Міністерство освіти і науки України
Сумський державний університет
Проценко І.Ю., Шумакова Н.І.
Технологія одержання і застосування плівКових матеріалів
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як
навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів
Суми
Вид-во СумДУ
2008
УДК 621.793+538.975
П 84
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України
(лист № 1.4/18-Г-2107 від 29 листопада 2007р.)
Рецензенти:
д-р фіз.-мат.наук, проф. Г.С. Воробйов
(Сумський державний університет, м. Суми);
д-р фіз.-мат.наук, проф. М.О.Галущак
(НТУ нафти і газу, м. Івано-Франківськ);
канд.фіз.-мат.наук С.М.Данильченко
(Інститут прикладної фізики НАН України, м.Суми)
Проценко і.Ю., Шумакова н.І.
П 84 Технологія одержання і застосування плівкових матеріалів: Навчальний посібник. - Суми: Вид-во СумДУ, 2008.- 198 с.
ISBN 978-966-657-162-8
У навчальному посібнику розглянуті технологічні основи одержання металевих, алмазоподібних і споріднених з ними плівок, їх особливості та фізичні властивості.
Навчальний посібник призначений для студентів та аспірантів вищих навчальних закладів освіти.
УДК 621.793+538.975
© І.Ю.Проценко, н.І Шумакова, 2008
ISBN 978-966-657-162-8 © Вид-во СумДУ, 2008
Зміст
С.
Передмова...................................................................................... 7
Частина 1 Технологія одержання та вимірювання
товщини тонких плівок…................................. 9
Вступ ..……………………...………………………….............. 9
Розділ 1 Методи одержання плівкових матеріалів…….. 10
Основи термодинаміки та кінетичної теорії газів..…….. 10
Рівноважний тиск пари………………………..…..... 10
Розподіл атомів пари за швидкостями……….…....... 13
Механізми випаровування рідин та твердих тіл.…. 16
Конструкції термовипарників та їх застосування……… 19
2.1 Загальна інформація.................................................... 19
2.2 Випаровування із дротів та металевої фольги…...... 20
2.3 Випаровування із тиглів, матеріали тиглів………...21
2.4 Випаровування матеріалів електронно-
променевими методами…………………………...... 23
Вакуумно-плазмова технологія..……………………….... 27
4 Плазмові випарники............................................................ 29
4.1 Випарники з випаровуванням матеріалу катода….. 29
4.2 Вакуумно-дугові випарники……………………....... 32
4.3 Випарники з випаровуванням матеріалу анода…... 33
4.4 Електронно-променеві випарники……………........ 35
Метод іонного та реактивного розпилення…………...... 38
Іонне розпилення………………………………….... 39
Реактивне розпилення……………………………..... 45
Особливості випаровування сплавів та хімічних
сполук................................................................................... 48
Методи контролю товщини плівок………....................... 50
Мікрозважування……………………………............ 50
Метод кварцового резонатора…................................ 51
Оптичні методи…………………………………....... 52
Інші методи……………………………….................. 53
Розділ 2 Технологія осадження алмазоподібних мате-
ріалів на основі карбону.......................................... 55
Загальна інформація................................................................... 55
8 Характеристика елемента карбону................................... 57
9 Класифікація алотропів карбону..................................... 58
10 Фізичні властивості алотропів карбону.......................... 60
11 “Метастабільність алмазу” та шляхи його
одержання.......................................................................... 62
12 Хімічний синтез алмазу ................................................... 64
13 До історії розвитку хімічного синтезу алмазу................ 68
14 Методи одержання алмазоподібних плівок................... 71
14.1 Термохімічні методи осадження.............................. 72
14.2 Електророзрядні методи............................................ 74
14.3 Комбіновані розряди.................................................. 76
14.4 Методи одержання АПП на атмосфері................... 77
15 Методи одержання гідрогенезованих аморфних
С:Н плівок............................................................................ 78
16 Методи одержання ультрадисперсних
алмазів (УДА) і наноалмазів (НА)..................................... 79
Семінарські заняття.................................................................... 83
Розділ 3 Алмазоподібні та споріднені їм матеріали........... 85
17 Методи одержання............................................................ 85
18 Хімічний склад і кристалічна структура......................... 90
18.1 Нітрид титану.............................................................. 90
18.2 Карбід вольфраму........................................................ 93
Задачі та вправи .......................................................................... 96
Список літератури до частини 1................................................97
Частина 2 Взаємний зв’язок між умовами одержання
тонких плівок та їх особливостями................... 100
Розділ 4 Механізми конденсації та росту тонких
плівок........................................................................ 100
19 Уявлення про адатом, кластер та критичний зародок..... 100
20 Залежність розміру критичного зародка від матеріалу
плівки та підкладки……..................................................... 102
Механізми конденсації плівок, їх узагальнена діаграма........... 102
Чотири стадії росту плівки…………………………..….. 107
22.1 Утворення острівців…………………...................... 108
22.2 Коалесценція острівців…………………………..... 109
22.3 Утворення каналів.…..….......................................... 110
22.4 Утворення суцільної плівки...................................... 110
23 Критична товщина і критична температура конденсації 111
Розділ 5 Дефекти, макронапруження і процеси
старіння ................................................................ 114
Утворення дефектів у процесі росту плівки…………..... 114
24.1 Дислокації…………................................................... 114
24.2 Межі зерен………………………………………..... 116
24.3 Шорсткість та пористість конденсатів………….... 117
Епітаксіальний ріст плівок…………………………….… 120
25.1 Зародження епітаксіальних частинок……………… 120
25.2 Механізми епітаксіального росту………………….. 121
Змінювання параметра решітки, псевдоморфний ріст
плівок………………………………….............................. 122
Види спряжень кристалів при епітаксіальному рості….. 123
Субструктура полікристалічних плівок……………........ 124
Нанокристалічні та аморфні матеріали………………..... 125
Внутрішні макронапруження в конденсатах………….... 129
30.1 Вплив температури підкладки…………………. 129
30.2 Причина виникнення макронапружень у плівках 130
30.3 Вплив товщини плівок, швидкості конденсації
та термообробки.......................................................... 130
30.4 Розрахунок величини SТ……………….……........ 131
30.5 Методи вимірювання S………………………........ 132
Вплив іонного бомбардування підкладки на
властивості плівок.............................................………..... 133
Процес старіння в тонких плівках………….……............ 139
Список літератури до частини 2...................…………............ 142
Частина 3 Датчики неелектричних величин................. 144
Вступ……………………………………………….................... 144
Розділ 6 Датчики температури……………………............... 146
Загальна інформація…………………………………….......... 146
33 Датчики температури із платини та нікелю..................... 149
34 Термопари…………………………………........................ 154
35 Терморезистори із від’ємним і додатним термічним
коефіцієнтом опору……………………………………........... 157
Задачі та тематика семінарських занять….............….............. 161
Розділ 7 Датчики тиску………………………………........... 164
36 Кремнієві датчики……………………………........…...... 164
37 Датчики на основі металевої плівки…............................. 166
Задачі……………………………………….………….............. 167
Розділ 8 Газові датчики та датчики вологості…….......... 169
38 Термокондуктометричні та термохімічні комірки…...... 169
39 Тонкоплівкові газові датчики……………………........... 172
40 Датчики вологості……………………………………....... 177
Розділ 9 Тензодатчики та датчики магнітних характер-
ристик на основі масивних і плівкових
матеріалів………..................................................... 179
41 Уявлення про тензоефект……………………………..... 179
42 Перетворення деформації тензорезистором………....... 182
43 Передача деформації чутливому елементу
тензорезистора……………………………………....…… 184
44 Металеві тензодатчики..................................................... 186
45 Напівпровідникові та полімерні тензорезистори…....... 188
46 Магніторезистивні датчики……….………………......... 190
47 Датчики Холла………………………………………....... 190
Задачі........................................................................................... 193
Список літератури до частини 3 ………………………..…... 194