Устройство для изготовления нанометровых прозрачных пленок

Полезная модель относится к устройствам для изготовления нанометровых прозрачных пленок полупроводников, диэлектриков и оксидов металлов и может быть использована при вакуумном нанесении пленок из ZnS, ZnSe, MgF2, CaF2, SiO, GeO, WO3, MoO3, SnO2.
Известно устройство для вакуумного нанесения нанометровых прозрачных пленок, например, TiO2 и SiO2, использованное в патенте РФ №2527670, данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и принято за прототип.Устройство содержит: источник излучения; волоконно-оптические кабели; линзу для заведения излучения в камеру; линзу для вывода излучения из камеры; корпус вакуумной камеры; испарители материалов с различными показателями преломления; входное/выходное оптическое окно камеры напыления; рабочие подложки, на которые наносится целевое многослойное покрытие; контрольную подложку доступную для напыления; скрытые от напыления контрольные подложки; спектрометр.
Недостатком указанного устройства является сложность его изготовления и функциональная сложность, а также сложность его применения для случая однослойных нанометровых прозрачных пленок.
Технической задачей, заявляемого решения является упрощение конструкции устройства.
Техническим результатом заявляемого решения является упрощение способа изготовления нанометровых прозрачных пленок.
Указанный технический результат достигается тем, что предложено устройство для изготовления нанометровых прозрачных пленок, содержащее вакуумную камеру с оптическим окном и расположенные в ней: источник излучения видимого диапазона длин волн, испаритель материала, контрольная подложка и рабочая подложка, согласно решения, источник излучения установлен ниже плоскости отверстия испарителя материала, а контрольная подложка установлена выше плоскости отверстия испарителя материала, с обеспечением осаждения испаряемого материала и наблюдения ее поверхности через оптическое окно вакуумной камеры, при этом контрольная подложка закреплена на цилиндрическом кварцевом элементе и выполнена из железной фольги.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства для изготовления нанометровых прозрачных пленок.
Устройство для изготовления нанометровых прозрачных пленок, содержит вакуумную камеру - 1, источник излучения видимого диапазона длин волн - 2, испаритель материала - 3, контрольную подложку - 4, оптическое окно вакуумной камеры - 5, рабочую подложку - 6, при этом источник излучения видимого диапазона длин волн, установлен внутри вакуумной камеры - 1 ниже плоскости отверстия испарителя материала - 4, а контрольная подложка - 4, расположена выше плоскости отверстия испарителя материала - 3 и доступна как для осаждения испаряемого материала, так и для наблюдения ее поверхности через оптическое окно вакуумной камеры - 5.
На фиг. 2 представлен подробный вид устройства в составе вакуумной установки. Заявляемое устройства работает в составе вакуумной установки, которая содержит также: каркас - 7, на котором смонтированы вакуумная камера - 1 и вакуумная откачная система. В состав вакуумной откачной системы входят: механический форвакуумный насос - 8, высоковакуумный паромасляный насос - 9 с электронагревателем - 10 и переключатель линий откачки - 11, который соединяет с помощью трубопроводов - 12 форвакуумный насос - 8 либо с паромасляным насосом - 9, либо с вакуумной камерой - 1. Между базовой плитой - 13 и верхним фланцем паромасляного насоса - 9 установлена ловушка паров масла - 14, содержащая систему охлаждения. Вакуумная камера - 1 состоит из базовой плиты - 13 и цилиндрического колпака. Колпак снабжен оптическим окном - 5. Напуск воздуха в рабочую камеру выполняют вакуумным клапаном - 15. В опущенном состоянии колпака вакуумная камера герметизируется на базовой плите - 13 уплотняющей кольцевой прокладкой - 16 из вакуумной резины. Датчики давления - 17 остаточных газов подключены к отверстиям в базовой плите и в вакуумных трубопроводах. Кроме того в вакуумной камере - 1 установлены: подвижная заслонка - 18, которая в одном из двух положений перекрывает поток испаряемых частиц в направлениях к поверхности рабочей подложки 6; держатель подложек - 19, установленный над заслонкой - 18; электрический нагреватель - 20 подложек, расположенный над подложкой - 6; термопара - 21, расположенная между электронагревателем и подложкой; высоковольтный катодный электрод - 22, используемый при ионной очистке поверхности подложки - 6 в плазме самостоятельного газового разряда; металлический экран - 23, для удобства крепления контрольная подложка установлена на цилиндрическом кварцевомподложка установлена на цилиндрическом кварцевом элементе - 24 в виде отрезка кварцевой трубы, который установлен в вакуумной камере так, что его нижнее основание находится в плоскости отверстия испарителя материала - 3, при этом контрольная подложка - 4, выполненная из железной фольги, расположена внутри кварцевого элемента - 24 выше плоскости отверстия испарителя материала и доступна как для осаждения испаряемого материала, так и для наблюдения ее поверхности через оптическое окно - 5 вакуумной камеры, а источник излучения видимого диапазона длин волн - 2 установлен внутри вакуумной камеры ниже плоскости отверстия испарителя материала - 3 и состоит из вольфрамовой лампы накаливания - 25 и металлического отражателя излучения - 26; металлический экран - 27 перекрывает потоки света и молекул испаряемого материала в направлениях от испарителя - 3 к окну - 5.
Пример
2
2
Устройства для изготовления нанометровых прозрачных пленок испаритель - 3, закрепленный в массивных контактных зажимах, имеет форму трубки с диаметром 6÷6,5 мм и длиной 4,5÷5 мм с отверстием диаметром 4÷4,5 мм на поверхности трубки на одинаковых расстояниях от ее концов и выполнен из танталовой фольги толщиной 0,1 мм. Испаряемым материалом является монооксид кремния (SiO) в виде гранул с диаметром 3÷4 мм. Расстояние между отверстием испарителя - 3 и центром рабочей подложки - 16 равно 200÷250 мм, при этом отверстие испарителя - 3 расположено на перпендикуляре к центру подложки - 6. Цилиндрический кварцевый элемент - 24 выполнен в виде отрезка кварцевой трубы длиной 35÷36 мм с внутренним диаметром 66÷67 мм и внешним диаметром 71÷72 мм. Контрольная подложка - 4 выполнена из железной фольги с толщиной 0,2÷0,25 мм, полученной из покрытой слоями олова железной фольги (используемой в пищевой промышленности) путем удаления слоев олова в 40% водном растворе гидрооксида калия (КОН) при температуре (80÷90)°С, в который (в процессе удаления олова) добавляется 30% перекись водорода (НО). Поверхность контрольной подложки - 4, обращенная к испарителю - 3, является цилиндрической поверхностью с радиусом, равным радиусу внутренней цилиндрической поверхности кварцевого элемента - 24. Высота контрольной подложки - 4 равна 50÷52 мм, а расстояние между ее линейными границами равно 60÷62 мм. Контрольная подложка - 4 снабжена, по крайней мере, двумя элементами для ее крепления внутри кварцевого элемента - 24, которые выполнены путем резки контрольной подложки - 4 параллельно ее линейных границ на расстоянии 5÷6 мм от границ на глубину 15÷16 мм и последующей гибки подрезанных участков подложки - 4 относительно верхнего края кварцевого элемента - 24.
-3
-4
Устройство для изготовления нанометровых прозрачных пленок работает следующим образом. Перед началом работы закрепляют испаритель - 3 в массивных контактных зажимах, обеспечивающих пропускание по испарителю - 3 электрического тока с измеряемой величиной 50÷200 А, и заполняют испаритель - 3 гранулами испаряемого материала (SiO). Подготовленные рабочие подложки - 6 помещают в держатель подложек - 19. Цилиндрический кварцевый элемент - 24 с закрепленной внутри его контрольной подложкой - 4 устанавливают в вакуумной камере так, чтобы основания кварцевого элемента - 24 и подложки - 6 находились в плоскости отверстия испарителя материала - 3, а контрольная подложка - 4 была доступна как для осаждения испаряемого материала, так и для наблюдения ее поверхности через оптическое окно - 5 вакуумной камеры. После этого откачивают воздух из вакуумной камеры до давления (10÷10) Па, включают источник излучения видимого диапазона длин волн, установленный внутри вакуумной камеры ниже плоскости отверстия испарителя материала - 3, открывают заслонку - 18 и производят нагрев испаряемого материала до температуры его испарения: в случае SiO - (1050÷1100)°С. При этом испаренные молекулы испаряемого материала конденсируются как на поверхности контрольной подложки - 4, обращенной к испарителю - 3, так и на рабочих подложках - 6, образуя на них нанометровые прозрачные пленки.
Процесс осаждения нанометровых пленок контролируют путем наблюдения за появляющимся цветом окраски поверхности контрольной подложки - 4, обращенной к испарителю - 3, через оптическое окно - 5 вакуумной камеры. Начало осаждения нанометровой пленки испаряемого материала фиксируют по возникновению интерференционной окраски (рыжевато-коричневого цвета) пленки на участке поверхности (в виде полосы) в нижней области контрольной подложки - 4. По мере осаждения и увеличения толщины осаждаемой прозрачной пленки на поверхности контрольной подложки - 4 происходит изменение цветов интерференционной окраски прозрачной пленки в последовательности: коричневый-фиолетовый-синий-зеленый-желтый-оранжевый-красный. В качестве реперной точки измерения толщины выбирают толщину пленки, которой соответствует зеленый цвет окраски пленки, так как этому цвету соответствует максимум кривой видности среднего нормального человеческого глаза, который имеет место на длине волны излучения λ=0,55 мкм. Для расчета толщины прозрачной пленки в области окраски зеленого цвета можно использовать формулу для максимума интенсивности излучения, отраженного от среды оптически более плотной:
где h - толщина прозрачной пленки,
1
n - показатель преломления материала прозрачной пленки, i - угол падения излучения на пленку,
0
λ - длина волны излучения,
m - целое число, которое называется порядком интерференционного максимума.
0
SiO
1
Для конкретного примера выполнения предлагаемого устройства для изготовления нанометровых прозрачных пленок эта формула приводит к значению толщины пленки h=147 нм при значениях остальных параметров в этой формуле: λ=0,55 мкм, m=1, n=1,996, i=45°. В случае использования малого плоского испарителя толщину h осажденной пленки рассчитывают по формуле:
где
е
М - масса испаренного материала, ρ - плотность испаренного материала,
r - расстояние от отверстия испарителя до рассматриваемой точки на подложке,
α - угол испарения (между нормалью к плоскости отверстия испарителя и направлением на рассматриваемую точку на подложке),
β - угол падения испаряемых молекул на подложку в рассматриваемой точке (отсчитываемый от нормали к подложке в этой точке).
2
1
Используя формулу (2) для заявляемого устройства, можно получить формулу для отношения толщины h пленки в центре рабочей подложки - 6 к толщине h пленки в рассматриваемой точке на контрольной подложке - 4:
2
1
где r - расстояние между отверстием испарителя - 3 и центром рабочей подложки - 6, r - расстояние от отверстия испарителя - 3 до рассматриваемой точки на контрольной подложке - 4,
1
1
α и β - углы испарения и падения (соответственно) для контрольной подложки - 4.
2
2
2
2
При получении формулы (3) учтено, что для рабочей подложки - 6 угол испарения α=0 и угол падения β=0, и поэтому имеют место равенства: cosα=1 и cosβ=1.
2
1
1
Если для оценки толщины h пленки в центре рабочей подложки 6 использовать зеленую полосу интерференционной окраски, соответствующую первому порядку интерференции (m=1), на поверхности контрольной подложки - 4 в ее нижней области, то в этой области толщина пленки h=147 нм. Если b - расстояние от середины зеленой полосы до нижнего основания подложки - 4, a r - радиус подложки - 4, то расстояние r от отверстия испарителя - 3 до середины зеленой полосы на подложке - 4 можно определить по формуле:
2
1
2
1
2
2
2
2
2
Формула (3) приводит к значению толщины пленки h=19,5 нм в центре рабочей подложки - 6 при следующих значениях остальных параметров в этой формуле: r=33,84 мм (если b=7,5 мм, r=33 мм), cosα=0,2216, cosβ=0,9751, r=200 мм, h=147 нм. Если в этом примере расчета толщины h пленки в центре рабочей подложки - 6 увеличить величину r до значения r=250 мм, не изменяя значения остальных параметров, то величина h будет уменьшена до значения h=12,5 нм.
2
1
2
1
2
2
2
2
2
При уменьшении внутреннего радиуса контрольной подложки - 4 до 30 мм расчет по формуле (3) дает значение толщины пленки h=14,9 нм в центре рабочей подложки - 6 при следующих значениях остальных параметров в этой формуле: r=30,92 мм (если b=7,5 мм, r=30 мм), cosα=0,2425, cosβ=0,9701, r=200 мм, h=147 нм. Такое уменьшение внутреннего радиуса r контрольной подложки - 4 можно выполнить либо путем замены кварцевого элемента - 24 с контрольной подложкой - 4 с внутренним радиусом 33 мм другим кварцевым элементом - 24 с контрольной подложкой - 4, имеющих внутренний радиус 30 мм, либо путем смещения кварцевого элемента - 24 с контрольной подложкой - 4, имеющих r=33 мм, по горизонтальной поверхности металлического экрана - 27 в сторону уменьшения расстояния от отверстия испарителя - 3 до контрольной подложки - 4 на величину, равную 3 мм. Если во втором примере расчета толщины h пленки в центре рабочей подложки - 6 увеличить величину r до значения r=250 мм, не изменяя значения остальных параметров, то величина h будет уменьшена до значения h=9,6 нм.
2
Таким образом, из приведенных примеров оценки толщины h пленки в центре рабочей подложки - 6 следует, что заявляемое устройство для изготовления нанометровых прозрачных пленок позволяет осаждать на рабочей подложке - 6 нанометровые пленки с толщинами в интервале 9,6÷19,5 нм, если для контроля толщины пленки на рабочей подложке - 6 использовать зеленую полосу интерференционной окраски, соответствующую первому порядку интерференции (m=1), на поверхности контрольной подложки - 4 в ее нижней области. Для получения более толстых нанометровых прозрачных пленок на рабочей подложке - 6 следует продолжить осаждение испаряемого материала, контролируя процесс осаждения и увеличения толщины пленок путем наблюдения изменения цветов интерференционной окраски прозрачной пленки на поверхности контрольной подложки - 4. При этом зеленая полоса интерференционной окраски будет периодически появляться на поверхности контрольной подложки - 4 в ее нижней области, соответствуя второму, третьему и четвертому порядку интерференционного максимума (m=2, m=3, m=4)в формуле (1).
Следует отметить, что для осуществления описанного выше процесса изготовления нанометровых прозрачных пленок не требуется использования дополнительного сложного оборудования кроме традиционной установки для получения тонких пленок методом термовакуумного напыления типа УВН-2М1, в которой расстояние от испарителя до рабочей подложки составляет 250 мм.