Устройство для получения тонких пленок металлов тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в наземных условиях и в условиях невесомости
DEVICE FOR PRODUCTION OF THIN METAL FILMS WITH THERMAL ENERGY OF SELF-DISTRIBUTING HIGH-TEMPERATURE SYNTHESIS IN GROUND CONDITIONS AND IN WEIGHTLESSNESS CONDITIONS

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности, к новой области получения тонких пленок тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) как в наземных условиях, так и в условиях невесомости.
Известны следующие способы получения тонких пленок: вакуумно-термическое напыление, ионоплазменное распыление, магнетронное распыление, электроннолучевое и лазерное распыление, напыление тонких пленок с использованием тепловой энергии СВС.
Известно устройство для проведения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, описанное в патенте на изобретение RU 2245222 (кл. B22F 3/23, 22.07.2003). Известное устройство для проведения самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в космосе содержит реакционную камеру, включающую корпус, на боковой поверхности которого выполнено смотровое окно из прозрачного материала и основание, инициирующее устройство, образец, установленный на подложке и закрытый ампулой.
Наиболее близким к предложенному устройству для получения тонких пленок тугоплавких или среднеплавких металлов тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в наземных условиях и в условиях невесомости является устройство, описанное в патенте на изобретение RU 2761594 (кл. С23С 14/24, 24.09.2021). Известное устройство содержит каркас, на котором смонтированы вакуумная рабочая камера, тигель, в котором находится экзотермическая смесь исходных компонентов, лодочка для испаряемого материала, заслонка, источник кратковременного теплового импульса, подложка, нагреватель подложки и вакуумная откачная система.
Однако известное устройство имеет следующие недостатки:
- ограничено количество твердофазных материалов, использующихся в качестве компонентов СВС-шихты, способных участвовать в СВС-реакции в условиях высокого вакуума;
- ограничена возможность получения необходимого широкого диапазона рабочих температур, получаемых при протекании СВС реакции;
отсутствует возможность получения пленок сублимацией испаряемого материала,
- отсутствует возможность получения тонких пленок в условиях невесомости и «микрогравитации».
Задачей заявленного изобретения является устранение указанных выше недостатков и создание устройства для получения тонких пленок с использованием тепловой энергии экзотермической реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза как в наземных условиях, так и в условиях невесомости и «микрогравитации».
Технический результат предложенного изобретения заключается в создании устройства, обеспечивающего получение тонких пленок тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза без внешних источников нагрева, как в наземных условиях, так и в условиях невесомости.
Технический результат достигается путем создания устройства для получения тонких пленок металлов тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, содержащего вакуумную рабочую камеру, испаритель, в котором находится испаряемый материал, емкость для СВС-шихты, источник кратковременного теплового импульса, подложки, нагреватель подложек, заслонку для перекрытия потока частиц испаряемого материала, расположенную между испарителем и подложками, и средства создания вакуума в рабочей камере по предложению емкость для СВС-шихты выполнена в виде вольфрамового цилиндра, заполненного инертным газом при нормальных атмосферных условиях, в котором установлена спрессованная СВС-шихта и вольфрамовые спирали для инициирования кратковременного теплового импульса; в верхней части цилиндр герметично закрыт вольфрамовой крышкой с вогнутой полостью в форме лодочки, одновременно являющейся испарителем; заслонка закреплена на стержне, установленном на основании вакуумной камеры, при этом испаритель с испаряемым материалом и подложки находятся в условиях высокого вакуума.
В частных случаях реализации для использования в наземных условиях средства для создания вакуума выполнены в виде вакуумной откачной системы. Также для использования в условиях невесомости средства для создания вакуума выполнены в виде клапана, соединенного с вакуумным шлангом для подключения к открытому космосу.
Схема устройства для получения тонких пленок тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в наземных условиях представлена на фиг. 1.
Устройство для получения тонких пленок тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза включает каркас, на котором смонтированы вакуумная рабочая камера 1, герметично закрывающийся вольфрамовый цилиндр 2, в котором находится прессованная СВС-шихта 3 (экзотермическая смесь компонентов), вольфрамовый испаритель 4 с вогнутой полостью в форме «лодочки» для испаряемого материала 5, вольфрамовые спирали для инициирования кратковременного теплового импульса 6, подложки 8, нагреватель подложки 9, поток испаряемого материала 10, заслонка 7 для перекрывания потока частиц испаряемого материала, расположенная между испарителем и подложкой, натекатель воздуха 11, смотровое окно 12. Заслонка 7 закреплена на стержне, установленном на основании вакуумной камеры. Подложки 8 через вращающийся держатель подложки крепятся к электродвигателю и нагреваются посредством нагревателей подложек 9. В дополнительных блоках и стойках установки обычно располагаются системы электропитания, управления и контроля параметров процесса роста и самой пленки.
В качестве реагентов экзотермической смеси для протекания реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС реакции) используют СВС шихту (шихту, при взаимодействии компонентов которой протекает СВС реакция), состоящую из смеси порошков тугоплавких металлов (Ti, Та, Nb, Mo, W, Zr) и бора или углерода. В частности, используют шихту, состоящую из смеси порошков титана и бора, или шихту из смеси порошков циркония и углерода (сажа, размолотый графит), или шихту из смеси порошков титана и углерода.
Таким образом, для нагрева веществ до температуры испарения в испарителе 4 используется твердофазная экзотермическая СВС реакция, в ходе которой не образуются летучие соединения. Испарение тугоплавких и среднеплавких металлов, описанное в настоящем изобретении, происходит за счет протекания твердофазной экзотермической СВС реакции, чем обусловлено низкое энергопотребление вакуумного оборудования. Температура волны горения СВС шихты меньше, чем температура плавления и испарения компонентов шихты, что позволяет обеспечить высокую степень чистоты получаемых пленок.
В качестве испаряемых веществ для получения пленки используют:
- тугоплавкие металлы, такие как Ti, Cr;
- среднеплавкие металлы, такие как Al, Mg, Ni, Cu;
- легкоплавкие металлы, такие как Zn, Pb, Cd.
Устройство для получения тонких пленок тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в наземных условиях работает следующим образом.
Перед началом работы подложки подвергаются чистке, обезжириванию, сушке. Подготовленные подложки 8 помещают в держатель. В вольфрамовый цилиндр 2 устанавливается при нормальных атмосферных условиях (воздух или инертный газ) прессованная СВС-шихта 3 (экзотермическая смесь твердых материалов, подвергающихся СВС-реакции), устанавливается вольфрамовый испаритель 4 с вогнутой полостью в форме «лодочки», на который ставится испаряемый материал 5. После этого устанавливают вольфрамовые спирали 6 для инициирования кратковременного теплового импульса, герметично закрывают вольфрамовый цилиндр 2 и вакуумную рабочую камеру 1, создают высокий вакуум с помощью вакуумной откачной системы. Для обеспечения высокой адгезии получаемых пленок подложки 8 нагревают до необходимых температур с помощью нагревателей подложек 9.
С помощью вольфрамовых спиралей 6 инициируется кратковременный тепловой импульс. Начинает протекать твердофазная экзотермическая реакция (СВС - синтез) с образованием высоких температур. Испаряемый материал 5 в газообразной форме осаждается на подложки 8, в результате чего образуются пленки. Толщина образуемой пленки регулируется путем ограничения потока испаряемого материала 10 с помощью открытия-закрытия заслонки 7. Для разгерметизации камеры по завершению технологического процесса в вакуумную камеру подается воздух с помощью натекателя воздуха 11.
В предложенном устройстве вольфрамовый цилиндр 2 (контейнер), установленный в вакуумной камере 1, заполнен инертным газом (N или Ar) при нормальных атмосферных условиях, т.е. источник тепловой энергии находится в нормальных условиях, а испаритель и испаряемый материал - в условиях высокого вакуума. Следовательно, имеется широкий диапазон материалов «твердое тело + твердое тело», используемых в качестве компонентов экзотермической шихты без газовыделения. Этим обусловлена возможность получения широкого диапазона рабочих температур.
Схема устройства для получения тонких пленок тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в условиях невесомости представлена на фиг. 2.
Устройство для получения тонких пленок тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в условиях невесомости включает каркас, на котором смонтированы вакуумная рабочая камера 1, герметично закрывающийся вольфрамовый цилиндр 2, в котором находится прессованная СВС-шихта 3 (экзотермическая смесь компонентов), вольфрамовый испаритель 4 с вогнутой полостью в форме «лодочки» для испаряемого материала 5, вольфрамовые спирали для инициирования кратковременного теплового импульса 6, заслонка 7 для перекрывания потока частиц испаряемого материала, подложки 8, нагреватель подложки 9, поток испаряемого материала 10, натекатель воздуха 11, смотровое окно 12, клапан подключения к открытому космосу 13 (использование космического вакуума в данном случае в качестве «насоса» для откачки газов из бортовой вакуумной камеры). Заслонка 7 закреплена на стержне, установленном на основании вакуумной камеры. Подложки 8 через вращающийся держатель подложки крепятся к электродвигателю и нагреваются посредством нагревателей подложек 9. В дополнительных блоках и стойках установки обычно располагаются системы электропитания, управления и контроля параметров процесса роста и самой пленки.
Устройство для получения тонких пленок тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в условиях невесомости работает следующим образом.
Перед началом работы подложки подвергаются чистке, обезжириванию, сушке. Подготовленные подложки 8 помещают в держатель. В вольфрамовый цилиндр 2 при атмосферных условиях устанавливается прессованная СВС-шихта 3 (экзотермическая смесь твердых материалов, подвергающихся СВС-реакции), устанавливается вольфрамовый испаритель 4, на который ставится испаряемый материал 5. После этого устанавливают вольфрамовые спирали 6 для инициирования кратковременного теплового импульса, герметично закрывают вольфрамовый цилиндр 2 и вакуумную рабочую камеру 1, подключают клапан 13 с помощью вакуумного шланга к открытому космосу, что служит в качестве «насоса» для откачки газов из бортовой вакуумной камеры. Для обеспечения высокой адгезии получаемых пленок подложки 8 нагревают до необходимых температур с помощью нагревателей подложек 9.
С помощью вольфрамовых спиралей 6 инициируется кратковременный тепловой импульс. Начинает протекать твердофазная экзотермическая реакция (СВС - синтез) с образованием высоких температур. Испаряемый материал 5 в газообразной форме осаждается на подложки 8, в результате чего образуются пленки. Толщина образуемой пленки регулируется путем ограничения потока испаряемого материала 10 с помощью открытия-закрытия заслонки 7. В условиях космического вакуума происходит эффективно процесс сублимации, т.е. молекулы и атомы вещества из твердого состояния переходят в газообразное, минуя жидкое. Совместное воздействие вакуума и космических излучений (электромагнитное и корпускулярное излучение космоса) усиливают эффект сублимации.
Для разгерметизации камеры по завершению технологического процесса в вакуумную камеру подается воздух с помощью натекателя воздуха 11.
Возможность получения пленок сублимацией испаряемого материала в условиях невесомости - «микрогравитации» обусловлено нахождением СВС-шихты (источника тепла), испарителя и испаряемого материала в одном объеме в условиях высокого вакуума.
Пример 1 (для устройства получения тонких пленок тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в наземных условиях).
-5
Готовят экзотермическую смесь исходных компонентов (СВС-шихту) из порошков титана и бора. Для этого 47.9 г.титана тщательно перемешивают с 22 г.аморфного бора. Из готовой смеси прессуют таблетку, имеющую диаметр 30 мм. и высоту 30 мм. Затем в торце этой таблетки высверливается отверстие, соответствующее размеру вольфрамового испарителя. Далее таблетку помещают в вольфрамовый цилиндр 2 так, чтобы вольфрамовый испаритель 4 плотно вошел в проделанное в таблетке отверстие. На вогнутую поверхность в форме «ложечки» испарителя 4 засыпается порошок алюминия, являющийся испаряемым материалом 5. После этого осуществляется сборка устройства как изображено на фиг.1 и создается вакуум 10 мм. рт. столба в рабочей камере. После достижения вакуума, инициируют кратковременный тепловой импульс с помощью вольфрамовой спирали 6 в спрессованной из экзотермической смеси таблетке 3. Протекает твердофазная экзотермическая реакция:
2
Ti + 2В = TiB,
2
Температура горения СВС-шихты - 2700°С. Механизм горения СВС-шихты таков, что во фронте горения титан плавится (температура плавления - 1670°С, температура кипения - 3287°С). Однако расплавленного титана в чистом виде в волне горения нет (как только он плавится, в нем мгновенно растворяется бор, температура плавления продукта растет и расплав застывает), т.е. время жизни расплава мало. Температура плавления диборида титана TiB (продукта горения) - 2970°С.
В результате протекания экзотермической реакции между компонентами СВС-шихты выделяется большое количество тепловой энергии и происходит испарение Al (температура испарения Al - 660°С, температура испарения Al - 1150°С), находящегося в испарителе 5. Открывается заслонка 7, происходит активное испарение материала 5 и конденсация испаряемых атомов на поверхности подложки 8. Подложка 8 нагревается нагревателем подложки 9 до 300°С, вследствие чего обеспечивается максимально высокая адгезия пленки. Время осаждения - 2 минуты. Толщина образуемой пленки h=0,97 мкм. Толщина пленки регулируется путем подбора времени испарения и ограничения потока испаряемого материала (открытием-закрытием заслонки 7). Осажденную пленку подвергают контролю по внешнему виду и толщине.
Пример 2 (для устройства получения тонких пленок тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в условиях невесомости).
-5
Готовят экзотермическую смесь исходных компонентов (СВС-шихту) из порошков циркония и углерода (сажа, размолотый графит). Для этого 91.22 г.циркония тщательно перемешивают с 12 г. углерода. Из готовой смеси прессуют таблетку имеющую диаметр 30 мм. и высоту 30 мм. Затем в торце этой таблетки высверливается отверстие в размер вольфрамового испарителя. Далее таблетка помещается в вольфрамовый цилиндр так чтобы вольфрамовый испаритель плотно вошел в проделанное в таблетке отверстие. В испаритель засыпается порошок никеля (испаряемый материал). После этого осуществляется сборка устройства как изображено на фиг.1 и создается вакуум 10 мм. рт. столба в рабочей камере. После достижения вакуума, инициируют кратковременный тепловой импульс с помощью вольфрамовой спирали 6 в спресованной из экзотермической смеси таблетке 3. Протекает твердофазная экзотермическая реакция:
Zr + С = ZrC,
Температура горения СВС-шихты - 3000°С. Температура плавления ZrC - 3530°С, температура кипения карбида циркония - 5100°С.
В результате происходит испарение Ni (температура плаввления Ni - 1510°С, температура кипения Ni - 2732°С), находящегося в испарителе 5. Открывается заслонка 7, происходит активное испарение материала в 5 и конденсация испаряемых атомов на поверхности подложки 8. Подложка 8 нагревается нагревателем подложки 9 до 300°С, вследствие чего обеспечивается максимально высокая адгезия пленки. Время осаждения - 2 минуты. Толщина образуемой пленки h=0,97 мкм. Толщина пленки регулируется путем подбора времени испарения и ограничения потока испаряемого материала (открытием-закрытием заслонки 7). Осажденную пленку подвергают контролю по внешнему виду и толщине.
Пример 3 (для устройства получения тонких пленок тепловой энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в условиях невесомости).
-5
Готовят экзотермическую смесь исходных компонентов (СВС-шихту) из порошков циркония и углерода (сажа, размолотый графит). Для этого 91.22 г циркония тщательно перемешивают с 12 г углерода. Из готовой смеси прессуют таблетку, имеющую диаметр 30 мм и высоту 30 мм. Затем в торце этой таблетки высверливается отверстие в размер вольфрамового испарителя. Далее таблетка помещается в вольфрамовый цилиндр так чтобы вольфрамовый испаритель плотно вошел в проделанное в таблетке отверстие. В испаритель засыпается порошок хрома (испаряемый материал). После этого осуществляется сборка устройства как изображено на фиг.1 и создается вакуум 10 мм. рт. столба в рабочей камере. После достижения вакуума, инициируют кратковременный тепловой импульс с помощью вольфрамовой спирали 6 в спресованной из экзотермической смеси таблетке 3. Протекает твердофазная экзотермическая реакция:
Zr + С = ZrC,
Температура горения СВС-шихты - 3000°С. Температура плавления ZrC - 3530°С, температура кипения карбида циркония - 5100°С.
В результате происходит испарение Cr (температура плавления Cr -1856°С, температура кипения Cr - 2671°С,), находящегося в испарителе 5. Открывается заслонка 7, происходит активное испарение материала в 5 и конденсация испаряемых атомов на поверхности подложки 8. Подложка 8 нагревается нагревателем подложки 9 до 300°С, вследствие чего обеспечивается максимально высокая адгезия пленки. Время осаждения - 1,5 минуты. Толщина образуемой пленки h=0,85 мкм. Толщина пленки регулируется путем подбора времени испарения и ограничения потока испаряемого материала (открытием-закрытием заслонки 7). Осажденную пленку подвергают контролю по внешнему виду и толщине.