Технологическая установка для получения тонких пленок методом спрей – пиролиза

УДК 621.382 Соловьев В.А.

ГОУ ВПО Пензенский государственный университет

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ СПРЕЙ - ПИРОЛИЗА

Совершенствование методов и средств получения тонких пленок из различных материалов имеет существенное значение для развития технологии производства приборов и структур нано- и микроэлектроники, например, таких как преобразователи электромагнитного излучения и газовые сенсоры.

Метод спрей - пиролиза имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами получения тонких пленок, которые заключаются в следующем: простое оборудование, низкие эксплуатационные затраты, потенциал для массового производства, воспроизводимость свойств, высокие темпы роста пленки, большая поверхность зоны покрытия, простой способ легирования веществ. Тонкопленочное осаждение с использованием технологии спрей - пиролиза представляет собой распыление раствора, как правило, водного, содержащего соли металла, на нагретую подложку. Пленка обычно состоит из перекрывающихся дискообразных структур солей металла, которые превращаются в оксиды на нагретой подложке [1].

Основными элементами технологической установки для спрей - пиролиза являются камера для распыления аэрозоля, в которой устанавливаются подложкодержатель с нагревательным элементом и распылительная система. Для получения аэрозоля могут использоваться методы воздушного, ультразвукового или электростатического распыления [2, 3, 4] . Использование того или другого метода определяется свойствами распыляемого раствора, требованиями к скорости потока, размерам капель аэрозоля, возможностью технической реализации в конкретных условиях и другими факторами. Распыляемые спреи отличаются по трем основным характеристикам: а) размер частиц (от средних порядка 1 микрометра до десятков микрометров - в случае электрокатализатора порошков совокупного размера с моно-, би- или три-модальным распределением), б) микроструктура частицы (пористый полые, плотные, композитные, с различным композиционным распределением) и в) наноразмерная активная фаза может быть сохранена в структуре каждой частицы а состав этой нанодисперсной фазы может изменяться от одного элемента к многокомпонентнму составу.

Важным аспектом качественной реализации технологии спрей - пиролиза с точки зрения воспроизводимости параметров получаемых пленок является автоматизация установки с целью управления и контроля такими параметрами технологического процесса, как температура подложки и время напыления. Автоматизация процесса с использованием персонального компьютера и средств аналогового и цифрового ввода/вывода информации позволяет решить эту задачу [5, 6].

Структурная схема рассматриваемой установки представлена на рисунке 1. Реактор установки выполнен из кварцевой трубы, с одной стороны которой устанавливается система напуска реагентов на основе воздушного распылителя, а с другой производится удаление реагентов из зоны реакции. На стержне, закрепленном со стороны распылителя, в центральной части трубы установлен подложкодержатель с закрепленной на нем термопарой. Центральная часть трубы нагревается с помощью

Система напуска реагентов состоит из распылительной системы представленной на рисунке 2, она позволяет получать аэрозоль с размером частиц не более 3 мкм.

Рисунок 2 - Распылительная система для получения аэрозоля.

Распыление прекурсоров производитсятся как воздухом, так и при помощи нейтрального газа -аргона. Управление скоростью подачи аэрозоля осуществляет система, состоящая из вентиля точной регулировки подачи газа, манометра, стабилизатора давления газа и регулятора расхода газа (таблица 1).

Таблица 1 - Зависимость скорость распыления прекурсора от давления

Давление, бар Скорость расхода прекурсора, мл/мин

вода этиловый спирт раствор SnCl4^5H2O

2 1,91 2,3 1,92

3 1,25 1,79 1,47

3,5 0,77 1,5 1,25

4 0,55 1,26 1

Управляет нагревом и контролем температуры в процессе напыления автоматизированная система на базе персонального компьютера. Для обмена информацией с компьютером и управления электронными узлами в системе используется контроллер на основе микропроцессора ADUC845. Подключение контроллера к компьютеру осуществляется через интерфейс USB/Управление мощностью нагревательного элемента производится тиристорным регулируемым источником напряжения, в котором реализован метод широтноимпульсной модуляции напряжения питания нагревателя. Максимальная мощность нагревателя составляет 1,5 кВт, что позволяет нагреть подложку до 600 оС за 15-20 мин.

Измерение температуры подложки осуществляется с помощью хромель-копелевой термопары. Усилитель напряжения сигнала термопары приводит уровень сигнала к номинальному диапазону входных напряжений АЦП контроллера.

Программное приложение системы разработано в среде LabVIEW. Оно позволяет осуществлять нагрев образца и стабилизацию температуры в автоматическом режиме. На рисунке 2 представлено окно виртуального прибора, позволяющего пользователю управлять процессом нагрева и наблюдать за изменением его характеристик.

Рисунок 2 - Экранная форма программного приложения управления системой стабилизации температуры.

Для стабилизации температуры подложки используется адаптивный алгоритм управления с эталонной линейной моделью динамической системы второго порядка. На рисунке. 3 представлена временная характеристика нагрева образца в камере до 250 оС. Видно, что на участке стабилизации температура поддерживается на уровне ±1 оС.

Эталонная траектория нагрева задается выражением [6]:

T3[n + 2] = (2-К2Э/К1Э)T3[n + 1]-(1 -K2Э/K13 + 1/K13)T3[n\ + 1/K1ЭT3[n\ ,

где Тэ - температура нагревателя, Тз - заданная температура, n - дискретное время, К1э -квадрат характерного времени осцилляции эталона в единицах дискретного времени, К2э - характерное время релаксации эталона в единицах дискретного времени.

Закон регулирования мощности имеет вид:

P[n\ = 1 K3(К1(Тз[п + 2]-2Тз[п + 1] + Тз[п\)+K2(Тз[п + 1]-Тз[п]) + Тз[п\-Тк) ,

где P - мощность нагревателя, Тк - комнатная температура, соответствующая нулевой мощности, К1 - квадрат характерного времени осцилляции нагревателя, К2 - характерное время релаксации нагревателя, КЗ - статический коэффициент преобразования нагревателя. Начальные значения параметров К1, К2, КЗ объекта регулирования оценивались экспериментально по реакции нагревателя на ступенчатое изменение мощности.

......... эталон

— — мощность нагревателя

Рисунок 2 - Траектория нагрева образца

Алгоритм адаптации заключается в постоянной коррекции значений коэффициентов K1, K2, K3 на основе сравнения текущей температуры нагревателя и ее производных с эталоном.

Параметром, определяющим условия, при которых начинается процесс роста пленки, является температура пиролиза. В зависимости от температуры пленки могут изменять свою структуру от аморфной до кристаллической. С увеличением температуры пиролиза толщина пленок и размеры кристаллитов возрастают. При увеличении входного давления воздуха в распылителе и расстояния между соплом и подложкой происходит уменьшение толщины пленки и размеров кристаллитов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Enescu Monica-Loredana, Enescu Iulia-Florentina, The automatized systems for spray pyrolysis deposition // Annals of the Oradea University, Fascicle of Management and Technological Engineering, 2008, vol. VII (XVII).

2. Lampkin C.M., Prog. Cryst. Growth Characterization of Materials. 1(4) (1979),

405.

3. S.P.S Arya, Hintermann H.E.// Thin Solid Films. 193 (1990), 841.

4. J.M. Grace, J.C.M. Marijnissen, J. Aerosol Sci. 25 (6) (1994), 1005.

5. Соловьев В.А. Карпанин О.В., Метальников А.М., Пивкин А.Ю. Автоматизированная система для получения и контроля свойств тонких пленок. // Инновационные технологии в машиностроительном комплексе: сб. трудов I Международной научно-практической конференции. - Пенза: 2011. - С.

163 - 168.

6. Соловьев В. А. Пивкин А. Ю., Метальников А. М., Сушкова А. В. Экспериментальная техноло-

гическая установка для получения тонких пленок методом спрей-пиролиза // Университетское образование МКУО-2012: сб. трудов XVI Международной научно-методической конференции. - Пенза:

2012. - С. 207 - 209.