Вакуумное напыление

 

Соблюдение первого  требования обеспечивает получение  качественных пленок, не загрязненных атомами материала испарителя, соблюдения второго требования –длительную работу испарительного элемента, так как образование справа испаряемого вещества с материалом испарителя приводит к быстрому  разрушению испарителя. Кроме того, в результате химической реакции возможно образование соединений с низкой температурой испарения, что также приводит к загрязнению формируемого конденсата. Третье (дополнительное) требование подбора материала испарителя обусловлено, прежде всего, технологическими соображениями – конструкцией токовых вводов и зажимов вакуумной установки.

 
 
 
 
 
 
 
 
 

КОНСТРУКЦИИ ПРЯМОНАКАЛЬНЫХ ИСПРАРИТЕЛЕЙ

 

Простейшие испарители изготавливают в виде проволочной  спирали, многожильных жгутов, корзиночек, плоской ленты с углублениями, лодочек различной конфигурации.

 

Прямонакальные  испарители выполняют, как правило, из тугоплавких металлов  (вольфрам, молибдена и тантала), имеющих высокую температуру  плавления и низкое давление паров при рабочей температуре. Некоторые свойства тугоплавких металлов приведены в табл. 2.

 

Как, правило, прямонакальные испарители используют для испарения небольших количеств вещества. В практике получения защитных покрытий толщиной несколько десятков микрометров используют специальные устройства догрузки. Прямонакальные испарители применяют  для получения некоторых видов функциональных. Покрытий изделий электронной техники.

 

Значительно шире используют тигельные испарительные  устройства, конструктивно выполняемые  как в активном, так и в пассивном  вариантах. В первом случае тигель нагревается  специальными нагревателями, которые либо встроены в тигель, либо намотаны на него (тигли с косвенным нагревом). При этом варианте энергия к испаряемому материалу передается при тепловом контакте с поверхностью тигля. Таким образом, в режиме испарения температура тигля равна или несколько выше расплава; это определяет требования к термостойкости материала тигля.

 

Второй, пассивный, вариант конструктивного исполнения тигля реализуют на практике использованием электронно-лучевого или индуктивного способов нагрева. В  этом случае тигель является контейнером и его температура ниже температуры испаряемого вещества. Тигельные испарители пассивного исполнения обычно более долговечны.

 

Тигли изготовляют  из тугоплавких оксидов (ThO2, BeO, ZrO2, AI2O3, MgO); реже используют оксиды типа SiO2, TiO2, NiO. В электронно-лучевых испарительных системах применяют тигли из тугоплавких металлов, а также водоохлаждаемые медные тигли.

 

Таблица 2

 

Примечание: pэл – удельное электрическое сопротивление; e - термическое расширение (относительное  изменение геометрических размеров при нагревании).

 

В последние  годы применяют термостойкие химически  стабильные тигли на основе болидов  и нитридов. За рубежом широко используют тигли из ВN,TiB2  и смеси BN-TiB2  (по 50% каждого комплекта).

 

Довольно широко для изготовления тиглей используют углерод трех модификаций [18]:промышленный, стеклообразный и пиролитический графит.

 

При этом следует  учесть, что такие металлы, как AI, Si, Ti, K, Na,  Li в расплавленном состоянии взаимодействуют с графитом, образуя карбиды; Та, Мо и W образуют карбиды при температурах соответственно 1273, 1470, 1670 К; Cu и Be в расплавленном состоянии практически не взаимодействуют с графиком. При  взаимодействии графита с тугоплавкими оксидами, например ThO2 ,  BeO, ZrO2, происходит процесс их восстановления. Отличие  заключается  лишь в температуре и продолжительности t  реакции взаимодействия, после которой начинается  процесс восстановления;  так,  для  ThO2 T=2273 K, t=240 c; для ВеО-Т=2570 К и t =120 с, для ZrO2-T=1870 K и t =240 с.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ОСНОВНЫЕ  ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ И ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ИСПАРИТЕЛЕЙ

 

            Прямонакальные испарители, несмотря  на довольно широкое распространение и простоту конструктивного исполнения, не соответствуют всем требованиям, предъявленным к технологическим процессам получения вакуумных покрытий. Основные недостатки этих испарителей – высокая энергоемкость, ограниченные возможности при нанесении толстых покрытий, низкое качество покрытий вследствие их загрязнения атомами испарителя и продуктами взаимодействия материала испарителя и испаряемого вещества.     

 

            Этих недостатков лишены испарительные  устройства и системы , основанные на электронно-лучевом способе нагрева. Он заключается в том, что на поверхность металла, сплава или какого-либо соединения, помещенного в тигель, направляют поток электронов, который довольно быстро нагревает вещество до температуры плавления, а затем и испарения. Носителем энергии является луч с энергией (9,6…48,0)10-16 Дж. В результате взаимодействия электронного луча с поверхностью испаряемого материала, кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую. Материал испаряется и нагревается. При таком способе существует принципиальная возможность поддерживания вещества при температуре испарения в течение довольно длительного периода. Соответственно практически нет ограничений по толщине наносимых слоев.

 

             Конструктивно электронно-лучевые испарители выполняют в различных модификациях –с линейным, кольцевым (аксиальные пушки) или полым (газоразрядные пушки) катодом. Однако для всех систем характерно наличие функциональных типовых узлов : источника электронов ,ускоряющего анода , системы поворота электронного пучка и системы его фокусировки. Сформированный электронный пучок направлен в тигель с расплавом.

 

              Электронный  пучок может быть  направлен в тигель с испаряемым  веществом несколькими способами  :без отключения пучка и отключением пучка на 45; 90; 180 и270 градусов . Следует отметить, что использование пушек с отклоняемым пучком электронов позволяет решать более широкий диапазон технологических задач, но при этом эффективность пучка снижается: с увеличением угла отключения пучка возрастает  рассеяние электронов и требуется повышенная мощность.

 

             Системы отклонения и фокусировки  имеют три основные модификации-электростатические, электромагнитные и на постоянных  магнитах.  Наиболее широко используют  электромагнитные системы.

 

              Преимущества  электронно-лучевого  испарения обусловлены прежде  всего тем, что- единственный  способ,  при котором энергия  подводится непосредственно к  поверхности, где формируется  поток пара. Метод позволяет: достичь  значительной поверхностной  плотности энергии, благодаря чему могут быть реализованы высокие скорости испарения различных материалов, в том числе тугоплавких металлов, оксидов и других соединений.

 

             Обеспечить простую регулировку  мощности и распределение энергии по поверхности нагрева, что позволяет относительно легко регулировать толщину и равномерность нанесения покрытий.

 

             Получать покрытия высокой чистоты  благодаря применению водо-охлаждаемых  тиглей.                     

 

.           Существенно повысить энергетический КПД процесса металлизации по сравнению с достигаемым при использовании прямонакальных испарителей.

 

               Можно выделить два класса  вакуумных установок – для  нанесения покрытий на отдельные   изделия  и для нанесения покрытий на рулонные материалы. Преимущество электронно-лучевого испарения особенно заметно проявляется  для вакуумных установок  второго класса, в которых требуется высокая  производительность испаряющего устройства.

 

               Электронно – лучевые  испарители сложнее обслуживать, чем прямонакальные; требуется  специальная подготовка операторов, причем необходимо учитывать рекомендации  по обслуживанию и эксплуатации конкретных вакуумных установок.

 

              Отличительная особенность электродуговых  испарительных систем состоит в том, что помимо паров металла возникают ионизированные частицы. Эти частицы поддаются  управлению электромагнитными или электростатическими полями и легко вступают в реакции с другими элементами. Последнее позволяет получить широкий спектр химических соединений по довольно простой технологии.

 

                Применительно к проблемам вакуумной  металлизации можно выделить  некоторые характерные особенности  электрической дуги, определяющие  процесс формирования покрытий. Электрический дуговой разряд в вакууме происходит в парах металла. На  катоде формируются микроскопические участки - катодные пятна с высокими плотностью энергии и температурой. В пределах катодных пятен локализуются все заряженные частицы  катодной области разряда. В состав продуктов эрозии катода в зоне пятна входят капли расплавленного металла, ионы и пары металла. Размер капель и их концентрация в общем, потоке частиц, поступающих подложку, определяются свойствами материала катода и плотностью тока дуги разряда

 

                Давление паров металла в области  катодного пятна достигает 105 Па, поэтому в зоне пятна не  происходит взаимодействия с  напускаемым  газом. Взаимодействие  реализуется в следующих областях: на катоде в зонах, остающихся  после перемещения катодного пятна; непосредственно на поверхности подложки, где происходит реакция свеженапыленного слоя с газом; в разрядном промежутке при условии его достаточной  протяженности.

 

                Скорость перемещения катодного  пятна в значительной степени зависит от состава и давления напускаемого газа. Эти параметры определяют скорость испарения и состав  формируемого покрытия.

 

                 Конструктивно метод электродугового  испарения наиболее прост; для  его практической реализации  используют стандартные сварочные выпрямители или генераторы. Это определяет значительные преимущества метода по сравнению с другими.

 

                  Один из наиболее серьезных  недостатков метода-наличие капельной  фазы в потоке частиц, поступающих  на поверхность изделий - как правило, отрицательно влияет на электрофизические и оптические свойства пленок и ограничивает применение метода в радиоэлектронной и электротехнической промышленности. Этого недостатка лишены магнетронные распылительные  системы.  

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

МАГНЕТРОННЫЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

 

            Действие магнетронного распылителя  основано на распылении материала  мишени-катода при его бомбардировке  ионами рабочего газа, образующими  в плазме аномально тлеющего  разряда. Возникающая при этом вторичная эмиссия поддерживает разряд и обуславливает распыление материала мишени-катода. Магнетронная распылительная система (МРС) является одной из разновидностей схем диодного распыления.

 

            Основные элементы МРС: катод,  анод и магнитная система, предназначены для локализации плазмы у поверхности мишени – катода.

 

            Наиболее широко применяют планарные  магнетроны. Мишень – катод из  распыляемого материала охлаждается  проточной водой, поступающей  по трубопроводу. На катод подаётся  постоянное напряжение (300 … 800 В) через клемму от источника питания; под катодом расположена магнитная система, состоящая из центрального и периферийных постоянных магнитов, расположенных на основании из магнитомягкого материала. Все элементы смонтированы на корпусе, присоединенном к вакуумной камере изолирующими вакуумно-плотными прокладками.

 

            Основные преимущества магнетронного  способа распыления – высокая  скорость нанесение плёнки и  точность воспроизведения состава  распыляемого материала. Магнетронное распыление позволяет получать покрытия практически из любых металлов, сплавов и полупроводниковых материалов без нарушения стехиометрического состава. В зависимости от состава рабочей атмосферы (долей кислорода, азота, диоксида углерода, сернистых газообразных соединений) можно получать плёнки оксидов, нитритов, карбидов, сульфитов различных материалов, в том числе и таких, которые невозможно получить методом термического испарения.

 

            Скорость конденсации при магнетронном  распылении зависит от силы тока разряда или мощности и от давления рабочего газа, что определяет жесткие требования к источникам питания. Для обеспечения воспроизводимости и стабильности процесса силу тока разряда необходимо поддерживать с точностью ±2 %; если же стабилизация процесса осуществляется по мощности разряда, то подводимую мощность следует поддерживать с точностью ± 20 Вт в диапазоне регулирования от 0 до 10 кВт. В качестве рабочей среды при магнетронном распылении  используют смесь инертного и реакционных газов. Подбором парциальных давлений компонентов газовой смеси при постоянном общем давлении, поддерживаемом с точностью ±5 %, можно в широких пределах изменять оптические и электрические характеристики покрытия. Это, в свою очередь требует оснащение вакуумных установок насосами, обеспечивающие постоянную скорость откачки в рабочем диапазоне давлений. Состав получаемых соединений (оксидов, карбидов, нитритов) зависит от чистоты применяемых газов и распыляемых материалов, поэтому требуются сложные системы откачки газов  и высокочистые материалы для распыления.