Методы pvd. Методы термического напыления.
Метод заключается в нагреве исходного материала (материалов) до Тисп или сублимации.
Остаточное давление 10-4-10-8Па. Р паров материала 1-100 Па. Энергия испаренных атомов 0,1-0,3эВ. Степень ионизации < 0,05-0,1%. Покрытия могут быть из Ме, сплавов, диэлектриков, п/п и т.д.
Для подвода энергии к испаряемому материалу, который помещен в испаритель, используется резистивный нагрев, нагрев эл. лучом, нагрев лазерным лучом, индукционный нагрев.
Метод обеспечивает получение особо чистых покрытий, т.к. загрязнение обусловлено лишь исходным материалом. Из рабочей среды поступает min загрязнений из-за высокого вакуума.
λ – средняя длина свободного пробега молекулы; Р – давление газа при Т=const; Q – эффективный диаметр молекулы.
При остаточном Р: Р=10-3Па. На воздухе λ=500см(н.у) Т=273К. При Р↓ - испарение в виде прямолинейных молекулярных потоков. Если λ > размеров камеры и столкновениями атомов можно пренебречь, скорость испарения определяется ур-нием Лангмюра:
m – масса в-ва, испаряющегося с единицы поверхности в единицу времени; М – молекулярная ↑масса испаряемого в-ва; Р – давление насыщенных паров. При тех же условиях справедливы законы Ламберта, когда нет столкновений.
Законы Ламберта:
1
ый
закон говорит о том, что интенсивность
потока пара в направлении, которое
отклонено от нормали к пов-ти испаряемого
материала на угол α, пропорционален
cosα.
2ой закон: количество осаждаемого в-ва обратно пропорционально квадрату расстояния от распыляемого материала к подложке.
Т.о. для обеспечения равномерности покрытий необходимо:
1)стремиться к увеличению расстояния от испарителя до подложки;
2)применять больше поверхности испарения;
3)обеспечить перемещение подложек (вращ.) в процессе нанесения покрытий.
Движущей силой переноса частиц является различие в Р над поверхностью испарения материала и вблизи подложки:
С ↑Т, нагрев испарения ↑. Это уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Справедливо для однокомпонентной системы.
dР – изменение равновесного давления паров Ме вследствие изменения Т на величину dT. ΔН – испарение, теплота испаряемого в-ва. Vп, Vж – молярные объемы пара и ж.
Для расчета используется:
,
где A,B,C,D
= const.
Зависимость Р от Т.
При ↑Т происходит ↑Р паров материала. При ↑Р до >1 Па приводит к образованию вблизи поверхности пограничного слоя и атом должен продиффундировать => осложнения материала, испарение ↓. Пограничный слой – с высокой концентрацией молекул. Испарение ↓ также при наличии примесей и оксидных пленок в испаряемом материале.
При одной и той же Т различные материалы хар-ся различными Р (напр, Ni-W), что усложняет контроль за процессами испарения сплава.
В сплаве сначала испаряется компонент, имеющий ↑Р пара, затем происходит испарение компонента с ↓Р пара за счет ↑ его концентрации в расплаве.
Образуется неоднородное покрытие с сильным grad концентраций элементов в расплаве. Это можно устранить раздельным испарением. Парциальное давление пара компонентов для реального сплава определяется формулами:
где f – коэффициент активности; Роi – давление паров чистого компонента; Xi – мольная концентрация компонента в сплаве.
Недостатки метода испарения:
- нерегулируемая скорость осаждения;
- низкая и нерегулируемая энергия осаждения частиц ( = >↓ адгезия);
- взаимодействие в ряде конструкций испаряемого материала с материалом тигля.