<<
>>

Анализ теплового режима подложки

Оценка влияния термического режима на адгезионную способность наносимых покрытий является очень сложной задачей из-за возникающей проблемы точного определения температуры поверхности подложки.

В серийных установках вакуумного нанесения пленок (схемы некоторых установок представлены на рис. 20) температура подложки измеряется при помощи термопар или терморезисторов, расположенных вблизи подложки. Однако даже при непосредственном касании термодатчика поверхности подложки между ними возникает разность температур, достигающая десятков градусов. Это связано с тем, что в вакууме тепловые сопротивления между контактирующими деталями выше из-за отсутствия воздушной прослойки. Применение бесконтактных методов из: мерения температуры при помощи регистрации инфракрасного излучения, испускаемого подложкой, затруднительно, так как неизвестна степень черноты ее поверхности.

Большей точности измерения температуры подложки можно достигнуть путем улучшения теплового контакта с датчиком. Это осуществляется при помощи клеевого соединения или применением прослойки металла, который расплавляется при нагреве, например индия. Ho наиболее достоверно температуру подложки можно определить, применив пленочный термодатчик (термопару либо терморезистор), наносимый на поверхность подложки.

Рис. 20. Расположение подложек в вакуумных установках:

а — карусельного типа; б — барабанного типа; I — нагреватель; 2 — карусель; 3 — подлож- кодержатель; 4 — подложка; 5 — испаритель; 6 — барабан

Пленочный термодатчик, нанесенный на поверхность подложки, обладает по сравнению с другими средствами измерения температуры следующими преимуществами: малой собственной теплоемкостью вследствие малой толщины пленки и крайне малым тепловым сопротивлением между датчиком и подложкой.

Это позволяет измерять температуру подложки не только статическом но и в динамическом режиме — в процессах быстрого нагрева и охлаждения подложки. Необходимое условие достоверности измерения температуры заключается Bi требовании незначительного изменения средней ^степени черноты поверхности под

ложки. Другими словами, площадь термодатчика должна быть сделана как можно меньше. Если в качестве пленочного датчика используется терморезистор, то он должен быть выполнен: в виде меандра с шириной полосы, много меньшей толщины подложки. Кроме того, расстояние между дорожками меандра должно быть в несколько раз больше ширины дорожки.

В качестве пленочного термодатчика можно использовать термопару, но тогда возникают трудности при измерении термо-ЭДС, так как необходимо специально подбирать материал проволочных выводов (в случае применения разнородных материалов возникают дополнительные термо-ЭДС в местах соединений, из-за чего искажается результат измерений). Высокой чувствительностью обладает термодатчик на основе пленки полупроводника. Его относительное изменение сопротивления с ростом температуры менялось от 4% на градус при комнатной температуре до 1,5% на градус при 300°С. Если подложка металлическая, то возможно определение ее температуры при напылении металла путем регистрации термо-ЭДС, возникающей между пленкой и подложкой.

При использовании пленочных термодатчиков для измерения температуры часто приходится сталкиваться с изменением их параметров в процессе эксплуатации вследствие окисления и перестройки структуры материала термодатчика. Для уменьшения этого эффекта следует применять стабилизирующий отжиг термодатчиков, а также использовать материалы, устойчивые к окислению. В качестве материалов пленочных терморезисторов для измерения температуры в вакууме наиболее часто' употребляется никель, так как он наряду с большим значением TKC имеет высокую устойчивость к окислению.

Для измерения температуры подложки в процессе напыления пленки проводника приходится защищать металлическую поверхность термодатчика диэлектриком для исключения замыкания напыляемым материалом.

Хорошие результаты получены при использовании пленочных терморезисторов на основе структуры Cr—Ni—ФН-11 (фоторезист) [58]. Пленка из хрома толщиной около 03 мкм обеспечивает хорошую адгезию пленки никеля к подложке. Толщина никеля выбиралась в пределах I ... 2 мкм, а фоторезиста ФН-11—2...4 мкм, при этом для улучшения изолирующих свойств фоторезиста он наносился на центрифуге за два приема. Данная структура (Cr—Ni—ФН-11) позволяет измерять температуру подложки до 350°С, что является вполне приемлемым для анализа температурных режимов нанесения пленок.

В [58] представлены результаты исследования процесса нагрева подложки перед напылением. Нагрев проводился на установке вакуумного напыления УВН-71П-3. На этой установке нагрев подложки осуществляется через подлож- кодержатель, т. е. прямое попадание излучения лампы нагрева на подложку отсутствует. Оценивалось влияние степени черноты поверхности подложкодержателя на температуру подложки. Температура подложкодержателя фиксировалась термопарой хромель — алюмель. Использование термопары для измерения температуры подложкодержателя возможно вследствие большой теплоемкости подложкодержателя и малого теплового сопротивления между подлож- кодержателем и спаем термопары.. Для нагрева подложек использовались кварцевые лампы КГ-2000-220. В качестве датчиков температуры подложки применялись пленочные терморезисторы на основе структуры Cr—Ni—ФН-11. Терморезисторы располагались на углах подложки и в центре. Это дало возможность определить перепад температуры вдоль поверхности подложки. В качестве материалов подложек использовался ситалл СТ-50-1 и керамика «Поли

кор». Эксперименты показали, что в процессе нагрева температура подложки, значительно отличается от температуры подложкодержателя, например, при температуре подложкодержателя, равной 250°С, подложка имеет температуру примерно на IOOp меньше. Кроме того, температура подложки Hei1 является стабильной величиной, даже если температура подложкодержателя поддерживается, постоянной, что объясняется нагревом технологической оснастки, расположенной с лицевой стороны подложки (рис. 21).

Рис. 21. Зависимость температуры подложки Tu от температуры подложкодержателя Гпд {I) и времени нагрева t (2); на 30-й минуте нагрев прекращен; участок а относится к нагреву подложек, б —к их охлаждению
Анализ экспериментальных результатов позволил предположить следующую* модель нагрева при наличии подложкодержателя: подложка и подложкодер- жатель идеально серые, оснастка, расположенная с лицевой стороны подложки, — абсолютно черная. Предположение об абсолютной черноте технологической оснастки, несмотря на то, что степень черноты ее поверхности отлична от единицы, допустимо вследствие крайне изрезанной формы ее поверхности. Иными словами, оснастка с лицевой стороны подложки представляет собой «глубокую полость» («полость большой глубины», рассматриваемая в физике излучения, ведет себя как абсолютно черное тело). Тогда для определения: температуры подложки при нагреве на установках вакуумного напыления карусельного типа можно использовать следующее соотношение:

(57)

где Th T1 T2 — температуры подложкодержателя, подложки и оснастки вакуумной камеры соответственно, К; и е — степени черноты подложкодержателя и подложки.

Полученные данные хорошо согласуются с результатами [59], где исследовался нагрев в вакууме подложек, имеющих различную степень черноты своей поверхности. Эксперименты, проведенные авторами по исследованию влияния степени черноты подложкодержателя на температуру подложки, хорошо подтвердили справедливость формулы (57). Исследовались три типа материалов подложкодержателей: хром (большая степень черноты), медь (низкая степень, черноты) и коррозионно-стойкая сталь (средняя степень черноты). Результаты

экспериментов представлены на рис. 22. Можно видеть, что влияние степени черноты поверхности подложкодержателя весьма значительно: так, при средней температуре 250°С разница температур подложек, расположенных на подлож- кодержателях из хрома и меди, достигает 100°С.

Наивысших значений температура подложки достигает во время осаждения на нее материала пленки. Экспериментальная зависимость, представленная на рис. 23, показывает изменение температуры подложки при напылении из испа-

Рис. 23. Изменение температуры подложки вследствие конденсации материала пленки на ее поверхность в процессе напыления:

I — напыление меди из испарителя, состоящего из двух чашек (изломы кривой на 7-й и 12-й минутах соответствуют концу испарения в каждой чашке, на 16-й минуте происходит выключение испарителя); 2—5 — изменение температуры подложки с увеличением времени напыления при различных температурах предварительного нагрева подложки; 2 — соответствует максимальному нагреву

рителя, состоящего из двух чашек. Изломы кривой в этом случае связаны с резким изменением скорости осаждения при полном испарении материала в одной из чашек. На этом же рисунке показано возрастание температуры подложки при конденсации материала для различных температур предварительного нагрева перед нанесением.

В [60] представлено решение численным методом задачи о нахождении распределения температуры на поверхности подложки исходя из известных геометрических, излучающих и мощностных параметров нагрева. Выводы [60] достаточно хорошо подтверждаются экспериментом.

Рис. 24. Распределение температуры на поверхности подложки при нагреве: а — правильное расположение прижимов; б — неправильное (на поверхности подложки большее

изменение температуры)

Одним из путей повышения равномерности теплового поля подложки является совершенствование конструкции подложкодержателя. На рис. 24,а, б представлены выгодное и невыгодное расположения металлических зажимов подложкодержателя. На рис. 25,а «холодные» углы подложки дополнительно нагреваются через прижимы.

<< | >>
Источник: Углов А. А. и др.. Адгезионная способность пленок.—М.: Радио и связь,. — 104 с.. 1987

Еще по теме Анализ теплового режима подложки:

  1. Влияние температурного режима подложки на адгезионную прочность
  2. 2.1. Метеорологические факторы теплового режима зданий
  3. Расчет напряжений в системе пленка — подложка
  4. Напряженное состояние граничной области между! пленкой и подложкой
  5. Влияние на адгезию дефектов на границе пленки и подложки
  6. 17. Психологические особенности лечебного режима 17.1. Лечебно-охранительный режим
  7. Г. С. Альтшуллер ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ — В МЕХАНИЧЕСКОЕ
  8. 4. Солнечный и тепловой удары
  9. 5.3.2. Тепловой баланс реактора
  10. Тепловая защита зданий
  11. 1.6 Модели для коэффициента тепловой передачи.
  12. 2.1.2 Уравнение теплового баланса сушащегося вещества.
  13. Последствия теплового загрязнения естественных водоемов.
  14. 2.1.4 Уравнение теплового баланса для сушащего газа.
  15. 3. КОЛИЧЕСТВЕННОЕ И КАЧЕСТВЕННОЕ СОХРАНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ. КРИТИКА ГИПОТЕЗЫ «ТЕПЛОВОЙ СМЕРТИ»