Технология оптического приборостроения

Из (18.13) для толщины слоя над центром кольца в точке О получим

Тогда из (18.13) и (18.14) для относительной толщины слоя ( d / do )п можно записать

Графическая зависимость (d / do )п от А/ h для различных значений

R / h показывает, что однородные по толщине покрытия на большой площади (R ≤ 0,5 h ) можно получить из кольцевого испарителя, радиус которого сравним с расстоянием от испарителя до подложки. Наилучшая однородность наблюдается, когда R / h находится в пределах 0,7–0,8.

18.6.5. Сферические приемные поверхности

Практический интерес представляет использование сферических приемных поверхностей (рис. 18.7).

Рис. 18.7. Нанесение вещества на сферическую поверхность:

S – испаритель; O – центр сферической приемной поверхности радиуса R

Относительная толщина слоя в точке A , как показывает расчет, в случае поверхностного испарителя определяется выражением

230

где d – расстояние от точки A до оси симметрии OS;

h – кратчайшее расстояние от источника S до приемной поверхности. В случае же точечного испарителя получим

Вформулах (18.15) и (18.16) верхние знаки ± относятся к выпуклой приемной поверхности (см. рис. 18.7), а нижние – к вогнутой.

Вслучае выпуклой приемной поверхности наблюдается эффект затенения: слой не будет осаждаться на заштрихованной части приемной поверхности (см. рис. 18.7). Максимальное значение находится по выражению

18.7. Специальные методы получения однородных по толщине покрытий

18.7.1. Метод вращающейся заслонки

При использовании тигельных и поверхностных испарителей толщина слоя do непосредственно над испарителем оказывается большей, чем на

231

периферии. Для получения равнотолщинных слоев часть потока молекул нужно экранировать. Эта часть оказывается тем большей, чем меньше rmi –

расстояние от точки, расположенной непосредственно над испарителем, до точки, где исследуется толщина слоя.

Доля р потока, подлежащая экранированию, может быть рассчитана из выражения

p (a b) / a ,

где a = di / do, b = dm / do;

do – толщина слоя в точке О над испарителем;

dm – толщина слоя в точке, расположенной на окружности радиуса rm. По результатам расчета изготавливается заслонка, которая размещается строго концентрично с источником между ним и подложкой и приво-

дится в быстрое вращение. При медленном вращении заслонки однородность слоя будет зависеть от ее начального и конечного положений. Для получения равнотолщинных слоев эти положения должны совпадать.

Подобным образом можно рассчитать форму заслонки, обеспечивающую изменение толщины слоя по заданному закону. Заслонка, кроме того, может быть неподвижной, а подложка вращающейся и т. д. Во время нанесения слоя нельзя допускать экранирование части потока испаряемых молекул стенками испарителя.

Недостатком метода является его малая производительность, а также необходимость изготавливать индивидуальную заслонку в каждом конкретном случае профиля покрытия и размеров подложки.

18.7.2. Метод вращающейся подложки

Распределение потока распыляемых молекул в пространстве, как уже отмечалось, неоднородно. Устранения последствий этого недостатка можно добиться в результате вращения подложки. (Вращать испаритель невыгодно из-за наличия токовводов и возможной его вибрации). Существует несколько вариантов организации вращения подложек. Во-первых, подложка может вращаться вокруг собственной оси, совпадающей с осью испарителя. В таком положении может оказаться только одна-единственная подложка. Во-вторых, вращение может происходить вокруг оси испарителя, когда ось подложки с ней не совпадает. Кроме того, легко организовать вращение подложки вокруг собственной оси (планетарное вращение). В этом случае достигается большая однородность. При этом в одинаковом положении могут оказаться сразу несколько подложек, расположенных по окружности, концентричной с испарителем.

Рассмотрим возможность получения равнотолщинных слоев на подложке, принимающей участие одновременно в двух вращениях: вокруг

232

собственной оси O Z (рис. 18.8) и вокруг оси O Z , параллельной ей, но находящейся вне подложки.

Рис. 18.8. Нанесение вещества на планетарно вращающуюся подложку

куляру, h – расстояние от плоскости XAY источника до приемной поверхности X O Y , B – точка на подложке, удаленная на расстояние g от ее

центра О′′ и на расстояние r от источника A , p – расстояние от оси враще-

ния приемной поверхности до центра О′′ подложки. Положение точек О′′ и B в полярных системах координат задается параметрами p и ψ, а так-

же g и соответственно. Обозначим угловую скорость вращения приемной поверхности через 1, 2 – угловая скорость вращения подложки, – их отношение, т. е. 1 / 2 . При равномерном вращении / .

Согласно (18.9) и (18.7) толщина слоя d , нанесенного в окрестности точки B из точечного δdт и поверхностного δdп источников за время при коэффициенте конденсации, равном , будет

233

Можно показать, что в нашем случае

r2 R2 p2 g2 2Rg cos 2Rp cos 2Rg cos( 1) h2.

Перейдем от переменной τ к новой переменной . Поскольку 2 = / , то очевидно, что = / 2 . Тогда из (18.17) и (18.18) можно получить

Запишем толщину слоев, нанесенных за время поворота на угол 1:

Под интегралами находятся периодические функции с периодом, являющимся наименьшим общим кратным чисел 2 , 2 / и 2 / ( +1) . При

достаточно высокой скорости вращения за N периодов функции будут нанесены слои толщиной

где т – угол поворота за период функции.

При достаточно большом N можно пренебречь тем фактом, что за время вращения успело реализоваться нецелое число периодов подынтегральной функции. Чем выше скорость вращения, тем меньше возможная ошибка в толщине слоя d , которая описывается выражением

d ≤d / 2N,

где d – толщина наносимого слоя.

Интегралы (18.19) могут быть найдены численным методом.

Если p 0, то двойное вращение переходит в одинарное, а получае-

мые результаты аналогичны кольцевому испарителю. Если R 0, распределение также аналогично кольцевому испарителю, но качество покрытия лучше, чем в случае, когда p 0 , поскольку угловая неоднородность мо-

лекулярного потока в некоторой мере компенсируется за счет вращения вокруг оси O Z , расположенной вне подложки.

234

Зоной равнотолщинности называют зону, в пределах которойd / do ≤ 10–3. Зона представляет собой кольцо (рис. 18.9), площадь кото-

т. е. величина зоны пропорциональна pg . При конструировании установок

надо заботиться о том, чтобы величина зоны равнотолщинности была максимальной.

Рис. 18.9. Зона планетарного перемещения заготовки (заштрихованная часть), обеспечивающая нанесение равнотолщинного слоя

В общем случае планетарного вращения, когда p и R не равны нулю,

площадь S зоны равнотолщинности возрастает. В то же время характер распределения материала по поверхности подложки сохраняется. Исключение составляет случай, когда 1 и имеет место одинарное неэффек-

тивное вращение. Площадь зоны равнотолщинности слабо зависит от и определяется в основном величиной p (расстояние между осями вращения). При p / R > 0,5 равнотолщинности не добиться. Необходимо, чтобы p / R ≤ 0,5. Оптимальная высота ( h / R )опт также зависит от p / R , о чем свидетельствует табл. 18.3, составленная для = 0,25.

Таблица 18.3

Зависимость площади зоны равнотолщинности от геометрических параметров планетарного движения подложки

235

Для получения равнотолщинных слоев методом планетарного вращения необходимо, кроме того, выполнить следующие условия, предъявляемые к испарителю: поверхность расплава должна иметь постоянную температуру, на ней не должно быть шлаков, стенки испарителя не должны экранировать поток испаряемых молекул.

Достоинством метода, кроме повышения качества покрытий, является увеличение производительности установки.

18.8.Электронно-лучевой нагрев

18.8.1.Физика процесса электронно-лучевого нагрева

При резистивном нагреве испаритель имеет ту же температуру, что и испаряемое вещество, что приводит к испарению материала испарителя, хотя и незначительному. В связи с этим изготавливаемые покрытия могут быть загрязнены материалом испарителя. Чистые слои можно получить, используя электронно-лучевой нагрев. В этом случае испаряемое вещество подвергается бомбардировке потоком ускоренных до энергии 5–10 кэВ электронов, которые передают ему большую часть своей кинетической энергии. Поскольку используется поток заряженных частиц, то пучок можно легко сфокусировать на испаряемый материал. В результате охлаждаемый проточной водой тигль, в котором помещено испаряемое вещество, остается холодным, в то время как испаряемый материал можно разогреть до температуры свыше 3000 °С. Между тиглем и разогретой зоной остается тонкий слой испаряемого вещества в твердой фазе, что исключает химическое взаимодействие между ними. Описываемый метод испарения осуществляется в нескольких вариантах в зависимости от метода ускорения электронов или способа закрепления испаряемого вещества в испарительной системе.

Пучок ускоренных электронов получают с помощью электронной пушки. Источником электронов является катод, изготовленный из тугоплавкого материала, поскольку он не должен терять жесткости при достаточно высоких температурах, необходимых для получения значительной электронной эмиссии. Чаще всего катоды изготавливают из вольфрама. В пушках предусмотрена быстрая смена катода, поскольку срок его службы из-за возможных химических реакций с испаряемым веществом и катодного распыления в результате бомбардировки положительными ионами ограничен. Пушка может работать при давлении в камере не ниже 10–4 мм рт. ст., что связано с возможным рассеяньем электронов на молекулах остаточных газов, а также с потерями энергии электронами в результате ионизации молекул остаточных газов и испаряемого вещества. Ускоряющее электрическое поле (несколько киловольт) прилагают или между катодом и испаряемым материалом (испарители с испаряемым анодом), или между катодом и анодом с отверстием, сквозь которое электроны попадают на испаряемое вещество (испарители с независимым анодом).

236

18.8.2. Испарители с испаряемым анодом

Одна из схем испарителей этого типа, так называемая схема подвешенной капли, приведена на рис. 18.10.

Катод выполнен в виде кольца, охватывающего конец испаряемого стержня, изготовленного из распыляемого материала. Под воздействием ударов высокоэнергетичных электронов на конце стержня образуется капля расплавленного вещества. Необходимо строго следить за энергией электронов, чтобы капля не оторвалась, что может иметь место, если ее температура заметно превысит температуру плавления веществ. Подложки располагают над каплей.

Описанным методом можно испарять металлы (проводники) с высоким коэффициентом поверхностного натяжения в расплаве. Давление паров при температуре плавления должно быть не ниже 10–3мм рт. ст. При температурах материала, когда капля еще прочно связана со стержнем, испаряемые вещества можно расположить в ряд в порядке убывания скорости их испарения: Fe, W, Ni, Ta, Ag, Mo, Pt. Кроме того, методом подвешенной капли можно испарять титан и цирконий.

Недостатком метода являются ограниченная скорость испарения и коррозия катода в результате катодного распыления, поскольку он находится в зоне высокой плотности паров.

18.8.3. Электронные пушки с независимым анодом

Фокусировка пучка электронов в пушках этого типа осуществляется находящейся под потенциалом катода 1 (рис. 18.11) электростатической линзой 2 и анодом 3 с отверстием. Магнитные призмы 4 и 5 создают перпендикулярное рисунку магнитное поле B , искривляющее траекторию электронов и фокусирующее пучок на размещенном в тигле 6 веществе. Кроме того, магнитные призмы осуществляют сканирование пучка во взаимно перпендикулярных направлениях по испаряемому материалу. Размещение тигля в непосредственной близости от катода позволяет уменьшить его коррозию под воздействием положительных ионов испаряемого вещества.

При испарении диэлектриков тигли следует изготавливать из материалов с высокой электропроводностью, чтобы избежать скапливания зарядов на материале и, как следствие, отклонения электронного луча.

Недостатком метода является зарядка подложки в процессе нанесения покрытия.

237

зеркало может поворачиваться вокруг оси. Поверхность зеркала защищена диафрагмой 5. Контроль толщины слоев ведется по отражению через отверстие 6. Экран 7 из каменной соли защищает окно от попадания молекул испаряемого вещества. Переходник 8 соединяет камеру с вакуумными насосами. Подложки 9 размещают над тиглем.

Длина волны излучения лазеров на CO2 лежит в области поглощения материалов SiO, ZnS, ZnSe, PbF2, Na3AlF6, SiO2, MgF2, Si3N4, LaAlO3, TiO2, Al2O3, которые приведены в порядке возрастания сложности их испарения.

Кроме высокой чистоты получаемых покрытий, обусловленной способом нагрева вещества, преимуществом рассматриваемого метода является отсутствие электрических зарядов на подложке и, как следствие, отсутствие пыли в слоях. Помимо этого при лазерном и электронно-лучевом нагреве происходит меньшее перемешивание расплава, что способствует тождественности стехиометрического состава распыляемого материала и покрытия. При лазерном нагреве следует использовать фильтры скоростей частиц испаряемого материала, поскольку выброс высокоэнергетичных частиц приводит к рассеянью излучения в слоях.

Качество наносимых покрытий в значительной мере определяется качеством исходных материалов. Основными являются следующие свойства распыляемых веществ: чистота, содержание газов, размер зерен. Использование прокаленных и обезгаженных в вакууме материалов или кусков монокристаллов позволяет избавиться от интенсивного газоотделения и разбрызгивания вещества из испарителя во время испарения. По этой же причине не рекомендуется распылять вещества в виде порошков, которые всегда сильно поглощают газы.

Иногда на поверхности фторидов образуются слои окислов или карбонатов, которые препятствуют испарению, что может привести к внезапному выбрасыванию вещества из лодочки.

Основными преимуществами метода термического распыления материалов являются:

возможность получения равнотолщинных покрытий на подложках произвольной формы;

возможность получения покрытий из разнообразных материалов: металлов, диэлектриков, полупроводников;

возможность получения покрытий произвольного, сколь угодно сложного состава;

возможность контроля оптических констант слоев в процессе нанесения; сравнительная простота метода.

Недостатками метода можно считать:

–невозможность получения покрытий без мелких отверстий («проко-

лов»);

–невысокую механическую прочность слоев, большинство их которых требует защиты;

239