ISSN 0351-9716
NASVETI
ZAKAJ PRI VAKUUMSKEM NANA[ANJU TANKIH PLASTI POTREBUJEMO VISOKI VAKUUM?
Peter Panjan, Miha ^ekada
Institut "Jo`ef Stefan", Jamova 39, 1000 Ljubljana
PVD-postopki nana{anja tankih plasti potekajo v visokem vakuumu. Visoki vakuum potrebujemo, ker uparjenim atomom zagotavlja dovolj dolgo prosto pot, da na njej od izvira do podlage ne pride do trkov z atomi preostalega plina. Pri trkih se uparjeni atomi sipljejo in izgubljajo energijo, vse dokler se njihova energija ne izena~i z energijo atomov oz. molekul preostalega plina. Razdalja, na kateri se to zgodi, in {tevilo trkov sta odvisna od njihove energije, od molekulske mase, tlaka v vakuumski posodi in temperature. Pri argonu je pri tlaku 1 mbar in pri sobni temperaturi pogostost trkov 6,7 · 103 trkov/s.
Prosto pot, to je povpre~na razdalja med dvema zaporednima trkoma, izra~unamo z uporabo kineti~ne teorije plinov. Po modeluSeewaya lahko prosto pot molekul vizualno prika`emo na naslednji na~in (slika 1). Prerez za trk molekule s premerom d lahko prika`emo kot krog s premerom 2d in plo{~ino pd2. Tak krog je efektivna ploskev, kjer lahko pride do trka z atomi tar~e, za katere privzamemo, da so to~ke. V ~asu t ta krog o~rta valj z dol`ino vt, kjer je v pov-pre~na hitrost molekul:
v =
8RT
KM
Povpre~na hitrost helijevih atomov pri temperaturi 0 °C je 1200 m/s, za argon 380 m/s, za du{ikove molekule 453 m/s in za molekule vodne pare 564 m/s. [tevilo trkov je dolo~eno s {tevilom molekul, ki se
nahajajo v tem volumnu (V = ?d2vt). Povpre~na pot ? je dol`ina valja, deljena s {tevilom molekul v njem:
X
vt
?d2 vtn
?d2 n
kjer je nV {tevilo molekul plina, deljeno s prostornino, ki ga izra~unamo iz ena~be za idelane pline:
nv
nNA V
pNA RT
NA je Avogadrovo {tevilo, n {tevilo molov in R plinska konstanta. Problem tega modela je v tem, da privzema povpre~no hitrost molekul in ne upo{teva dejstva, da se tudi atomi oz. molekule tar~e premikajo. Pri natan~nej{em izra~unu moramo upo{tevati, daje pogostost trkov odvisna od povpre~ne relativne hitrosti molekul (vrel), ki se naklju~no gibljejo. Izra~uni poka`ejo, da je vrel = vV2. Povpre~na prosta pot je potem enaka:
X =
RT
42nd2 pNA
Prosta pot je torej sorazmerna razmerjumed temperaturo in tlakom v vakuumski posodi. Tako je npr. pri du{iku pri sobni temperaturi in tlaku 1 mbar povpre~na prosta pot molekule pribli`no 5 cm. Slika 2 prikazuje povpre~no prosto pot molekul, pogostost trkov na povr{ino podlage (mol/(cm2·s) pri 25 °C) in
vt
Slika 1: Model za izpeljavo ena~be za povpre~no prosto pot VAKUUMIST 24/4 (2004)
Slika 2: Zna~ilne vrednosti razli~nih koli~in v odvisnosti od tlaka
33
ISSN 0351-9716
~asa za nastanek (adsorpcijo) enoatomske plasti kot funkcijo ~asa. Tako je npr. pri tlaku 10–6 mbar, kar je visoki vakuum, povpre~na prosta pot nekaj metrov in ~as, v katerem nastane enoatomska plast kontami-nanta, pa 1 s. ^as za nastanek enatomske plasti konta-minanta je odvisen od mnogo parametrov, pribli`no pa ga lahko izra~unamo iz ena~be:
kjer je ~as t v sekundah in tlak p v milibarih. ^e torej `elimo, da ostane povr{ina, ki jo preizkujemo, ~ista eno uro, potem mora biti tlak v vakuumski posodi ni`ji od 10–9 mbar.
Tabela 1: Gostota molekul (nV), njihova prosta pot (?) in ~as, v katerem na povr{ini podlage nastane monoplast kontaminata (t)
vakuum	p/mbar	nV / (mol/m3)	A/m	t/ s
(atmosferski tlak)	1000	2·1025	7·10-8	10–9
nizki	1	3·1022	5·10-5	10–6
srednji	10-3	3·1019	5·10-2	10–3
visoki	10-6	3·1016	50	1
ultravisoki	10-10	3·1012	5·105	104
Prosta pot molekul je parameter, ki ga moramo upo{tevati tudi pri konstrukciji vakuumskih sistemov.
^e je prosta pot veliko manj{a od premera vakuumske posode, potem je tok molekul plina viskozen, ~e pa je ve~ji, je tok molekularen. Za tipi~ne vakuumske sisteme je ta prehod nekje med 10–2 mbar in 10–3 mbar.
Visoki vakuum je potreben tudi zato, da je kontaminacija rasto~e plasti ~im manj{a. Kontaminacijo tanke plasti zmanj{amo, ~e uporabimo bolj{i vakuum in ve~jo hitrost kondenzacije. Kvantitativno izrazimo onesna`enje kot razmerje med tokom atomov preostalih plinov in toka uparjenih atomov (molekul), ki se kondenzirajo na podlagi. Ekvivalenten izraz je razmerje med {tevilom trkov molekul preostalega plina na podlago, deljeno s ~asom in hitrostjo kondenzacije plasti. Prakti~no izra~unamo to razmerje (K) iz tlaka preostalih plinov in hitrosti kondenzacije. V standardnih pogojih naparevanja v proizvodnih napravah je velikost onesna`enja (K) v mejah od 10–3 do 10. Le s te`avo dose`emo v skrajno ~istih razmerah v UVV vrednost K od 10–6 do 10–5. Pri napr{evanjuso te vrednosti ve~je: od 0,1 do 103.
Med nana{anjem tankih plasti se vakuumska posoda in podlage segrevajo zaradi sevanja iz izvirov za naparevanje oz. napr{evanje. Segrevanje povzro~i desorpcijo iz pregretih povr{in.
34
VAKUUMIST 24/4 (2004)