Принцип вакуумного напыления при нанесении покрытий
1. Оборудование и физический процесс вакуумного напыления.
Оборудование для вакуумного напыления в основном состоит из вакуумной камеры и системы откачки. Внутри вакуумной камеры находятся источник испарения (т.е. нагреватель испарения), подложка и рама подложки, нагреватель подложки, система отвода воздуха и т. д.
Материал для покрытия помещается в испарительный источник вакуумной камеры, и в условиях высокого вакуума он нагревается испарительным источником для испарения. Когда средний радиус действия молекул пара превышает линейный размер вакуумной камеры, после того как атомы и молекулы пленочного пара покидают поверхность испарительного источника, они практически не сталкиваются с другими молекулами или атомами и непосредственно достигают поверхности подложки, подлежащей покрытию. Благодаря низкой температуре подложки частицы пленочного пара конденсируются на ней, образуя пленку.
Для улучшения адгезии испаряемых молекул к подложке, подложку можно активировать путем соответствующего нагрева или ионной очистки. Вакуумное напыление проходит следующие физические процессы: от испарения материала и его транспортировки до осаждения в пленку.
(1) Используя различные способы преобразования других форм энергии в тепловую энергию, пленочный материал нагревается до испарения или сублимации в газообразные частицы (атомы, молекулы или атомные кластеры) с определенным количеством энергии (от 0,1 до 0,3 эВ).
(2) Газообразные частицы покидают поверхность пленки и перемещаются к поверхности подложки с определенной скоростью движения, по существу без столкновений, по прямой линии.
(3) Газообразные частицы, достигающие поверхности подложки, сливаются и образуют зародыши, а затем вырастают в твердофазную пленку.
(4) Реорганизация или химическое связывание атомов, составляющих пленку.
2. Испарительный нагрев
(1) Резистивный нагрев испарения
Резистивный нагрев методом испарения — это самый простой и распространенный метод нагрева, обычно применимый к материалам покрытия с температурой плавления ниже 1500℃. Высокотемпературные металлы в форме проволоки или листа (W, Mo, Ti, Ta, нитрид бора и др.) обычно изготавливаются в виде испарительного источника подходящей формы, в который загружается испаряемый материал. За счет джоулева тепла электрического тока происходит плавление, испарение или сублимация покрытия. Форма испарительного источника в основном включает многожильную спираль, U-образную форму, синусоидальную форму, тонкую пластину, лодочку, конусообразную корзину и т. д. При этом метод требует, чтобы материал испарительного источника имел высокую температуру плавления, низкое давление насыщенного пара, стабильные химические свойства, не вступал в химическую реакцию с покрытием при высоких температурах, обладал хорошей термостойкостью, малым изменением удельной мощности и т. д. Используется высокий ток, проходящий через испарительный источник, для нагрева и испарения пленочного материала путем прямого нагрева, или пленочный материал помещается в тигель, изготовленный из графита и определенного высокотемпературного металла. оксиды (такие как A2O2, B0) и другие материалы для косвенного нагрева с целью испарения.
Метод нанесения покрытий с помощью резистивного нагрева методом испарения имеет свои ограничения: тугоплавкие металлы обладают низким давлением пара, что затрудняет получение тонких пленок; некоторые элементы легко образуют сплавы с нагревательной проволокой; сложно получить однородный состав сплавной пленки. Благодаря простой конструкции, низкой стоимости и простоте эксплуатации метод резистивного нагрева методом испарения является очень распространенным методом нанесения покрытий.
(2) Испарение при нагреве электронным пучком
Электронно-лучевое испарение — это метод испарения покрытия путем бомбардировки его высокоэнергетическим электронным пучком при помещении в охлаждаемый водой медный тигель. Источник испарения состоит из источника электронной эмиссии, источника ускорения электронов, тигля (обычно медного тигля), катушки магнитного поля и охлаждающей водяной системы и т. д. В этом устройстве нагретый материал помещается в охлаждаемый водой тигель, и электронный пучок бомбардирует лишь очень небольшую часть материала, в то время как большая часть оставшегося материала остается при очень низкой температуре под охлаждающим эффектом тигля, что можно рассматривать как бомбардированную часть тигля. Таким образом, метод электронно-лучевого нагрева для испарения позволяет избежать загрязнения между покрытием и материалом источника испарения.
Конструкция источника электронно-лучевого испарения может быть разделена на три типа: прямые пушки (пушки Буля), кольцевые пушки (с электрическим отклонением) и электронные пушки (с магнитным отклонением). В испарительной установке может быть размещен один или несколько тиглей, что позволяет испарять и осаждать множество различных веществ одновременно или по отдельности.
Источники электронно-лучевого испарения обладают следующими преимуществами.
①Высокая плотность пучка электронно-лучевого испарительного источника позволяет получить гораздо большую плотность энергии, чем источник резистивного нагрева, что дает возможность испарять материалы с высокой температурой плавления, такие как W, Mo, Al2O3 и др.
②Покрытие помещают в медный тигель с водяным охлаждением, что позволяет избежать испарения исходного материала и реакции между ними.
③Тепло можно передавать непосредственно на поверхность покрытия, что обеспечивает высокую тепловую эффективность и низкие потери на теплопроводность и тепловое излучение.
Недостатком метода испарения с помощью электронно-лучевого нагрева является то, что первичные электроны из электронной пушки и вторичные электроны с поверхности покрывающего материала ионизируют испаряющиеся атомы и остаточные молекулы газа, что иногда влияет на качество пленки.
(3) Высокочастотный индукционный нагрев испарения
Высокочастотный индукционный нагрев и испарение заключается в размещении тигля с покрытием в центре высокочастотной спиральной катушки, так что под воздействием высокочастотного электромагнитного поля в покрытии возникают сильные вихревые токи и эффект гистерезиса, что приводит к нагреву пленочного слоя до полного испарения. Источник испарения обычно состоит из водоохлаждаемой высокочастотной катушки и графитового или керамического (оксид магния, оксид алюминия, оксид бора и т. д.) тигля. Высокочастотный источник питания использует частоту от десяти тысяч до нескольких сотен тысяч Гц, входная мощность составляет от нескольких до нескольких сотен киловатт, чем меньше объем материала пленки, тем выше частота индукции. Индукционная катушка обычно изготавливается из водоохлаждаемой медной трубки.
Недостатком метода высокочастотного индукционного нагрева для испарения является сложность точной регулировки входной мощности, однако он обладает следующими преимуществами.
①Высокая скорость испарения
②Температура источника испарения равномерна и стабильна, поэтому явление разбрызгивания капель покрытия и образование микропор на осажденной пленке исключены.
③Источник испарения загружается один раз, и температуру относительно легко и просто контролировать.
Дата публикации: 28 октября 2022 г.