Випаровування

Після досягнення високого вакууму завдання полягає в тому, щоб одержати в установці пари речовини, з якої необхідно виготовити плівку. Існує декілька способів нагрівання речовини до високої температури: 1) за допомогою джоулевого тепла; 2) електронним пучком; 3) високочастотним полем; 4) електричною дугою; 5) лазерним променем. Застосування того чи іншого способу зумовлюється метою, яка ставиться при дослідженні плівок.

Найменше забруднюється плівка при нагріванні речовини лазерним променем, електронним пучком і високочастотним полем, але ці методи вимагають додаткової апаратури і не завжди зручні в експлуатації. Найбільш часто застосовується резистивний метод нагрівання. Відомі два його типи. Коли речовина проводить струм і має велику пружність парів у твердому стані, то її нагрівають, пропускаючи через неї електричний струм. Цей метод не вносить забруднень у конденсат, але його використання обмежується властивостями речовини. Більш універсальним є метод нагрівання за допомогою нагрівників. В якості нагрівників використовують тугоплавкі матеріали, які мало взаємодіють з іншими речовинами (Мо, W, Та). Форма випарників може бути різноманітною: спіральки, човники, тигельки та ін. Щоб зменшити взаємодію розплавлених речовин з матеріалом випарника, часто використовують кварцеві, алундові та інші тигельки, на які намотується стрічка тугоплавкого металу, а через неї пропускають електричний струм.

Для одержання плівок речовину поміщають у випарник, створюють у системі вакуум, а потім поступово починають нагрівати. Кількість речовини розраховують таким чином, щоб при повному випаровуванні отримати плівку певної товщини. Повне випаровування є необхідною умовою при одержанні плівок складних сполук, коли пружність парів окремих компонент неоднакова. Щоб краще зберегти стехіометрію в конденсаті, речовину можна випаровувати окремими маленькими порціями (дискретне випаровування) або раптово (вибухове випаровування). При дискретному випаровуванні у нагрітий до високої температури випаровувач через певні проміжки часу поступає із дозатора невелика кількість речовини, яка раптово випаровується.

Механізми конденсації

Процес конденсації значною мірою зумовлюється швидкістю випаровування

ω речовини, яка визначається за формулою:

(1)

де p - тиск насиченої пари; μ - молекулярна маса; T n - температура плавлення

речовини.

Пружність насичуючої пари для більшості елементів і сполук, які при нормальних умовах в твердому стані, дуже мала. Для збільшення пружності насиченої пари речовину нагрівають до певної температури. Температура, при якій пружність насичуючої пари дорівнює 1.3 Па, називається температурою випаровування. У більшості випадків температура випаровування більша від температури плавлення. Але є такі речовини, які мають великий тиск насичуючої пари і в твердому стані, тоді відбувається процес сублімації.

Швидкість конденсації характеризується термічним коефіцієнтом акомодації α, який показує, яка частина атомів, що зіткнулася з підкладкою, конденсується. Термічний коефіцієнт акомодації якісно можна виразити через температуру або енергію падаючої частинки T 1, E 1, адсорбованого шару T 2, E 2 і поверхні T 3, E 3 у такому вигляді:

(2)

Аналіз формули (2) показує, що термічний коефіцієнт акомодації α T = 1 при T 2 3 = T або E 2 3 = E , тобто існує теплова рівновага між адсорбованим шаром і підкладкою (теплопровідність підкладки дуже велика). Енергія молекулярного пучка суттєво не впливає на швидкість конденсації. Однак існує критична густина потоку пари, при якій починається процес конденсації. Значення критичної густини потоку пари залежить від умов конденсації і визначається такими параметрами: температурою підкладки, енергією десорбції та часом життя адсорбованого атома на поверхні підкладки. Швидкість конденсації залежить також від структури, мікрорельєфу і чистоти підкладки.

Випаровування речовин проводять у високому вакуумі. Під високим вакуумом розуміють таке розрідження газу, коли довжина вільного пробігу атомів (молекул) більша від розмірів балону, в якому відбувається u1074 випаровування. У цьому випадку рух атомів прямолінійний і описується законами Ламберта. Згідно з ними кількість речовини, яка досягає одиниці поверхні підкладки, що знаходиться під кутом ϕ до нормалі, пропорційна cosϕ і обернено пропорційна квадрату відстані від точкового випарника до підкладки. Це допомогло А.С.Векшинському [6] вивести формули, які дають змогу розрахувати кількість речовини, що осідає на одиниці площі підкладки, якщо відомо, скільки речовини випарувалося для різноманітних конструкцій випарників.

При вакуумі 1.3⋅10-3 Па довжина вільного пробігу молекул дорівнює 5.47 м, що набагато більше будь-якої лабораторної вакуумної установки. Однак при такому розрідженні у багатьох випадках не можна одержати плівки з властивостями, характерними для масивного зразка. Це пов’язано із забрудненням плівки залишковими газами, які можуть взаємодіяти з матеріалом конденсата або створювати численні дефекти у кристалічній структурі. А тому в багатьох роботах випаровування проводять у надвисокому вакуумі 1.3⋅ 10-7 – 1.3 ⋅ 10-8 Па.