАРИТЕЛЯ
В основу разрядного устройства была положена
конструкция электронно-лучевой пушки с кольцевым
термоэлектронным катодом – наличие электрического
ускоряющего поля в зоне испарения и небольшое давление
пара для возбуждения разряда (рис.3.1).
Рис. 3.1. Схема установки вакуумного напыления с применением
разрядного испарителя анодной формы:
1 – источник накала катода; 2 – источник питания разряда;
3 – высоковольтный выпрямитель; 4 – подложка; 5 – заслонка;
6 – система электростатической фокусировки; 7 – магнит;
8 – термоэлектронный катод; 9 – тигель с испаряемым
материалом; 10 – система вакуумирования
37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Под действием электрического поля ускоренный поток
электронов бомбардирует поверхность исходного напыляемого
металла, находящегося под потенциалом анода, обеспечивая
его нагрев и испарение. Давление паров в межэлектродном
пространстве растет с увеличением мощности. Одновременно,
в результате столкновений с электронами, происходит
возбуждение и ионизация испаренных атомов. При некоторой
скорости испарения, значение которой определяется природой
напыляемого материала и конструктивными параметрами
устройства, между катодом и анодом возбуждается разряд.
Возникновение разряда сопровождается ярким свечением
вытекающего потока пара с характерным цветом для каждого
испаряемого металла. Разряд является несамостоятельным, так
как термоэлектронная эмиссия катода достигается за счет его
накала от дополнительного источника. Регулируемый ток
термоэлектронов значительно облегчает управление процессом
испарения. Устойчивость разряда и его параметры зависят как
от физических условий горения, так и от характеристики
источника питания.
При испарении металлов используют высоковольтный
(напряжение 200÷700В, ток от 1 до 10А) и низковольтный
(напряжение 30÷70В, ток до 100А) разряды. Степень ионизации
осажденных атомов, в зависимости от режима разряда, в
первом случае изменяется в интервале от 2 до 30%, во втором –
приближается к 100%. Возбуждение низковольтного дугового
разряда обеспечивается напуском аргона в пространство между
электродами и начальным возникновением разряда в среде газа.
По мере нагрева и испарения напыляемого материала
натекание аргона постепенно перекрывается, и разряд горит
только в парах металла. Вакуум при напылении с помощью
разрядного испарителя анодной формы должен быть не более
10-3 Па.
38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Испарение металлов с помощью данного разряда
обусловливает значительное повышение энергии осажденных
атомов и таким образом позволяет активно влиять на процессы
зарождения и роста покрытий. Поток пара, ускоренный в
электрическом поле подложки, не только очищает ее
поверхность, удаляя адсорбированные слои газа, но и изменяет
кристаллографическую структуру приповерхностного слоя,
производя его распыление.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Лабораторная работа 3
Определение эффективного сечения процессов возбуждения
и ионизации атомов
Цель работы: используя приведенные формулы,
рассчитать для нескольких металлов эффективное сечение
процессов возбуждения и ионизации атомов, происходящих в
вакууме.
При изучении процессов столкновения атомных частиц
иногда удобно пользоваться не средней длиной свободного
пробега λ, а обратной величиной 1/λ, которая является мерой
вероятности элементарного акта и называется полным
эффективным сечением Q. Для упругих соударений между
одинаковыми частицами:
1
Q = = 2πδ 2 n
(3.1)
λ
и представляет собой общую площадь (сечение) всех частиц,
которые содержатся в единице объема данного газа.
На практике часто пользуются эффективным сечением q,
отнесенным к одной частице, тогда
q=Q/n.
(3.2)
Полное эффективное сечение Q принято относить к
условиям, когда р = 1мм рт. ст., t= 0 0C.
Если электрон имеет достаточную энергию и движется в
атмосфере какого-либо газа, то при соударениях часть молекул
может быть ионизирована или переведена в возбужденное
состояние. Эти процессы тоже описываются эффективными
сечениями возбуждения qв и ионизации qi, которые по своей
величине меньше эффективного поперечника для упругих
соударений, потому что не все столкновения будут вызывать
возбуждение или ионизацию молекул газа. В этом случае
qВ = g e f В
qi = g e f i
(3.3)
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где fВ и fi – функции возбуждения и ионизации соответственно.
Они определяют долю соударений, которые приводят к
возбуждению или ионизации молекул газа, т.е. вероятность того
или иного процесса.
Иногда удобно пользоваться такими функциями, как
относительное возбуждение Sв и относительная ионизация Si,
которые определяют число возбужденных или ионизированных
молекул, создаваемых одним электроном на пути в 1см при
р = 1мм рт.ст. и t = 00C.
Можно предположить, что относительное возбуждение
(эффективность возбуждения) и относительная ионизация
(эффективность ионизации) численно равны полному
эффективному сечению соответствующего процесса.
Зависимость функций возбуждения и ионизации, а также
эффективностей возбуждения и ионизации от энергии
электронов устанавливают экспериментально или путем
расчета.
Из анализа зависимости эффективности ионизации от
энергии электронов для различных газов можно сказать, что для
всех газов эффективность ионизации увеличивается при
увеличении энергии электронов, затем проходит через
максимум (V = 80÷120В) и снова падает. Для интервала энергий
от потенциала ионизации до 500В можно пользоваться
приближенной аппроксимацией для Si:
S i (VB ) =
a(VB − Vi )
(VB − Vi + b )2
,
(3.4)
где а и b - постоянные величины, зависящие от рода газа.
Значения а и b для некоторых газов приведены в табл. 3.1.
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица 3.1 Значения констант для уравнения (3.4)
Вещество
Константы
a
b
H
He
Ne
Ar
О
Hg
4450
107,5
5970
74,6
N
750 429 1780 3850 3320
50,7 85,5 148,5 74,3
74
Порядок выполнения работы:
1. Выбрать из таблицы 3.1 пять веществ.
2. Рассчитать для них значение относительной ионизации
Si по формуле (3.4) при различных значениях потенциала
ионизации Vi (значения взять у преподавателя).
3. По результатам расчетов, представленных в табличной
форме, построить график зависимости относительной ионизации
Si от потенциала ионизации Vi для выбранных веществ (рис.3.1).
4. Сделать выводы о характере изменения исследуемых
величин.
Пример оформления расчетной и графической части
выполненного задания в Excel: Исходные данные Vе=1; Vi=0,8;
Vi= 0,5; Vi=0,3.
Vi
Vi
Vi
Газ
a
b
H
750
50,7
Hg
5970
74,6
He
429
85,5
Ar
3850
74,3
N
3320
81
0,8
0,5
0,3
0,0579
0,1431
0,1987
0,0254
0,0628
0,0872
0,2134
0,5293
0,7370
0,1387
0,3441
0,4791
0,1007
0,2499
0,3482
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Si
Зависимость Si от Vi для веществ с различной молекулярной
массой
0,8000
0,7000
H
0,6000
He
0,5000
Ar
0,4000
N
0,3000
Hg
0,2000
0,1000
0,0000
0,2
0,4
0,6
0,8
1Vi
Рис.3.1 Зависимость относительной ионизации от потенциала
ионизации для веществ с различной молекулярной массой
Контрольные вопросы:
1. В чем отличие понятия полного эффективного сечения
от эффективного сечения?
2. Дайте определение эффективному сечению возбуждения и ионизации.
3. Что такое относительное возбуждение и относительная
ионизация?
4. Объясните зависимость эффективности ионизации от
энергии электронов.
5. При каких значениях энергии ионизирующих электронов вероятность ионизации имеет максимум?
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Список литературы
1. Костржицкий, А.И. Справочник оператора установок по
нанесению покрытий в вакууме / А.И. Костржицкий [ и др.]. – М.:
Машиностроение, 1991. – 176 с.
2. Никитин, М.М. Технология и оборудование вакуумного
напыления / М.М. Никитин. – М.: Металлургия, 1992. – 112 с.
3. Ройх, И.Л. Нанесение защитных покрытий в вакууме /
И.Л. Ройх, Л.Н. Колтунова, С.Н. Федосов. – М.: Машиностроение, 1976. – 366 с.
4. Технология тонких пленок / под ред. Л. Майссела. НьюЙорк, 1970; пер с англ.; под ред. М.И. Елинсона. Т.1. – М.:
Советское радио, 1977. – 664 с.
5. Ройх, И.Л. Защитные покрытия на стали / И.Л. Ройх,
Л.Н. Колтунова – М.: Машиностроение, 1971. – 280 с.
44
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Приложение
Физические и термодинамические параметры элементов
Элем
ент
Тпл,
К
Тк,
К
1
2
3
Ag
1234
2435
Al
932
2736
As
1090
886
Au
1336
3081
Bi
545
1852
Be
1556
2757
Cd
594
1040
Co
1768
3174
M
ρ,
г/см3
4
108
10,42
30
2,70
75
5,72
197
19,3
209
9,75
9
1,84
112
8,65
59
8,71
Значения Ти, К (числитель) и коэф. А1·133 (знаменатель)
в формуле (1.1)при давлении р, Па
1.33·10-1
5
1195
0.1759
1355
0.0871
510
0.2243
1525
0.2102
860
0.2884
1370
0.0474
490
0.2797
1655
0.1105
1.33
6
1300
0.1680
1490
0.0830
550
0.2160
1670
0.2009
945
0.2751
1500
0.0453
538
0.2669
1790
0.1062
45
13.3
7
1435
0.1605
1640
0.0791
590
0.2086
1840
0.1914
1050
0.2610
1650
0.0432
593
0.2543
1960
0.1015
133
8
1605
0.1518
1830
0.0749
645
0.1995
2040
0.1818
1170
0.2472
1830
0.0410
665
0.2400
2180
0.0962
1.33·103
9
1805
0.1427
2050
0.0708
712
0.1899
2320
0.1705
1350
0.2302
2080
0.0385
762
0.2243
2440
0.0910
1.33·104
10
2100
0.1327
2370
0.0658
795
0.1797
2680
0.1586
1570
0.2134
2390
0.0359
885
0.2081
2790
0.0851
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Cr
2176
2938
52
7,10
64
8,93
56
7,87
73
5,46
178
13,1
115
7,28
192
22,4
1540
0.1075
1405
0.1249
1615
0.1089
1530
0.1278
2450
0.1577
1110
0.1883
2560
0.1602
1670
0.1032
1530
0.1196
1750
0.1046
1670
0.1223
2670
0.1510
1220
0.1796
2770
0.1540
1825
0.0987
1690
0.1138
1920
0.1000
1830
0.1168
2390
0.1442
1355
0.1704
3040
0.1470
2010
0.0941
1840
0.1077
2130
0.0949
2050
0.1104
3240
0.1371
1520
0.1609
3360
0.1398
2240
0.0981
2140
0.1012
2390
0.0895
2320
0.1038
3630
0.1295
1740
0.1504
3750
0.1324
2550
0.0835
2460
0.0944
2740
0.0836
2680
0.0965
4130
0.1214
2030
0.1392
4250
0.1243
Cu
1357
2846
Fe
1809
3148
Ge
1210
3100
Нf
2400
4745
In
429
2364
Ir
2727
4810
Mg
923
1376
24
1,74
650
0.1124
712
0.1074
781
0.1026
878
0.0967
1000
0.0906
1170
0.0838
Mn
1517
2309
55
7,42
1110
0.1302
1210
0.1247
1335
0.1187
1490
0.1124
1695
0.1054
1970
0.0977
Mo
2890
4924
96
9,01
2580
0.1128
2800
0.1083
3060
0.1036
3390
0.0984
3790
0.0931
4300
0.087
46
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Продолжение
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Na
371
96
23
0,971
93
8,57
59
8,60
207
11,34
106
12,16
195
21,37
186
21,03
122
6,62
508
0.1323
2720
0.1082
1655
0.1105
898
0.2809
1590
0.1510
2180
0.1750
3080
0.1438
748
0.2363
562
0.1183
2930
0.1042
1800
0.1059
988
0.2678
1735
0.1446
2370
0.1682
3340
0.1381
806
0.2276
630
0.1118
3170
0.1000
1970
0.1012
1105
0.2532
1920
0.1375
2590
0.1609
3680
0.1315
885
0.2172
714
0.1050
3450
0.0961
2180
0.0962
1250
0.2381
2150
0.1299
2860
0.1531
4080
0.1249
1030
0.2013
825
0.0977
3790
0.0916
2430
0.0911
1435
0.2222
2450
0.1217
3190
0.1450
4600
0.1176
1250
0.1828
978
0.0887
4200
0.0871
2770
0.0854
1700
0.2041
2840
0.1130
3610
0.1363
5200
0.1106
1560
0.1636
Nb
2770
4640
Ni
1725
3159
Pb
601
2016
Pd
1823
3310
Pt
2043
4097
Re
3453
5960
Sb
903
1098
Se
1811
3280
45
4,79
1505
0.1012
1650
0.0966
1885
0.0904
2070
0.0863
2370
0.0806
2780
0.0744
Si
1685
3418
28
2,42
1745
0.0741
1905
0.0709
2090
0.0677
2330
0.0641
2620
0.0605
2990
0.0566
47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание
1
2
3
Sn
505
2891
Ta
3270
5510
Te
723
1267
Ti
1940
3575
V
2190
3652
W
3650
5800
Zn
693
1184
Zr
2128
4747
4
5
6
7
8
9
10
119
5,80
181
16,6
128
6,25
48
4,50
51
5,96
184
18,6
65
6,97
91
6,44
1380
0.1718
3080
0.1418
596
0.2711
1850
0.0942
1960
0.0944
3250
0.1392
565
0.1984
2450
0.1127
1520
0.1637
3330
0.136
647
0.2602
2010
0.0904
2120
0.0907
3500
0.1341
617
0.1899
2670
0.1080
1658
0.1555
3630
0.1306
706
0.2491
2210
0.0862
2320
0.0867
3810
0.1286
681
0.1807
2930
0.1031
1885
0.1470
3980
0.1247
791
0.2353
2450
0.0819
2560
0.0826
4180
0.1227
760
0.1711
3250
0.0979
2140
0.1379
4400
0.1187
905
0.2200
2760
0.0771
2850
0.0783
4630
0.1166
870
0.1599
3650
0.0924
2500
0.1277
4930
0.1124
1065
0.2028
3130
0.0724
3220
0.0736
5200
0.1100
1010
0.1480
4170
0.0864
48
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
55
Размер файла
555 Кб
Теги
процессов, 3168, моделирование, напыления, вакуум, 683, эвм, применению, термического
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа