Термовакуумне напилення
Термовакуумного метод отримання тонких плівок заснований на нагріванні у вакуумі речовини до його активного випаровування і конденсації випарах атомів на поверхні підкладки. До переваг методу осадження тонких плівок термічним випаровуванням відносяться висока чистота осаждаемого матеріалу (процес проводиться при високому і надвисокому вакуумі), універсальність (наносять плівки металів, сплавів, напівпровідників, діелектриків) і відносна простота реалізації. Обмеженнями методу є нерегульована швидкість осадження, низька, непостійна і нерегульована енергія загрожених частинок.
Суть методу термовакуумного напилення можна пояснити за допомогою спрощеної схеми установки, представленої на рисунку нижче.
Схема установки термовакуумного випаровування
Речовина, що підлягає покриттю, поміщають в пристрій нагріву (випарник) 1, де воно при досить високій температурі інтенсивно випаровується. У вакуумі, який створюється всередині камери спеціальними насосами, молекули випаруваного речовини вільно і швидко поширюються в навколишній простір, досягаючи, зокрема, поверхні підкладки 2. Якщо температура підкладки не перевищує критичного значення, відбувається конденсація речовини на підкладці, тобто зростання плівки. На початковому етапі випаровування щоб уникнутизабруднення плівки за рахунок домішок, адсорбованих поверхнею испаряемого речовини, а також для виводу випарника на робочу температуру використовується заслінка 4, тимчасово перекриває потік речовини на підкладку. У залежності від функціонального призначення плівки в процесі осадження контролюється час напилення, товщина, електричне опору або який-небудь інший параметр.Після досягнення заданого значення параметра заслінка знову перекриває потік речовини та процес росту плівки припиняється. Нагрівання підкладки за допомогою нагрівача 3 перед напиленням сприяє десорбції адсорбованих на її поверхні атомів, а в процесі осадження створює умови для поліпшення структури зростаючої плівки. Безперервно працююча система відкачування підтримує вакуум порядку 10 -4 Па. [7]
Розігрів випаровуваної речовини до температур, при яких воно інтенсивно випаровується, здійснюють електронним або лазерним променем, НВЧ-випромінюванням, за допомогою резистивних підігрівачів (шляхом безпосереднього пропускання електричного струму через зразок з потрібного речовини або теплопередачею від нагрітої спіралі). У цілому метод відрізняється великою різноманітністю як за способами розігріву випаровуваної речовини, так і по конструкціях випарників. [7]
Якщо потрібно отримати плівку з багатокомпонентного речовини, то використовують кілька випарників. Оскільки швидкості випаровування у різних компонентів різні, то забезпечити відтворюваність хімічного складу одержуваних багатокомпонентних плівок досить складно. Тому метод термовакуумного напилення використовують в основному для чистих металів.
Весь процес термовакуумного напилення можна розбити на три стадії: випаровування атомів речовини, перенесення їх до підкладки і конденсація. Випаровування речовини з поверхні має місце, взагалі кажучи, при будь-якій температурі, відмінною від абсолютного нуля. Якщо допустити, що процес випаровування молекул (атомів) речовини протікає в камері, стінки якої досить сильно нагріті і не конденсують пар (відображають молекули), то процес випаровування стає рівноважним, тобто число молекул, що залишають поверхню речовини, дорівнює кількості молекул, які повертаються в речовина. Тиск пари, відповідне рівноважного стану системи, називається тиском насиченої пари, або його пружністю.
Практика показує, що процес осадження плівок на підкладку відбувається з прийнятною для виробництва швидкістю, якщо тиск насиченої пари приблизно дорівнює 1,3 Па. Температура речовини, при якій р і = 1,3 Па (р і - тиск насиченої пари при температурі випару), називають умовною температурою Т ум. Для деяких речовин умовна температура вище температури плавлення Т пл, для деяких - нижче. Якщо Т ум <Т пл, то ця речовина можна інтенсивно випаровувати з твердої фази (сублімацією). В іншому випадку випаровування здійснюють з рідкої фази. Залежності тиску насиченої пари від температури для всіх речовин, що використовуються для напилювання тонких плівок, представлені в різних довідниках у формі докладних таблиць або графіків. [7]
Друга стадія процесу напилення тонких плівок - перенесення молекул речовини від випарника до підкладки. Якщо забезпечити прямолінійне і спрямований рух молекул до підкладки, то можна отримати високий коефіцієнт використання матеріалу, що особливо важливо при осадженні дорогих матеріалів. За інших рівних умов це підвищує також і швидкість росту плівки на підкладці.
У міру випаровування речовини інтенсивність потоку і діаграма спрямованості для більшості типів випарників поступово змінюються. У цих умовах послідовна обробка нерухомих підкладок призводить до розкиду в значеннях параметрів плівки в межах партії, обробленої за один вакуумний цикл. Для підвищення відтворюваності підкладки встановлюються на обертовий диск-карусель. При обертанні каруселі підкладки по черзі і багаторазово проходять над випарником, за рахунок чого нівелюються умови осадження для кожної підкладки і усувається вплив тимчасової нестабільності випарника. Третьою стадією процесу напилення тонких плівок є стадія конденсації атомів і молекул речовини на поверхні підкладки. Цю стадію умовно можна розбити на два етапи: початковий етап - від моменту адсорбції першого атомів (молекул) на підкладку до моменту утворення суцільного покриття, і завершальний етап, на якому відбувається гомогенний зростання плівки до заданої товщини.