Princip vakuumskog isparavanja pri nanošenju premaza
1. Oprema i fizički proces nanošenja premaza vakuumskim isparavanjem
Oprema za nanošenje premaza vakuumskim isparavanjem uglavnom se sastoji od vakuumske komore i sistema za evakuaciju. Unutar vakuumske komore nalaze se izvor isparavanja (tj. grijač isparavanja), podloga i okvir podloge, grijač podloge, ispušni sistem itd.
Materijal za premazivanje se postavlja u izvor isparavanja vakuumske komore i pod uslovima visokog vakuuma, izvor isparavanja ga zagrijava da bi ispario. Kada je prosječni slobodni domet molekula pare veći od linearne veličine vakuumske komore, nakon što atomi i molekuli filmske pare izađu sa površine izvora isparavanja, rijetko se sudaraju s drugim molekulima ili atomima i direktno dospiju na površinu podloge koja se premazuje. Zbog niske temperature podloge, čestice filmske pare se kondenzuju na njoj i formiraju film.
Kako bi se poboljšala adhezija molekula isparavanja i podloge, podloga se može aktivirati odgovarajućim zagrijavanjem ili čišćenjem ionima. Premaz vakuumskim isparavanjem prolazi kroz sljedeće fizičke procese, od isparavanja materijala, transporta do taloženja u film.
(1) Korištenjem različitih načina pretvaranja drugih oblika energije u toplinsku energiju, filmski materijal se zagrijava kako bi ispario ili sublimirao u plinovite čestice (atome, molekule ili atomske klastere) s određenom količinom energije (0,1 do 0,3 eV).
(2) Čestice plina napuštaju površinu filma i transportuju se do površine podloge određenom brzinom kretanja, u suštini bez sudara, u pravoj liniji.
(3) Čestice plina koje dospiju na površinu supstrata spajaju se i nukleiraju, a zatim rastu u film čvrste faze.
(4) Reorganizacija ili hemijsko vezivanje atoma koji čine film.
2, Grijanje isparavanjem
(1) Otporno zagrijavanje isparavanjem
Otporno zagrijavanje i isparavanje je najjednostavnija i najčešće korištena metoda zagrijavanja, općenito primjenjiva na materijale za premaze s tačkom topljenja ispod 1500℃. Metali s visokom tačkom topljenja u obliku žice ili lima (W, Mo, Ti, Ta, bor nitrid itd.) obično se izrađuju u odgovarajući oblik izvora isparavanja, napunjeni materijalima za isparavanje, pomoću Džulove topline električne struje tope, isparavaju ili sublimiraju materijal za prevlačenje. Oblik izvora isparavanja uglavnom uključuje višestruku spiralu, U-oblik, sinusni val, tanku ploču, čamac, konusnu korpu itd. Istovremeno, metoda zahtijeva da materijal izvora isparavanja ima visoku tačku topljenja, nizak pritisak zasićene pare, stabilna hemijska svojstva, da ne reaguje hemijski s materijalom za premaz na visokim temperaturama, da ima dobru otpornost na toplinu, malu promjenu gustoće snage itd. Usvaja visoku struju kroz izvor isparavanja kako bi se zagrijao i ispario filmski materijal direktnim zagrijavanjem ili se filmski materijal stavlja u lončić napravljen od grafita i određenih metalnih oksida otpornih na visoke temperature (kao što su A202, B0) i drugih materijala za indirektno zagrijavanje radi isparavanja.
Premaz otpornim zagrijavanjem i isparavanjem ima ograničenja: vatrostalni metali imaju nizak napon pare, što otežava izradu tankog filma; neki elementi lako formiraju leguru pomoću grijaće žice; nije lako dobiti ujednačen sastav legure. Zbog jednostavne strukture, niske cijene i jednostavnog rukovanja metodom otpornog zagrijavanja i isparavanja, to je vrlo česta primjena metode isparavanja.
(2) Isparavanje zagrijavanjem elektronskim snopom
Isparavanje elektronskim snopom je metoda isparavanja materijala za premaz bombardiranjem elektronskim snopom visoke gustoće energije postavljanjem u vodom hlađeni bakreni lonac. Izvor isparavanja sastoji se od izvora emisije elektrona, izvora energije za ubrzanje elektrona, lonca (obično bakrenog lonca), zavojnice magnetskog polja i seta za rashladnu vodu itd. U ovom uređaju, zagrijani materijal se stavlja u vodom hlađeni lonac, a elektronski snop bombardira samo vrlo mali dio materijala, dok većina preostalog materijala ostaje na vrlo niskoj temperaturi pod efektom hlađenja lonca, što se može smatrati bombardiranim dijelom lonca. Dakle, metoda zagrijavanja elektronskim snopom za isparavanje može izbjeći kontaminaciju između materijala za premaz i materijala izvora isparavanja.
Struktura izvora isparavanja elektronskim snopom može se podijeliti na tri tipa: ravni topovi (Boulesovi topovi), prstenasti topovi (električno skrenuti) i elektronski topovi (magnetski skrenuti). Jedan ili više lončića mogu se postaviti u postrojenje za isparavanje, koje može isparavati i taložiti mnogo različitih supstanci istovremeno ili odvojeno.
Izvori isparavanja elektronskim snopom imaju sljedeće prednosti.
Visoka gustoća snopa izvora isparavanja bombardiranja elektronskim snopom može postići daleko veću gustoću energije od izvora otpornog grijanja, koji može isparavati materijale s visokom tačkom topljenja, kao što su W, Mo, Al2O3 itd.
②Materijal za premazivanje se stavlja u bakreni lončić hlađen vodom, što može spriječiti isparavanje izvora isparavanja i reakciju između njih.
③Toplota se može direktno dovoditi na površinu materijala premaza, što povećava termičku efikasnost, a smanjuje gubitak toplotne provodljivosti i toplotnog zračenja.
Nedostatak metode isparavanja zagrijavanjem elektronskim snopom je taj što primarni elektroni iz elektronskog topa i sekundarni elektroni s površine materijala premaza ioniziraju atome koji isparavaju i molekule preostalog plina, što ponekad utječe na kvalitetu filma.
(3) Visokofrekventno indukcijsko zagrijavanje isparavanjem
Visokofrekventno indukcijsko zagrijavanje i isparavanje podrazumijeva postavljanje lončića s materijalom za premazivanje u središte visokofrekventne spiralne zavojnice, tako da materijal za premazivanje generira jake vrtložne struje i histerezisni efekat pod indukcijom visokofrekventnog elektromagnetskog polja, što uzrokuje zagrijavanje sloja filma dok se ne ispari i ne ispari. Izvor isparavanja se obično sastoji od vodom hlađene visokofrekventne zavojnice i grafitnog ili keramičkog (magnezijum oksid, aluminijum oksid, boron oksid itd.) lončića. Visokofrekventni izvor napajanja koristi frekvenciju od deset hiljada do nekoliko stotina hiljada Hz, ulazna snaga je nekoliko do nekoliko stotina kilovata, a što je manji volumen membranskog materijala, veća je indukcijska frekvencija. Frekvencija indukcijske zavojnice obično je napravljena od vodom hlađene bakrene cijevi.
Nedostatak metode indukcijskog zagrijavanja i isparavanja visokom frekvencijom je što nije lako fino podesiti ulaznu snagu, a ima sljedeće prednosti.
①Visoka stopa isparavanja
②Temperatura izvora isparavanja je ujednačena i stabilna, tako da nije lako proizvesti fenomen prskanja kapljica premaza, a također se može izbjeći fenomen rupica na nanesenom filmu.
③Izvor isparavanja se puni jednom, a temperatura se relativno lako i jednostavno kontrolira.
Vrijeme objave: 28. oktobar 2022.