Применение ЭВМ при моделировании процессов термического напыления в вакууме (90

электронно-лучевого или индуктивного способов нагрева. В этом случае тигель является контейнером и его температура ниже температуры испаряемого вещества. Тигельные испарители пассивного исполнения обычно более долговечны.

Тигли изготовляют из тугоплавких оксидов (ThO2, BeO, ZrO2, AI2O3, MgO); реже используют оксиды типа SiO2, TiO2, NiO. В электронно-лучевых испарительных системах применяют тигли из тугоплавких металлов, а также водоохлаждаемые медные тигли.

Также применяют термостойкие химически стабильные тигли на основе боридов и нитридов. За рубежом широко используют тигли из ВN, TiB2 и смеси BN-TiB2 (по 50% каждого компонента).

Довольно широко для изготовления тиглей используют углерод трех модификаций: промышленный, стеклообразный и пиролитический графит.

При этом следует учесть, что такие металлы, как Al, Si, Ti, K, Na, Li в расплавленном состоянии взаимодействуют с графитом, образуя карбиды; Та, Мо и W образуют карбиды при температурах соответственно 1273, 1470 и 1670К; Cu и Be в расплавленном состоянии практически не взаимодействуют с графитом. При взаимодействии графита с тугоплавкими оксидами, например ThO2, BeO, ZrO2, происходит процесс их восстановления. Отличие заключается лишь в температуре и продолжительности реакции взаимодействия τ, после которой начинается процесс восстановления; так, для ThO2 T=2273 K, τ=240 c; для ВеО - Т=2570 К и τ =120 с, для ZrO2 - T=1870 K и

τ =240 с.

Прямонакальные испарители, несмотря на довольно широкое распространение и простоту конструктивного исполнения, не соответствуют всем требованиям, предъявленным к технологическим процессам получения вакуумных покрытий. Основные недостатки этих испарителей –

11

высокая энергоемкость, ограниченные возможности при нанесении толстых покрытий, низкое качество покрытий вследствие их загрязнения атомами испарителя и продуктами взаимодействия материала испарителя и испаряемого вещества.

Этих недостатков лишены испарительные устройства и системы, основанные на электронно-лучевом способе нагрева. Электронно-лучевой способ нагрева заключается в том, что на поверхность металла, сплава или какого-либо соединения, помещенного в тигель, направляют поток электронов, который довольно быстро нагревает вещество до температуры плавления, а затем и испарения. Носителем энергии является луч с энергией (9,6…48,0)10 -16 Дж. В результате взаимодействия электронного луча с поверхностью испаряемого материала, кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую. Материал нагревается и испаряется. При таком способе существует принципиальная возможность поддержания вещества при температуре испарения в течение довольно длительного времени. Соответственно практически нет ограничений по толщине наносимых слоев.

Конструктивно электронно-лучевые испарители выполняют в различных модификациях – с линейным, кольцевым (аксиальные пушки) или полым (газоразрядные пушки) катодом. Однако для всех систем характерно наличие функциональных типовых узлов: источника электронов, ускоряющего анода, системы поворота электронного пучка и системы его фокусировки. Сформированный электронный пучок направлен в тигель с расплавом.

Электронный пучок может быть направлен в тигель с испаряемым веществом несколькими способами: без отклонения пучка и отклонением пучка на 45; 90; 180 и 2700. Следует отметить, что использование пушек с отклоняемым пучком электронов позволяет решать более широкий диапазон технологических задач, но при этом эффективность пучка

12

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

снижается: с увеличением угла отклонения пучка возрастает рассеяние электронов и требуется повышенная мощность.

Преимущества электронно-лучевого испарения обусловлены прежде всего тем, что это единственный способ, при котором энергия подводится непосредственно к поверхности, где формируется поток пара. Метод позволяет:

∙достичь значительной поверхностной плотности энергии, благодаря чему могут быть реализованы высокие скорости испарения различных материалов, в том числе тугоплавких металлов, оксидов и других соединений;

∙обеспечить простую регулировку мощности и распределение энергии по поверхности нагрева, что позволяет относительно легко регулировать толщину и равномерность нанесения покрытий.

Принципиальная схема электронно-лучевого испарения

ввакууме дана на рис.1.2.

1 – прикатодный формирующий электрод; 2 – термоэлектрон- ный катод; 3 – анод; 4 – поток электронов; 5 – система маг- нитной фокусировки; 6 – узел поворота электромагнитного пучка на 90°; 7 – водоохлажда- емый тигель; 8 – поток пара; 9 – заслонка; 10 – подложко- держатель; 11 – патрубок к системе вакууммирования

Рис. 1.2. Принципиальная схема электронно-лучевого испарения

13

Ускоренный пучок электронов с помощью отклоняющей системы непосредственно направляется на поверхность испаряемого материала. При столкновении с частицами окружающей среды электроны могут терять свою энергию и изменять направление движения. Число столкновений определяется концентрацией частиц, протяженностью электронного потока и его сечением. Для исключения газовыделения в процессе нагрева необходимо применять высокочистые исходные материалы.

Системы отклонения и фокусировки имеют три основные модификации - электростатические, электромагнитные и на постоянных магнитах. Наиболее широко используют электромагнитные системы.

Электронная пушка (рис.1.3) – устройство для создания, ускорения и фокусировки пучка электронов – состоит из катодного узла и системы фокусировки, обеспечивающей направленность потока. Последняя, включает прикатодный фокусирующий электрод, ускоряющий анод и устройство магнитной фокусировки.

Рис.1.3. Схема плоско-лучевой электронной пушки 1 – катодный узел; 2 – проволочный термоэлектронный

катод; 3 – анод; 4 – ускоренный пучок электронов; 5 – устройство магнитного поворота электронов; 6 – водо- охлаждаемый медный тигель; 7 – охлаждаемая ловушка для отраженных электронов

14

возбужденными атомами аргона распыляется. В некоторых случаях, с целью повышения эффективности удаления примесей, в состав аргона вводят химически активный газ, образующий с ними летучие соединения. Производится очистка поверхности подложки от оксидных соединений.

При достижении равновесного минимального тока на подложке начинается напыление. Испарение ведется в условиях тлеющего разряда. На поверхности подложки протекают два конкурирующих процесса: распыление и осаждение. На начальных стадиях, когда подложка находится под высоким потенциалом (3-5 кВ), скорость распыления выше. Затем потенциал уменьшается и идет осаждение покрытия при бомбардировке растущего слоя энергетическими частицами. Напыление возможно, как в тлеющем разряде, так и в его отсутствии. В последнем случае напуск аргона прекращается, и процесс ведется аналогично классическому способу термовакуумного напыления. При напылении покрытий на диэлектрические материалы используют высокочастотный разряд, либо при разряде в постоянном токе вблизи них устанавливается сетка, изготавливаемая из напыляемого или другого инертного материала, на которую подается высокий отрицательный потенциал.

На начальных стадиях роста поверхность подложки и растущий слой подвергаются интенсивной бомбардировке ионами, ускоренными в темном катодном пространстве, и возбужденными частицами. Основной вклад при этом вносится возбужденными нейтральными частицами, составляющими 90% всей энергии потока. Энергия частиц колеблется от значений, определяемых ее температурой нагрева, до энергий ионов, ускоренных в поле подложки.

Воздействие энергетических частиц обусловливает десорбцию газов, распыление приповерхностного слоя, рост дефектов кристаллической решетки, изменение морфологии

16

поверхности и структур роста тонких пленок и покрытий. Все это обусловливает напыление высокочастотных прочносцепленных покрытий. Кроме того, покрытия, осажденные данным способом, характеризуются достаточно высокой равномерностью по толщине при напылении на поверхности со сложной геометрией.

Основные преимущества метода термического испарения в следующем:

∙возможность нанесения пленок металлов (в том числе тугоплавких), сплавов, полупроводниковых соединений и диэлектрических пленок;

∙простота реализации;

∙высокая скорость испарения вещества и возможность регулирования ее в широких пределах за счет изменения подводимой к испарителю мощности;

∙возможность получения покрытий, практически свободных от загрязнения.

17

Лабораторная работа 1

Определение скорости испарения при термическом напылении в зависимости от температуры, давления и типа материала

Цель работы: подобрать вид технологического варианта испарения и используя приведенные ниже формулы, рассчитать скорость испарения в зависимости от типа распыляемого материала и температуры испарения.

Скорость испарения Vи, [кг/(м2с)] всех веществ определяется давлением паров p, [Па] при температуре испарения Tи, [K] и молекулярной массой вещества M:

При проведении расчетов обычно ограничиваются коэффициентами А, В и Е, значения которых для некоторых металлов приведены в табл.1.3. Значение коэффициента В следует учитывать только для Na, K, Rb, Cs, Zn, Cd и Hg.

В приложении приведены основные термодинамические характеристики элементов, наиболее широко используемых в технологии нанесения покрытий в вакууме (Тпл и Тк – температу- ры плавления и кипения).

При определении основных параметров технологического процесса нанесения покрытий оператору необходимо, как минимум, определить скорость испарения вещества. Для этого он должен выполнить следующие операции:

18

-выбрать необходимый элемент;

-задаться ориентировочно температурой испарения Ти;

-выбрать наиболее близкое значение Ти из значений, приведенных в приложении;

-затем умножив коэффициент А1 на соответствующее значение р, определить скорость испарения.

Таблица 1.3 Значения констант А, В и Е в формуле (1.3)

19

Порядок выполнения и оформления лабораторной работы:

1.В редакторе Word подготовьте документ для оформления отчета: название работы, исполнители работы, постановка задачи.

2.Определите вид технологического варианта испарения, получите у преподавателя список элементов, для которых вы будете определять скорости испарения.

2.1.– ориентировочно задайтесь температурой испарения

Ти;

–выберите наиболее близкое значение Ти из значений, приведенных в приложении (при необходимости проведите интерполяцию);

–определите скорости испарения по формуле (1.1), значения для расчетов возьмите из приложения.

–по результатам расчетов постройте зависимость скорости испарения от давления для рассмотренных элементов.

2.2. – выберите из табл. 1.3 четыре элемента;

–задайтесь диапазоном температур испарения (минимум пять значений);

–по формуле (1.3) рассчитайте значения давления паров выбранных элементов при различных температурах;

–постройте зависимость давления паров от температуры испарения для выбранных элементов.

3. Полученные графики перенесите в отчет (Word).

4. По полученным результатам напишите вывод: как меняется скорость испарения в зависимости от молекулярной массы испаряемого вещества, давления и температуры испарения.

Расчеты можно выполнить, используя на выбор программы: Excel, Mathematicа или MathCAD.

20