1.4 Конструктивные особенности установок для нанесения оптических пленок методами термического напыления
Вакуумные установки для получения покрытий термическим испарением, можно разделить на стандартные, улучшенные и сверхвысоковакуумные.
Установки стандартного типа имеют непрогреваемый (или прогреваемый водой до 80-90°С) металлический или стеклянный колпак. Заданный вакуум получают с помощью паромасляного диффузионного насоса, снабженного маслоотражателем и водяной и (или) азотной ловушками. Разборные соединения в установках выполняются с использованием вакуумной резины. К такому типу установок, например, относятся следующие: А-700Р (фирмы «Лейбольд—Хераус», ФРГ); ВА-550К, ВА-710 (фирмы «Бальцерс», Лихтенштейн); ВУ-1А, ВУ-2М, УРМЗ-279-011 (СССР, Россия) и др.
Отечественные высокопроизводительные установки типа УРМЗ-279, ВУ-1А и ВУ-2М обеспечивает получение многослойных покрытий различного назначения на деталях диаметром свыше 500мм методами резистивного и электронно-лучевого испарения. Они состоят из ряда конструктивных элементов. Другие, используемые для резистивного напыления установки, принципиально мало отличаются от них.
Вакуумная установка термического испарения подобного типа (рис. 2.2) состоит из камеры, закрытой от окружающей атмосферы 12, рабочей плиты 18, откачивающей вакуумной системы, подколпачного устройства для крепления напыляемых деталей и их вращения, испарителей 5 и пульта управления работой узлов и агрегатов установки. Для наблюдения за ходом процесса напыления в двери камеры имеется иллюминатор 7. Чаще всего он используется при электронно-лучевом испарении, когда необходимо следить за режимом работы электронно-лучевого испарителя. При загрузке и выгрузке напыляемых деталей передняя дверь в колпаке открывается. В ранних установках и более современных другого типа весь колпак поднимался гидравлическим цилиндром. В верхней части колпака установлены кварцевые лампы 9 с рефлекторами 8, обеспечивающие нагрев подложек до температуры (50-320)° С перед напылением пленок, и осветитель 10 фотометрического устройства. Подогрев подложек улучшает адгезию и механическую прочность пленки. Место стыка колпака с рабочей плитой герметизируется резиновым уплотнением 17.
Рис. 2.2. Вакуумная установка термического испарения
Система откачки воздуха состоит из форвакуумного насоса 2 предварительной откачки диффузионного высоковакуумного насоса 22, системы клапанов, ловушек и трубопроводов. Для разгерметизации колпака по окончании процесса служит кран - натекатель 4. На установках ВУ-1А и ВУ-2М (рис. 2.3) предварительный вакуум создается вакуумным агрегатом АВР-50 или АВР-60, в состав которого входят форвакуумный механический насос и ротационный насос РУТса.
Напыляемые подложки 13 и образец-свидетель 11 для контроля толщины пленки в процессе напыления устанавливают в отверстия приспособления 14. В установке находится оправа для свидетелей, позволяющая устанавливать до десяти сменных свидетеля. Для улучшения равномерности толщины пленки приспособление 14 вращается с частотой до 100об/мин на роликовых опорах. Привод вращения приспособления осуществляется через конический ролик 16 и бесконтактную электромагнитную муфту 19, расположенную на рабочей плите установки.
Рис. 2.3 Установка ВУ-2М
Рис. 2.4. Различные конструкции держателей подложек
Подколпачное сменное устройство предназначено для размещения и вращения оптических деталей в процессе нанесения покрытия. Оно содержат держатель подложек, обычно выполненный в двух вариантах, куполообразный (рис. 2.4а) и плоский (рис. 2.4б), а также держатель контрольного образца, который может совершать одинарное вращение или быть неподвижным. Контрольный образец необходим в том случае, когда контроль толщины слоя во время осаждения осуществляется фотометрическим методом.
Улучшенные установки отличаются от стандартных наличием вспомогательных средств откачки, например, гетероионных насосов. Разборные соединения чаще всего выполняются из эластомеров, обеспечивающих возможность прогрева. Сверхвысоковакуумные установки изготовляют цельнометаллическими, а разборные соединения выполняют с применением медных или алюминиевых прокладок, что обеспечивает возможность их прогрева до (400-450)° С с целью обезгаживания. Для получения безмасляного вакуума используют гетероионные, криогенные, сорбционные и другие насосы, а также их комбинации. Например, в сверхвысоковакуумной установке Р11-450 фирмы «Лейбольд-Хереус» (ФРГ) откачка рабочего объема производится сорбционным, магнито-электроразрядным и титановым насосами до давления (1,33-10-8 ) Па.
Для испарения тугоплавких металлов, окислов, диэлектриков и других веществ широко применяются электронно-лучевые испарители. Для нагрева испаряемого материала в электронно-лучевом испарителе используется энергия сфокусированного пучка ускоренных электронов (рис. 2.7). Типовой электронно-лучевой испаритель состоит из трех основных узлов: источника электронов, системы отклонения, поворота и фокусировки (электромагнитной и электростатической) электронного пучка; водоохлаждаемого тигля, в котором помещается испаряемый материал. Источник электронов – электронная пушка - представляет собой диодную систему, содержащую катод 1, закрепленный в держателе с клеммами 2, пролетный анод 3, находящийся под потенциалом земли, и фокусирующий электрод 4. Катод изготовлен в виде спирали из пяти витков вольфрамовой проволоки диаметром 0,6 мм. Отрицательное высокое напряжение (6 кВ или 12 кВ) подается на накальный катод.
Рис. 2.7 Электронно-лучевой испаритель УЭЛИ-1
Система поворота, отклонения и электромагнитной фокусировки электронного пучка состоит из двух электромагнитных призм. Призма 5 осуществляет поворот электронного пучка, сформированного электронной пушкой, на угол до 180˚, направляя его в тигель с испаряемым материалом, призма 6 позволяет перемещать пучок в перпендикулярном направлении в пределах ±15мм. Такое взаимное положение тигля и источника электронов обеспечивает сохранение удовлетворительных вакуумных условий в электронной пушке при интенсивном испарении. Через патрубки 7 непрерывно циркулирует вода для охлаждения тигля 8. Размер сфокусированного пятна может варьироваться за счет изменения положения катода от (5-8) мм 2 и до 300 мм2 . Минимальный размер пятна используется для испарения таких тугоплавких веществ, как оксиды (SiO2 , TiO2 , ZrO2 , Y2O3 и др.) при температурах выше 1500 °С, максимальный - для испарения материалов при температурах до (400-700) °С (Те, PbTe, PbF2 и др.)[1].
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 отключения пучка и отключением пучка на 45; 90; 180 и 270º. Следует отметить, что использование пушек с отклоняемым пучком электронов позволяет решать более широкий диапазон технологических задач, но при этом эффективность пучка снижается: с увеличением угла отключения пучка возрастает рассеяние электронов и требуется повышенная мощность.
Системы отклонения и фокусировки имеют три основные модификации - электростатические, электромагнитные и на постоянных магнитах. Наиболее широко используют электромагнитные системы.
Преимущества электронно-лучевого испарения обусловлены, прежде всего, тем, что - 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[6,7].
Метод электронно-лучевого испарения широко применяется для получения оптических пленок в вакууме, как в лабораторных исследованиях, так и при промышленном изготовлении интерференционных покрытий. Основными достоинствами метода являются: незначительное взаимодействие испаряемого материала с материалом водоохлаждаемого тигля, возможность испарения большого количества материала с большой скоростью, испарение тугоплавких материалов[1].