Вакуумные тонкопленочные технологии в приборостроении

Д. Е. Шашин             

ВАКУУМНЫЕ

ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 

В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Йошкар-Ола

2022

УДК 621.3 (076)
ББК 32.85я73

Ш 32

Рецензенты:

А. И. Орлов, кандидат технических наук, доцент кафедры электромеханики 
Марийского государственного университета;
С. А. Охотников, кандидат технических наук, доцент кафедры 
радиотехнических и медико-биологических систем Поволжского 
государственного технологического университета 

Печатается по решению

редакционно-издательского совета ПГТУ

Шашин, Д. Е.

Ш 32 
Вакуумные тонкопленочные технологии в приборостроении: 

лабораторный практикум / Д. Е. Шашин. – Йошкар-Ола: Поволжский 
государственный технологический университет, 2022. – 60 с.
ISBN 978-5-8158-2314-3

Представлены теоретические сведения, охватывающие современные

вакуумные технологии изготовления тонких пленок для применения в 
приборостроении. Приведены методические рекомендации по выполнению 
лабораторных работ.

Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 11.04.04 

«Электроника и наноэлектроника», 12.03.01 «Приборостроение», 11.03.03
«Конструирование и технология электронных средств». Издание может 
быть полезно также для студентов, обучающихся по направлениям подго-
товки 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии», 11.04.01 «Радио-
техника», 27.03.04 «Управление в технических системах».

УДК 621.3 (076)

ББК 32.85я73

ISBN 978-5-8158-2314-3
© Д. Е. Шашин, 2022
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие............................................................................................5

Список сокращений................................................................................5

Техника безопасности при проведении лабораторных работ............6

Введение..................................................................................................9

Лабораторная работа № 1
Получение пленок оксида титана 
методом реактивного магнетронного распыления .................... 11

1.1. Описание лабораторного оборудования ............................. 11
1.2. Ход выполнения работы....................................................... 15
1.3. Содержание отчета................................................................ 18
Контрольные вопросы ................................................................. 18

Лабораторная работа № 2
Получение пленок нитрида титана 
методом реактивного магнетронного распыления .................... 19

2.1. Описание лабораторного оборудования ............................. 19
2.2. Ход выполнения работы....................................................... 24
2.3. Содержание отчета................................................................ 29
Контрольные вопросы ................................................................. 29

Лабораторная работа № 3
Получение оптически прозрачных пленок 
нитрида алюминия ............................................................................ 30

3.1. Описание лабораторного оборудования ............................. 30
3.2. Ход выполнения работы....................................................... 35
3.3. Содержание отчета................................................................ 40
Контрольные вопросы ................................................................. 41

Лабораторная работа № 4
Получение пленок меди с низким значением поверхностного 
сопротивления методом магнетронного распыления ................ 42

4.1. Описание лабораторного оборудования ............................. 42
4.2. Ход выполнения работы....................................................... 46
4.3. Содержание отчета................................................................ 49
Контрольные вопросы ................................................................. 49

Лабораторная работа № 5
Получение проводящих слоев методом резистивного 
термического испарения в вакууме ............................................... 50

5.1. Описание лабораторного оборудования........................... 50
5.2. Ход выполнения работы .................................................... 52
5.3. Содержание отчета ............................................................. 56
Контрольные вопросы............................................................... 56

Заключение............................................................................................ 57

Список литературы............................................................................... 59

ПРЕДИСЛОВИЕ

Лабораторный практикум охватывает вопросы, связанные с ва-

куумными технологиями изготовления тонких пленок металлов и их 
соединений для применения в конструкциях современных информа-
ционно-измерительных приборов.

Данное издание включает в себя пять лабораторных работ: полу-

чение пленок оксида титана методом реактивного магнетронного 
распыления, получение покрытий нитрида титана методом реактив-
ного магнетронного распыления, получение оптически прозрачных 
пленок нитрида алюминия, получение пленок меди с низким значе-
нием поверхностного сопротивления методом магнетронного рас-
пыления, получение проводящих слоев методом резистивного тер-
мического испарения в вакууме, а также описание, принцип дей-
ствия технологического оборудования и программного обеспечения 
для выполнения лабораторных работ. 

В каждой лабораторной работе приведены описание технологи-

ческого оборудования и порядок выполнения работы. Контрольные 
вопросы позволяют обучающемуся проверить степень усвоения ими 
материала по каждой теме. Поскольку вопросы, рассматриваемые в 
лабораторных работах, относятся к междисциплинарным отраслям, 
то полное описание всего теоретического материала по этим вопро-
сам в данном издании не представляется возможным. Студенты 
посредством изучения материала из приведенного библиографиче-
ского списка могут более полно погрузиться в ту или иную тему. 

Обучающиеся при выполнении лабораторных работ закрепляют 

на практике теоретические знания, полученные на лекционных заня-
тиях и в ходе самостоятельного изучения.

Список сокращений

ПМТ – преобразователь манометрический термопарный
ПМИ – преобразователь манометрический ионизационный
АВПР – агрегат вакуумный пластинчато-роторный
ВИТ – вакуумный измеритель термопарный 
УВН – установка вакуумного напыления
БУВС – блок управления вакуумной системой

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ 

ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1. Общие требования безопасности

К работе с электроизмерительными приборами, электроустанов-

ками, ЭВМ под руководством преподавателя или ответственного за 
лабораторию допускаются лица, прошедшие инструктаж по охране 
труда, медицинский осмотр и не имеющие противопоказаний по 
состоянию здоровья. 

В лаборатории студенты должны соблюдать правила поведе-

ния, расписание учебных занятий, установленные режимы труда 
и отдыха.

При работе с электроизмерительными приборами возможно 

воздействие на работающих следующих опасных факторов:

а) поражение электрическим током при прикосновении к ого-

ленным проводам и к приборам, находящимся под напряжением;

б) травмирование рук при использовании неисправного инстру-

мента.

ПОМНИТЕ! Электрический ток может вызвать ожоги, обморок, 

судороги, прекращение дыхания, даже смерть.

Индивидуальные средства защиты следующие: для глаз – за-

щитные очки, для лица – маски, для рук – диэлектрические перчат-
ки, для дыхательных путей – респиратор.

При выполнении лабораторных работ должны использоваться 

указатели напряжений и инструмент с изолированными ручками.

В лаборатории для выполнения лабораторных работ должна 

быть медицинская аптечка с набором необходимых медикаментов и 
перевязочных средств. 

Студенты обязаны соблюдать правила пожарной безопасности,

знать места расположения первичных средств пожаротушения.

При несчастном случае пострадавший или очевидец обязан 

немедленно сообщить преподавателю или заведующему лаборато-

рией, который извещает об этом администрацию ПГТУ. При неисправности 
электроизмерительных приборов, инструмента прекратить 
работу и сообщить об этом преподавателю или заведующему
лабораторией.

В процессе работы необходимо соблюдать правила ношения 

спецодежды, пользования индивидуальными и коллективными 
средствами защиты, соблюдать правила личной гигиены, содержать 
в чистоте рабочее место.

Студенты, допустившие невыполнение или нарушение инструкции 
по охране труда, привлекаются к дисциплинарной ответственности 
в соответствии с правилами внутреннего трудового распорядка 
ПГТУ и подвергаются внеочередной проверке знаний правил 
охраны труда.

2. Требования безопасности перед началом работы

Получив разрешение на проведение лабораторных работ, необ-

ходимо проверить состояние и исправность электроизмерительных 
приборов и инструмента, наличие и исправность защитного зазем-
ления.

Подготовить необходимые для работы материалы, приспособле-

ния и разложить на свои места, убрать с рабочего стола все лишнее.

Подготовить к работе средства индивидуальной защиты, убе-

диться в их исправности.

3. Требования безопасности во время работы

ПОМНИТЕ! Электрический ток величиной 0.1 А и напряжением 

свыше 42 В опасен для жизни человека.

Пребывание в лаборатории разрешается только в присутствии 

преподавателя или ответственного за лабораторию.

Лабораторные работы проводятся только в присутствии препо-

давателя или ответственного за лабораторию.

Запрещается применять оборудование, приборы и кабели с от-

крытыми токоведущими частями.

Все электрические приборы должны иметь указатели напряже-

ний, на которые они рассчитаны.

4. Требования безопасности в аварийных ситуациях

При обнаружении неисправности в работе электроизмеритель-

ных приборов или лабораторной установки, находящихся под 
напряжением (повышенное их нагревании, появление искрения и 
т.д.) немедленно отключить источник электропитания, вывесить 
табличку о неисправности оборудования и сообщить об этом препо-
давателю или заведующему лабораторией. 

При коротком замыкании в электроизмерительных приборах и

лабораторных установках и их возгорании немедленно отключить 
их от электросети, сообщить о пожаре в пожарную часть по телефо-
ну 01 и приступить к тушению очага возгорания углекислотным 
(порошковым) огнетушителем или песком.

При получении травмы сообщить преподавателю или заведую-

щему лабораторией, оказать первую помощь пострадавшему, при 
необходимости отправить его в ближайшее лечебное учреждение, 
сообщить об этом администрации ПГТУ.

5. Требования безопасности по окончании работы

Отключить электроизмерительные приборы и лабораторные 

установки от электросети.

Привести в порядок рабочее место.
Заявить преподавателю или ответственному за лабораторию об 

окончании работы и получить разрешение на уход из лаборатории.

ВВЕДЕНИЕ

Свойства тонкой пленки могут сильно отличаться от свойств 

массивного материала, особенно если толщина пленок очень мала. 
Эти отличия обусловлены спецификой структуры пленки, которая, 
очевидно, обусловлена процессами, происходящими во время фор-
мирования пленки.

Первые пленки, представляющие практический интерес, были

получены в середине прошлого столетия. Основные результаты и
достижения науки о тонких пленках использовались раньше, в ос-
новном при решении проблем микроэлектроники и в меньшей сте-
пени – машиностроения. В последние годы интерес к вопросам фи-
зики и технологии тонких пленок постоянно возрастает. Наблюдае-
мый в настоящее время прогресс в металлообработке, методах по-
верхностной модификации, создании новых композиционных мате-
риалов в значительной степени обусловлен успехами в изучении
структуры и свойств пленок и межфазных слоев.

Межфазные слои в композиционных материалах имеют более

сложное
строение
и, как
правило, определяют
их
физико-

химические свойства.

В истории изучения свойств поверхности условно выделяют три

основных этапа:

1) изучение поверхности реальных тел;
2) исследование атомарно чистых поверхностей, получение ко-

торых стало возможным главным образом благодаря развитию ва-
куумной техники;

3) интенсификация исследований межфазных слоев многослой-

ных систем в композитах, их изменений при различных внешних 
воздействиях. 

В настоящее время благодаря появлению и развитию большого 

числа методов физико-химического анализа особенно активно изу-
чаются поверхности раздела в тонких пленках.

Тонкие пленки получают путем осаждения атома за атомом, 

например, путем конденсации из паровой фазы или электролитиче-

ское осаждение металлической пленки из раствора. Получение пле-
нок с помощью вакуумного напыления или газотранспортных реак-
ций представляет наибольший интерес с практической точки зрения.

Конденсация означает переход из газообразного состояния в 

жидкое или твердое. С точки зрения термодинамики, для того чтобы 
происходила конденсация, необходимо, чтобы парциальное давле-
ние соответствующего газообразного материала было равно или 
больше равновесного давления паров этого материала над конден-
сированной фазой при данной температуре. Конденсация начинает-
ся с соединения нескольких адсорбированных атомов в небольшие 
скопления, которые называются зародышевыми центрами, или за-
родышами, а процесс их образования – зародышеобразованием. 
Процесс увеличения зародышевого центра и образование в резуль-
тате однородной пленки называется ростом пленки. Часто образова-
ние зародышей и их рост происходят одновременно в процессе об-
разования пленки.

Процесс конденсации нельзя рассматривать просто как случай-

ное падение на подложку липких шариков (атомов или малых ча-
стиц, состоящих из группы атомов), которые прилипают там же, где 
упали. Напротив, адсорбированные атомы обладают большой по-
верхностной подвижностью, и в результате ярко выраженные ост-
ровки из материала пленки образуются на подложке даже спустя 
длительное время после образования зародышей. В конце концов, 
эти островки сливаются и образуют непрерывную пленку. Это про-
исходит, когда средняя толщина пленки составит по крайней мере 
несколько атомных слоев [1].

Лабораторная работа № 1

ПОЛУЧЕНИЕ ПЛЕНОК ОКСИДА ТИТАНА 

МЕТОДОМ РЕАКТИВНОГО МАГНЕТРОННОГО 

РАСПЫЛЕНИЯ

Цель работы – получить тонкие пленки оксида титана при различ-

ных значениях кислорода в рабочей смеси и определить их толщину.

1.1. Описание лабораторного оборудования

Экспериментальные пленки формируются на модернизирован-

ной под магнетронное распыление вакуумной установке УВН–71П3. 
Структурная схема установки изображена на рис. 1.1. 

Рис. 1.1. Схема установки магнетронного распыления УВН–71П3: 1 – ваку-
умметр; 2 – баллон с реактивным газом; 3 – баллон с инертным газом; 4 – иони-
зационный преобразователь ПМТ–51; 6 – натекатель; 7 – цифровой натекатель; 
8 – камера; 9 – несбалансированные магнетроны; 10 – блок питания магнетрона; 
11 – нагреватель; 12 – подложкодержатель автоматизированный; 13 – затвор; 
14 – насос диффузионный; 15, 16 – вакуумные клапаны; 17 – механический насос

Вакуумная камера установки откачивается до рабочего вакуума 

последовательно включенными механическим и паромасляным 
насосами.

Внутри рабочей камеры располагаются магнетрон, подложко-

держатель и резистивный нагреватель. Подложкодержатель приво-
дится в действие частотно-регулируемым приводом. Измерение 
температуры подложки производится платиновым термометром 
сопротивления, который контактирует с тыльной стороной подлож-
ки [2].

Газовая смесь (Ar + O2) подается непосредственно в распыли-

тельную камеру в зону разряда. Вакуумная установка оборудована 
системой напуска газа и поддержания давления, которая содержит 
термопароионизационный вакуумметр и цифровой натекатель газа с 
двумя вмонтированными прецизионными датчиками расхода газа, 
что расширяет возможности прибора и позволяет ему функциониро-
вать в режиме напуска заданного расхода газа. Управление прибо-
рами системы возможно как с помощью органов управления на кор-
пусе, так и с персонального компьютера через сетевые интерфейсы 
RS–485. Система необходима для автоматического прецизионного 
управления расходом рабочей смеси (рабочего и реактивного газов) в 
камере при магнетронном технологическом процессе нанесения метал-
лов и их соединений. Система работает в диапазоне измерения показа-
ний давления без изменения предела измерений от 60 до 10-5 Па. 

Контроль степени вакуума в камере осуществляется цифровым 

вакуумметром (таблица 1.1).

Таблица 1.1

Технические характеристики цифрового вакуумметра

Наименование параметра
Значение 
параметра

Диапазон измеряемой степени вакуума термопарным 
измерителем ПМТ–2, мм рт. ст.
10-1 … 10-3

Диапазон измеряемой степени вакуума ионизационным 
измерителем ПМИ–51, Па
10-2 … 10-5