Спосіб виготовлення плівкової термопари

Винахід відноситься до галузі мікроелектроніки, а саме до способів виготовлення плівкових термоелектричних перетворювачів, призначених для перетворення теплоти в електричну енергію, а також для дистанційного вимірювання температури у твердих, рідких і газоподібних середовищах (пірометри, термоскопи, радіометри і т.п.), контактного вимірювання температури всередині твердих і газоподібних тіл (термозонди), вимірювання вакууму, тиску та витрат газів, енергії або потужності електромагнітних випромінювать і потоків частинок. Найбільш близким по технічній суті та характеристиках термопар, які отримуються, є спосіб виготовлення термопари [1] з аморфною і кристалічною вітками. Термопара виготовлялася шляхом конденсації в вакуумі плівок термоелектродів з матеріалу системи "метал-напівпровідник". Конденсацію плівки першого термоелектроду проводять при температурі підкладки 290К£Tп£700K з формуванням його в кристалічному стані, а конденсацію плівки другого термоелектроду проводять після формування першого, при температурі підкладки 290К£Тп£Ткр-150К, з отриманням другого термоелектроду в аморфному стані. Недоліком є неможливість отримати термопару з коефіцієнтом термоелектричної потужності вищим, ніж 30 мкВт/см×К2. Крім того, при нагріві підкладки до високих температур зростають додаткові витрати потужності, зростає ступінь забруднення матеріалу і підкладки домішками з апаратури та залишкових газів, що понижує ресурс роботи термопари. В основу винаходу покладено завдання удосконалити спосіб одержання термопари при якому використання нових режимів обробки осадженого термоелектроду дозволило отримати термопару з коефіцієнтом термоелектричної потужності вищим, ніж 30 мкВт/см×К2 і забезпечити зменшення забруднення матеріалу і підкладки домішками з апаратури та залишкових газів, що приведе до зростання ресурсу роботи термопари. Поставлене завдання вирішується таким чином, що у відомому способі (прототипі) виготовлення термопари, конденсацію плівки першого термоелектроду проводять при температурі підкладки Т кр150К£Тп£Ткр, де Ткр - температура кристалізації матеріалу, з наступним відпалом при цій температурі до повної кристалізації. Для вирішення поставленого завдання авторами запропоновано: 1. Кристалічну вітку термопари отримувати шляхом Ізотермічного відпалу. 2. Температура підкладки Ткр-150К£Тп£ТКр, де Тп - температура підкладки, Ткр - температура кристалізації матеріалу вітки. 3. Проводити відпал матеріалу вітки до повної його кристалізації на підкладці. Дані температури підкладки і процесу кристалізації встановлені, виходячи з міркувань про те, що температура кристалізації - величина, яка залежить від умов отримання і охоплює діапазон температур в декілька десятків градусів. Для одержання кристалічного стану спосіб спрощується в тому, що не будуть потрібні великі енергетичні затрати, пов'язані з нагрівом подкладки до високих температур, (Tп в 1,5-2 рази нижче тої, яка використовується). Виключається можливість пошкодження (вихід з ладу) підкладки, тому що немає необхідності нагріву до граничних значень температури (температура плавлення підкладки). Спрощення способу виготовлення термопари у запропонованому технічному вирішенні закладене у здатності кристалізації матеріалу при Ізотермічному його відпалі. Використання у технічному рішенні прототипу для формування кристалічної вітки температури підкладки 290К£Тп£700К, не забезпечує достатньої однорідності хімічних і фізичних, тобто структурних характеристик, а отже достатнього ресурсу для експлуатації термопари. Для забезпечення більшого ресурсу роботи і підвищення коефіцієнту термоелектричної потужності термопари авторами запропоновано проводити формування кристалічної вітки замість одного у два заходи, а саме, спочатку здійснюється конденсація при температурі підкладки Tкр-150K£Tп£Tкр, після чого наступає відпал плівки на підкладці до повної кристалізації. Час відпалу вибирається емпірично і для групи речовин, які містять в собі метал і напівпровідник, лежить в межах від 10 до 100 хв. Ефективність способу - питомі витрати енергії і часу - у запропонованому технічному вирішенні можна пояснити, коли сумістити конденсацію кристалічної вітки на підкладку при більш високій температурі (Ткр) з відпалом при цій температурі на протязі 10 хв. Досягнення технічного результату здійснюється регулюванням температури підкладки і часу відпалу. Тільки експериментом можна визначити ефективність способу, тому що від вибору температури підкладки залежить вибір часу відпалу. Час відпалу визначається за результатами електронномікроскопічних досліджень і на основі рівняння АврамІ-Колмогорова (Миколайчук А.Г., Байцар А.С. Влияние отжига на электропроводность пленок Ni+61,9 ат.% Ge. Изв.вузов. "Физика", 1986, N 2, с. 116-119), яке описує кінетику Ізотермічного розпаду: х = 1 - exp(-ktn), де х - доля закристалізованого об'єму, k - константа швидкості, t - час відпалу, n - коефіцієнт, який характеризує "мірність" кристаликів (n = 3). Кристалізація плівки при ізотермічному відпалі здійснюється поетапно. Цей процес добре спостерігається в електронному мікроскопі. Відбувається відпал дефектів, підвищується ступінь досконалості структур. Електропровідність матеріалу при цьому зростає і виходить на плато, що підтверджує завершення процесу кристалізації. Зміна електропровідності пов'язана, в першу чергу, з процесом кристалізації, який у даному випадку здійснюється не за рахунок утворення на підкладці нових зародків, а за рахунок росту вже Існуючих. Таким чином відбувається зростання електропровідності і підвищення коефіцієнту термоелектричної потужності. Спосіб отримання реалізується так. Приклад. Для конденсації віток термопари використовують твердий розчин Ge+10 ат.% АІ. Конденсацію здійснюють методом термічного випаровування з застосуванням вібробункеру на установці вакуумного напилення УВН-2М-2 у вакуумі не нижче 10-4 Па через маски у двох циклах. Для конденсації використовують два незалежні випарники. В першому циклі підкладку (ситал, поліімідна плівка, слюда) з маскою, яка відповідає конфігурації першої вітки термопари розміщують над одним випарником і нагрівають до температури Т п =350К (Ткр = 500 К). Після напилення, без розгерметизації підковпачного пристрою, підкладку витримують при цій температурі до повної кристалізації матеріалу на протязі 20 хв. після чого підкладку охлоджують до 290К. Виконують розгерметизацію підковпачного пристрою, заміну масок для напилення другої вітки термопари і випаровують матеріал з другого випарника при температурі підкладки 290 К. Так формується вітка термопари в аморфному стані. Значення коефіцієнту термоелектричної потужності - 84,5 мкВт/см×К2 при найбільш оптимальних умовах реалізації способу, що у 2-3 рази вище цього значення у відомому способі (прототипі). Приклади, які доводять можливість виконання способу у запропонованому діапазоні температур розміщені в табл. 1. Для одержання термопари можуть бути використані матеріали системи перехідний метал напівпровідник, термоелектричні характеристики яких задовольняють технічні вирішення задачі (табл. 2). Представлені приклади доводять, що застосування запропонованої групи матеріалів металнапівпровідник має можливість отримати термопари з коефіцієнтом термоелектричної потужності від 30 до 80 мкВт/см×К2, що в 1,3 рази перевищує відомі, зменшити забруднення матеріалу та підкладки домішками з апаратури і залишкових газів при використанні низьких температур і тим самим підвищити ресурс роботи термопари. При отриманні термопар даним способом зменшуються витрати енергії і часу. Все вище викладене дає змогу одержати передбачуваний технічний результат.