Нанесение пленок методом термического испарения

Все вещества находятся в одном из трех агрегатных состояний. Испарение, т.е. переход частиц в парообразное состояние происходит, когда энергия нагрева настолько высока, что связь с окружающими частицами нарушается и они покидают поверхность. Условной температурой испарения вещества считается такая, при которой давление насыщенного пара составляет 1,3 Па. Для большинства веществ температура испарения обычно выше температуры плавления, т.е. испарение происходит из жидкого состояния. Однако, некоторые металлы испаряются из твердого состояния. Процесс испарения вещества из твердого состояния, минуя жидкую фазу называется сублимацией или возгонкой. Поток испаренного вещества, состоящий из молекул не претерпевающих на своем пути столкновений и рассеяний, и поэтому движущиеся прямолинейно называются молекулярным потоком.

При давлении в камере 10^-2Па длина свободного пробега молекул составляет 50 см, что превышает реальные размеры камеры, поэтому для создания прямолинейных траекторий между испарителем и изделием достаточно создавать в камере разряжение 10^-3-10^-5. Кроме того необходимо обеспечить равномерность нанесения пленки на изделие. Толщина пленки данной точки определяется количеством частиц, достигающих ее в единицу времени. Однако площадь источника намного меньше площади обрабатываемых изделий. В результате добиться равномерности потока невозможно. Скорость нанесения пленки (рис. 6, а) будет не одинакова в точке 0 и в точках а и в. Чем дальше от оси ОS тем ниже скорость нанесения пленки и тем меньше ее толщина. При плоском подложко держателе неравномерность составляет 20%. Наиболее простым способом снижении неравномерности является увеличение расстояния d_КРИТ.. Однако, это уменьшит скорость конденсации пленки, что отрицательно сказывается на ее свойствах. Наиболее реальным способом уменьшения неравномерности является придание подложко держателю сферической формы (рис. 6, б). При этом неравномерность снижается до 10%. Если этого недостаточно, используют двойное вращение или так называемую «планетарную карусель» (рис. 6, в).

Испарители с резистивным нагревом

Нагрев электропроводящего тела, обладающего высоким электрическим сопротивлением при прохождении через него тока, называется резистивным. Для этого используют переменный ток. Преимуществами являются высокий КПД, низкая стоимость оборудования, безопасность в работе. Ограничивающими факторами является возможность загрязнения наносимой пленки материалом испарителя и малый его ресурс работы. Испарители этого типа могут быть с прямым и косвенным нагревом. Материалы, используемые для изготовления испарителя должны обладать определенными свойствами:

1. Испаряемость материала испарителя должна быть пренебрежимо малой при температурах испарения;

2. Материал испарителя должен хорошо смачиваться испаряемым веществом;

3. Отсутствие каких-либо химических реакций между этими материалами.

Для их изготовления используется: вольфрам, тантал, молибден. Испарители с непосредственным нагревом (рис. 7) представляют собой проволоку или ленту- 3 испаряемого материала, вставленную титановые контактные зажимы- 1 и закреплены винтами- 2. Для снижения тепловых потерь и ограничения потока пара- 4 в направлении к подложке служит многослойный экран- 6. Испарители с косвенным нагревом нагревают испаряемое вещество за счет теплопередачи от нагревателя. Они позволяют испарять вещества в виде порошка, гранул, проволоки, ленты. (рис. 8). Проволочные испарители применяют для веществ, которые смачивают материал нагревателя. За счет сил поверхностного натяжения испаряемый материал в виде капли удерживается на испарителе. Вольфрамовый проволочный нагреватель состоит из цилиндрической проволочной спирали- 2, которую отогнутыми концами- 1 вставляют в зажимы. Испаряемое вещество в виде гусариков- 3 навешивают на спираль. Снизу располагают ограничивающий экран- 7 с боков экрана- 5. Достоинство- простота конструкции и возможность быстрой модификации нагревателя. Кроме того, они хорошо компенсируют тепловое расширение и сжатие. Ленточные испарители применяют к материалам плохо удерживающимся на проволочных испарителях, а также диэлектриков. Наиболее распространенным материалом для них является фольга, с углублениями в виде полусфер и коробочек (рис. 9). При напылении диэлектрика (например, SiO₂) велика вероятность их разбрызгивания, поэтому используют испарители сложной формы (рис. 10). Его изготавливают из ленты в виде коробочки- 1, в которую засыпают испаряемое вещество- 5. Сверху коробочка закрывается одно- или двухслойным экраном- 3 с отверстиями- 2, в которые выходят пары- 4. Лабиринтные испарители выполняют в виде коробочки- 1 (рис. 11). По краям которой имеются лапки- 2, для подсоединения к тока подводу. Сверху коробочка накрыта крышкой- 5, имеющие боковые и нижний экран-6, для снижения тепловых потерь. В верхней части имеются два патрубка- 3 в которые засыпаются испаряемый материал- 7 и патрубок- 10 через которые выходят пары испаряемого материала, предварительно проходящие по лабиринту между экранами- 8 и 9. В производстве часто необходимо наносить пленки, состоящие не из одного, а из нескольких веществ или сплавов. В следствие различной упругости пара компонентов сплава состав пленки может значительно отличаться от исходного. Для устранения этого недостатка используют метод микро дозирования (рис. 12). Сущность метода состоит в том, что из дозатора- 4 на ленточный испаритель-5 дискретно сбрасывают небольшие порции порошка- 1 в результате чего на подложке- 3 последовательно осаждаются очень тонкие слои. Каждый не равномерный по химическому составу, однако уже в процессе нанесения за счет диффузии химический состав выравнивается. Основной недостаток метода- сложность регулировки дозатора, поэтому для испарения большого количества диэлектрических материалов используют тигли из тугоплавких материалов или кварца, графита. В испарителе с тиглями (рис. 13) нагреватель в виде улитки- 1 располагается в тигле- 2, куда заливается испаряемый материал. В испарителе второго типа нагреватель в виде конусообразной спирали- 1 расположен с внешней стороны тигля- 2. При равной мощности питания первый испаритель нагревается до более высокой температуры, у второго отсутствует контакт нагревателя с испаряемым веществом.