2.3 Методы химического осаждения

2.3.1 Пульверизация с последующим пиролизом

Пульверизация раствора с последующим пиролизом была впервые применена в 1910 г. для получения прозрачных оксидных пленок [17]. В 60-е годы Чемберлин и др. [18—20] использовали этот метод для осаждения пленок сульфидов и селенидов.

При пиролизе распыленного раствора происходит термостимулированная реакция между кластерами атомов различных химически активных веществ, находящихся в жидкой или паровой фазе. Если считать, что осаждение тонкой пленки представляет собой процесс послойной конденсации атомов, молекул или ионов, то в зависимости от размеров получаемых кластеров пульверизацию с последующим пиролизом можно отнести либо» к тонкопленочным, либо к толстопленочным методам осаждения.

Этот метод получил широкое развитие благодаря усилиям Чемберлина и др. [18—23] (ныне сотрудников Photon Power Inc.), Бьюба и др. [24—30] в Станфордском университете, Савелли и др. [31—34] в университете г. Монпелье, а также Чопра и др. [35—42] в Индийском технологическом институте, г. Дели. Недавно Чопра и др. [43] опубликовали обзор исследований в этой области. В следующих разделах особенности процесса пульверизации с последующим пиролизом будут рассмотрены более подробно.

2.3.1.1 Физические аспекты

Метод пульверизации с последующим пиролизом связан с распылением на нагретую подложку раствора (чаще всего водного), содержащего растворимые соли компонентов осаждаемого соединения. Капли распыленного раствора, достигнув поверхности горячей подложки, подвергаются пиролитическому разложению (эндотермический процесс), а продукт реакции образует на поверхности отдельные кристаллиты или группы кристаллитов. Летучие побочные продукты реакции и избыток растворителя выделяются в виде пара. К подложке подводится тепловая энергия, необходимая для термического разложения раствора, химического взаимодействия компонентов вещества и последующих процессов агломерации и рекристаллизации групп кристаллитов, завершающихся образованием сплошной пленки.

Блок-схема обычной установки для пиролиза распыленного раствора, применяемой в лаборатории авторов книги, представлена на рис. 2.3. Распыление химического раствора на мельчайшие капли осуществляется с помощью пульверизатора при использовании очищенного газа-носителя, который непосредственно участвует (как это происходит в случае осаждения пленок но может и не участвовать (например, при получении пленок в реакции пиролиза. Газ-носитель и распыляемый раствор, подаваемые в пульверизатор, имеют постоянные, заранее рассчитанные давления и скорости потоков. Температуру подложки поддерживают на определенном уровне при помощи устройства с обратной связью, которое регулирует

Рис. 2.3. Блок-схема установки, применяемой в лаборатории авторов для осаждения тонких пленок методом пульверизации с последующим пиролизом.

подвод основного и дополнительного потоков тепловой энергии. Для получения однородного покрытия большой площади распылительную головку и подложку перемещают относительно друг друга с использованием механических или электромеханических приводных устройств.

Форма распыленной струи, распределение капель по размеру и скорость распыления в значительной степени зависят от конфигурации пульверизатора, в который поступают газ и жидкость. Разработаны разнообразные пульверизаторы для распыления растворов на неподвижную или перемещающуюся подложку. На рис. 2.4 схематически изображены некоторые типы пульверизаторов, а также поперечное сечение промышленно выпускаемого пульверизатора (Spraying Systems Co., США).

2.4. Схемы обычно применяемых пульверизаторов (а, б, в) и поперечное сечение пульверизатора, выпускаемого Spraying System Co., США (г).