Одержання плівок методом термічного випаровування

Сучасні методи одержання тонких плівок можна розділити на механічні, хімічні та конденсаційні. Вибір методу одержання плівок зумовлюється структурними, механічними та фізичними параметрами, якими повинен володіти тонкоплівковий зразок. У мікроелектроніці найбільш широко застосовуються конденсаційні методи одержання тонких плівок: термічне вакуумне випаровування, катодне вакуумне розпилення, іонно-плазмове розпилення, метод кристалізації з парогазової фази тощо. Технологічно ці методи пов’язані зі створенням розрідження у робочій камері.

Одержання вакууму

Залежно від розрідження, яке необхідно отримати в системі, методи одержання вакууму поділяють на такі чотири стадії: 1)одержання форвакууму; 2)створення в системі розрідження 1.3·10-2 – 1.3·10-3 Па; 3)створення в системі розрідження 1.3·10-3 – 1.3·10-5 Па; 4)створення в системі надвисокого вакууму 1.3·10-7 – 1.3·10-8 Па.

Для одержання вакууму 1.3 10-3 Па використовують форвакуумні насоси.Принцип дії найпростішого форвакуумного насосу такий: у металічному відшліфованому циліндрі, який має два отвори, на валу ексцентрично обертається стальний ротор, в якому зроблений виріз паралельно осі. В цьому вирізі є дві пластинки-лопаті А і В, що розсуваються пружиною, яка міститься між ними. Лопаті щільно притискуються пружиною до циліндра, в якому обертається ротор (рис. 1а).

Таблиця 1.

Основні параметри деяких форвакуумних насосів.

Тип насосу	Швидкість відкачки, л/с	Залишковий тиск, Па	Споживча потужність, кВт	Маса, кг
ВН-461	0.833	6 ⋅ 10-1	0.6	64
ВН-461М	0.833	6 ⋅ 10-1	0.4	60
ВН-494	0.21	6 ⋅ 10-1	0.6	34
ВН-0,5-2	0.5	6 ⋅ 10-1	0.27	26
ВН-0,8Г	1.0	6 ⋅ 10-1	0.4	60
ВН-1-2	1.0	6 ⋅ 10-1	0.3	38
ВН-3-2	3.0	6 ⋅ 10-1	0.6	67
ВН-6-2	6.0	6 ⋅ 10-1	1.0	75
ВН-2МГ	7.15	6 ⋅ 10-1	1.7	183

При обертанні стального ротора об'єм між лопаттю А і вхідним клапаном у металічному циліндрі збільшується, і газ всмоктується (рис. 1а). Згодом пластина В відкриває клапан для виходу газу і газ виштовхується лопаттю А із циліндра (рис. 1б).

У сучасних форвакуумних насосах у металічному циліндрі ротор у вигляді ексцентрика обертається навколо осі, що проходить через центр циліндра. В цьому випадку ротор дотикається до циліндра тільки в одному місці, виконуючи при обертанні функції лопатей. Є двороторні форвакуумні насоси.

Для більшої щільності та зменшення тертя між циліндром і лопаттями (ротором) вільний простір заповнюють форвакуумним маслом, рівень якого контролюється за допомогою скляного віконця з рисочкою. Форвакуумні насоси створюють вакуум не більше 6·10-1 Па. Щоб дістати вакуум 1.3·10-2 – 1.3·10-5 Па, використовують дифузійні вакуумні насоси.

Схема і принцип роботи найбільш поширеного паромасляного дифузійного насоса показана на рис. 2. На дні металевого циліндра є рідина, що випаровується під дією електричного нагрівача 3.

Верхня частина насоса вакуумно щільно з'єднується з об'ємом, в якому необхідно створити розрідження, а нижній патрубок сполучається з форвакуумним насосом. Він створює в системі попередній вакуум. Коли розрідження у системі становить 1.3 Па, вмикають нагрівник паромасляного дифузійного насосу. Якщо вакуум у системі 5.2 Па, то вмикати паромасляний насос не рекомендується, бо масло може окислитися. При кипінні пари масла піднімаються по трубці 1 і з великою швидкістю виходять через сопла 2, захоплюючи гази, що дифундують із системи внаслідок низького тиску, який утворюється в насосі при конденсації парів масла на холодних стінках металевого циліндру. Молекули газу разом з крапельками масла потрапляють у нижню частину паромасляного і відкачується форвакуумним насосом. Щоб стінки металевого циліндра не нагрівалися, вони охолоджуються проточною водою.

Залежно від геометричних розмірів і конструкції паромасляні насоси можуть мати різні швидкості відкачки (табл. 2).

Таблиця 2.

Основні параметри дифузійних насосів

Тип	Робоча рідина	Швидкість відкачки, л/с	Залишко- вий тиск, Па	Споживча потужність кВт	Маса, кг.
ДРН-10	Ртуть	7.0	2.6 ⋅ 10-5	0.6	7.5
ДРН-50	Ртуть	25.0	1.3 ⋅ 10-4	2.5	23.5
Н-ІС-М	Ртуть	70	6.5⋅ 10-4	0.4	9
Н-ІС-МІ	Ртуть	100	6.5⋅ 10-4	0.5	8
Н-5С-МІ	Ртуть	500	6.5⋅ 10-4	0.7	26
Н-2Т	Ртуть	1500	6.5⋅ 10-4	1.2	41
Н-5Т	Ртуть	4500	6.5⋅ 10-4	1.9	94
Н-8Т	Ртуть	8000	6.5⋅ 10-4	2.7	148

Рис.1 Схема форвакуумного насосу

Рис. 2 Схема дифузійного насосу

Паромасляні насоси прості та надійні в експлуатації. Їх основний недолік – порівняно високий тиск парів масла, що не дає змоги одержати високий вакуум (1.3·10-4 Па) без додаткових пасток. При роботі паромасляного насоса частина парів масла (особливо легко летючі його фракції) потрапляють у вакуумну систему і забруднюють її.

Для зменшення забруднення маслом і збільшення розрідження в системі до 1.3·10-3 Па біля верхньої частини паромасляного дифузійного насосу ставлять спеціальні відбивачі та пастки, які охолоджують рідким азотом. Можна також застосовувати іонні пастки. Коли пари масла дуже шкідливо впливають на структуру та фізичні властивості плівки, то використовують ртутні дифузійні вакуумні насоси.

Для відкачки газів і парів, які не конденсуються на охолоджених до температури рідкого азоту пастках, застосовують сорбційні насоси. За сорбенти можна брати активоване вугілля, активований окис алюмінію тощо.

У замкнених системах після досягнення розрідження 1.3·10-3 Па використовують термічне розпилення активних металів (барій, титан), які при випаровуванні та конденсації поглинають велику кількість активних інертних газів, створюючи в системі високий вакуум.

На цьому принципі працюють іонно-сорбційні насоси, в яких активний метал випаровується протягом необхідного часу. Є два типи таких насосів: іонно-сорбційні з термічним випаровуванням активного металу та іонно-сорбційні з катодним розпиленням поглинача. Недолік іонно-сорбційних насосів – велика селективність по швидкості відкачки для різного сорту газів.