Лабораторна робота № 3 термічне вакуумне напилювання

1. Принцип термічного вакуумного напилювання.

Метод термічного випару заснований на нагріванні речовин у спеціальних випарниках до температури, при якій починається помітний процес випару, і наступної конденсації пар речовини у вигляді тонких плівок на оброблюваних поверхнях, розташованих на деякій відстані від випарника. Важливим фактором, що визначає експлуатаційні особливості й конструкцію установок термічного випару, є спосіб нагрівання матеріалів, що випаровуються: резистивный (омічний) або електронно-променевий.

Принцип дії вакуум термічного напилювання тонкоплівочних матеріалів показаний на рис. 1.1. та заснований на вимірюванні вакууму у робочому просторі вакуумної камери.

Рис. 1.1 – Схема та принцип роботи вакуум-термічного методу осадження тонких плівок: 1 – підкладка; 2-корпус випарника; 3-струмопідведення; 4-матеріал, що розпилюють

Основним елементом такої установки є випарник. У підрозділах, що наведені нижче, наведений докладний опис існуючих випарників, їх конструкційні особливості та призначення.

2. Випарники

Існуючі випарники можна поділити на дві групи: випарники з безпосереднім підігрівом і випарники з непрямим підігрівом.

2.1. Випарники з безпосереднім підігрівом

У випарниках з безпосереднім підігрівом струм проходить безпосередньо через матеріал, що випаровують. Такий метод випаровування може бути застосований тільки для дротових або стрічкових матеріалів, температура випаровування яких нижча за температуру плавлення.

Перевага такого методу випаровування з безпосереднім підігрівом полягає у тому, що при цьому відсутні елементи підігрівника здатні забруднити тонку плівку, яку наносять. При безпосередньому випаровуванні із дротів передбачається система пружин того або іншого типу, що компенсує розширення проволоки, що випаровують, яке відбувається при нагріванні.

На рис. 2.1 зображений „плоский” випарник, що складається з ряду дротів, туго натягнутих за допомогою декількох пружин, а на рис.2.2. наведені конструкція пристрою, у якому для компенсації термічного розширення застосовуються невеликі гирі 3; ці гирі туго натягають проволоку, що випаровують 1; проволока перетягнута через ролики 2.

Поперечний переріз дроту, який використовується для випарників з безпосереднім підігрівом, повинен бути однаковим на всьому протязі, тому що у протилежному випадку виникає місцевий перегрів, що веде до нерівномірного осадження пару і перегорянню матеріалу випарника. При конструюванні таких випарників варто також урахувати, що з кінців дроту через сильне охолодження тримачами випаровується значно менше металу, ніж із середини, де встановлюється найвища температура. Тому для одержання рівномірного напилювання довжина випарника повинна бути свідомо більше довжини об’єкта, що напиляють.

Рис. 2.1 Плоский випарник: 1-пружина; 2-підкладка; 3-випарник

Метод випаровування шляхом безпосереднього підігріву речовини, яку випаровують, з успіхом застосовується для напилювання плівок тугоплавких металів. При цьому між двома провідниками, виготовленими з металу що напилюють, створюють точковий контакт (рис.2.3) і нагрівають цей контакт струмом достатньої величини. У місці з’єднання утвориться перемичка розплавленого металу, а потім відбувається випаровування із цієї перемички, тоді як інші ділянки провідника залишаються при температурі нижче точки плавлення. Для одержання гарних результатів при такому способі випаровування необхідно ретельно регулювати швидкість нагрівання. При підібраному режимі були отримані плівки вольфраму, молібдену й танталу гарної якості.

Рис. 2.2 - Натягнення випарника з безпосереднім підігрівом за допомогою спеціальних гир: 1-дріт, що випаровують; 2-ролики; 3-гиря

Рис. 2.3 - Поперечний переріз контакту. Затемнена ділянка відповідає перемичці розплавленого металу

Існує спосіб одержання тонких плівок тугоплавких металів за допомогою вакуумної дуги. У цьому випадку електроди з металу, що випаровують, монтуються на ізольованій основі, (рис.2.4). Напруга на електроди подається від звичайного зварювального генератора, Величини напруги й струму вибираються експериментально. Рухомий електрод приводиться у зіткнення з нерухомим, а потім відводиться , викликаючи дугу. Гаситься дуга вимикаканням зварювального генератора. Під час виникнення дуги на підкладку напиляється плівка з матеріалу електродів.

Рис. 2.4 – Схема пристрою для випарювання тугоплавких матеріалів дуговим методом: 1 – водне охолодження; 2 – важіль; 3 – тефлонове ущільнення; 4 – струмоввід; 5 – мідна опора; 6 – гвинт, що кріпить;

7 – слюдяній диск; 8 – електрод; 9 – плита основи.

При правильно підібраному режимі дуги розбризкування не відбувається. Оптимальні значення напруги струму залежать від розмірів і матеріалів електродів. Для матеріалів з високою точкою плавлення й низьким тиском пари щільність струму повинна бути вище, ніж для матеріалів з низькою точкою плавлення й високим тиском парів.

Дуговим способом були отримані плівки з ніобію, танталу, ванадію, неіржавіючої сталі .