1.3.2 Метод электронно-лучевого нагрева
Обычно для нагрева испаряемого вещества используют нагрев электрическим током. Иногда, особенно для тугоплавких (труднолетучих) металлов, используют также электронно-лучевое испарение. Электронно-лучевой нагрев также обеспечивает высокую скорость осаждения, но характеризуется низким коэффициентом полезного использования материала (20%) и очень низким энергетическим КПД (1…5%), поскольку основная часть энергии расходуется на нагрев тигля, рентгеновское и УФ излучение, а также образование вторичных электронов (до 25% энергии первичного пучка)[4].
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 газовыделений в процессе нагрева необходимо применять высокочистые исходные материалы. Принципиальная схема электронно-лучевого испарения в вакууме (рисунок 6).
Электронная пушка – устройство для создания, ускорения и фокусировки пучка электронов – состоит из катодного узла и системы фокусировки, обеспечивающей направленность потока (рисунок 7). Последняя, включает прикатодный фокусирующий электрод, ускоряющий анод и устройство магнитной фокусировки [6].
Испарение (точнее, испарительное осаждение) в вакууме является важным способом получения тонких пленок.
Использование электронных пучков в процессах, связанных с испарением материалов, обусловлено особенностями распределения потоков энергии при нагреве этого материала. При электронно-лучевом испарении испаряемая поверхность непосредственно нагревается бомбардирующими ее электронами. Такой способ подвода энергии дает электронно-лучевому испарению ряд преимуществ по сравнению с традиционными.
Другим стимулом внедрения электронно-лучевого испарения является возможность, управляя электронным пучком во времени и пространстве, управлять тем самым и потоком энергии в испаряемое вещество и воздействовать на скорость испарения и распределение плотности потоков пара.
1 – прикатодный, формирующий электрод; 2 – термоэлектронный катод; 3 – анод; 4 – поток электронов; 5 – система магнитной фокусировки; 6 – узел электромагнитного пучка на 90; 7 – водоохлажденный тигель; 8 – поток пара; 9 – заслонка; 10 – подложкодержатель; 11 – система вакуумирования
Рисунок 6 – Принципиальная схема применения электронно-лучевого нагрева при вакуумном напылении
1 – катодный узел; 2 – проволочный термоэлектронный катод; 3 – анод 4 – ускоренный пучок электронов; 5 – устройство магнитного поворота электронов; 6 – водоохлаждаемый медный тигель; 7 – охлаждаемая ловушка для отраженных электронов
Рисунок 7 – Схема плоско-лучевой электронной пушки
Метод осуществляется при величине остаточного давления в камере не превышающей 10-2 – 10-3 Па.
Степень объемного заряда в электронном пучке оценивается по средствам величины коэффициента пространственного заряда (Р), определяемого уравнением:
P = I/ U 3/2, (1)
Если Р 10-8 А/В3/2 , то влияние пространственного заряда не учитывают. Это типично для пушек с током 10-3 А. Для мощных же генераторов электронов, с токами до 4 А и ускоряющими напряжениями 10-30 кэВ, формирование пучка в значительной мере определяется величиной объемного пространственного заряда.
В электронно-лучевых испарителях электроны ускоряются в электрическом поле до энергий 5-30 кэВ, и поэтому возможно возбуждение мягкого тормозного и характеристического рентгеновского излучения.
Анализ расходов энергии электронов показывает, что при удельной мощности 103-105 Вт/см2 30-40% расходуется на плавление и испарение (2-10% на испарение, 30-35% на плавление).Остальная мощность расходуется на теплообмен путем теплопроводности, излучения и уносится электронами, эмитируемыми из зоны нагрева. Последнее зависит как от испаряемого материала, так и от параметров электронного луча. При этом основная доля электронов уносится упруго и неупругоотраженными электронами, количество которых и энергия определяется, в первую очередь природой материала, и углом падения пучка и достигает, например, для стали 25%, для вольфрама 38% [6].