Реферат: Вакуумное напыление

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 ThO_{2 ,} 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.

Метод магнетронного распыления с постоянной силой тока не позволяет получать плёнки оксидов при высокой скорости распыления из за резкого окисления катода–мишени. В этих случаях целесообразнее применять высокочастотное магнетронное распыление, реализующее возможность распыление диэлектрических материалов в магнитном поле без изменения стехиометрического состава при увеличенной скорости испарения.

Не смотря на некоторые преимущества непосредственного распыления диэлектриков ВЧ – магнетроном, этот способ отличается незначительной скоростью конденсации и, вследствие этого, низкой производительностью. Имеются опредёленные трудности в согласовании источника питания магнетрона с нагрузкой при работе на высоких частотах; кроме того, источник питания должен быть снабжен системой гашения дуговых разрядов, являющихся причиной нестабильности рабочих параметров магнетронной распылительной системы.

По принципу работы вакуумные установки с ионно-плазменными источниками распыления можно разделить на установки периодического и непрерывного действия.

В установках периодического действия распылительные устройства располагают по оси цилиндрической камеры, либо по её образующей, в первом случае используют цилиндрические распылительные устройства; во втором планарные. Подложки транспортируются через зону плазмы. Установки периодического действия применяют для нанесения покрытий на полимерную плёнку или бумагу. Для снижения температуры подложки при магнетронном распылении следует: следует улучшать тепловой контакт подложки с охлаждаемым барабаном; изготовлять барабан из материала с высокой теплопроводностью либо увеличивать теплопроводность газовой прослойки между барабаном и плёнкой; охлаждать барабан до температуры 243 … 253К; расширять зону нанесения покрытия и увеличивать диаметр барабана. Повышенная скорость газовыделения подложки , а также вероятность взаимодействия ионизированных газов с осаждающемся металлом обуславливают использование конденсационных вакуумных ловушек.

Для нанесения покрытий сложного состава или многослойных покрытий на плоские подложки перспективны установки непрерывного действия. Обычно установки непрерывного действия состоят из ряда плоских прямоугольных камер, разделённых шлюзами и затворами. наиболее распространены установки с распылением сверху вниз, а также установки с вертикальным перемещением подложек и боковым размещением распылительных устройств. В таблице приведены скорости осаждения различных сплавов и соединений при использовании планарного магнетрона мощностью 5 кВт.

Таблица 3

Материал	Uос , мкм/(Вт с)	Материал	Uос , мкм/(Вт с)	Материал	Uос , мкм/(Вт с)
AlSi	4,08	Бронза	6,80	Cr2 O3	4,59
WTi	2,04	Латунь	6,80	InSnO2	2,38
NiCr	4,08	WC	1,87	CdSnO2	3,57
CuNi	5,78	TiO2	2,38	Al2 O3	2,38
FeNi	3,91	Ta2 O5	3,57	TiN	0,85
CuTiFe	7,48