Вакуумные методы. Термическое вакуумное напыление.

Иногда называется методом вакуумной конденсации. Метод один из самых простых в техническом отношении и наиболее распространен. Сущность метода заключается в нагреве вещества в высоком вакууме при давлении не более 10^-3Па до температуры, при которой давление его собственных паров на несколько порядков превысит давление остаточных газов с последующей конденсацией вещества на подложку.

Процесс разбивается на 3 этапа:

1. испарение вещества;

2. пролет атомов вещества к подложке;

3. конденсация паров на подложке и образца пленочной структуры.

С хема установки имеет вид:

1 металлический или стеклянный колпак

2 нагреватель подложки

3 держатель подложки

4 подложка

5 заслонка

6 испаритель

7 опорная плита

Остаточное давление газов измеряется вакуумметром.

Температура, при которой давление паров вещества над его поверхностью составит 10^-2 мм.рт.ст., называется температурой испарения Т_исп.. для некоторых веществ она равна: Al – 999С, Ge – 1251С, Cd – 264С (сублимация), Si – 1342С, Se – 234С, W - 3309С.

Испарение вещества - это результат разрыва химических связей. Скорость испарения определяется количеством вещества, испарившегося с единицы площади в 1 секунду и определяется уравнением Ленгмюра:

, где М – молекулярный вес, г-моль, Т - К, Р – давление при Т, Па ; [V]= гсм²/с.

Для большинства веществ при Т_исп. V_исп. 0,1 мг/см²·с. Уравнение справедливо при остаточном давление газов менее 10^-4 Па и когда давление пара вещества менее 1-2 Па. При большем давлении пара вещества длина пролета атомов уменьшается из-за образования облачка вещества, которое мешает пролету.

На каждые 10-15% повышения Т_исп. Р_s увеличивается на порядок. Так повышение Т_исп. на 30% в 100 раз повысит V_исп.

Как правило, всегда используется форсированный режим испарения при получении тонких пленок, чтобы снизить вредное влияние остаточных газов. Между Т_пл. и Т_исп. вещества нет прямой связи. Т_исп меньше Т_пл. у Cr, Cd, а может быть и наоборот. При большой V_исп к подложке направляется не молекулярный поток газа, а туман (частицы жидкости), что значительно ухудшает качество пленок. При чрезмерно форсированном режиме испарения на подложку могут попадать крупные капли вещества. В особенности это относится к диэлектрикам и полупроводникам (веществам с плохой теплопроводностью). В этом случае организуют поток пара из отверстий или узкой щели.

При испарении из жидкой фазы сплавов или веществ сложного состава может происходить изменение их состава в паровой фазе за счет обеднения ее по труднолетучему компоненту. При сублимации этого не происходит.

Качество пленки сильно зависит от конструкции и материала испарителя.

По способу нагрева испаряемого материала испарители классифицируют на:

1. резистивные испарители с прямым нагревом;

2. резистивные испарители с косвенным нагревом;

3. электронно- лучевые испарители;

4. импульсные лазерные испарители;

5. индукционные испарители (нагрев высокочастотным электромагнитным полем);

6. взрывные испарители.

1 тип. Электрический ток пропускают непосредственно через нагреваемый материал в виде проволоки, ленты. Достоинство – не загрязняется пленка материалом испарителя. Применение ограничено сублимирующими металлами.

2 тип. Испарители с косвенным нагревом имеют проволочный или ленточный нагреватели, либо используются специальные тигли.

с проволочн. нагр.

Материалы испарителей: W, Mo, Ta, Nb, Pt, графит, керметы. Графитовые испарители используют для материалов не реагирующих с углеродом. Тигельные испарители изготавливают из кварца для веществ с низкой Т_исп.; из Al₂O₃ (алунд) для веществ с Т_исп. менее 1600С; из BeO до Т_исп.=1750С; из ThO₂ до Т_исп.=2200С; из графита, керметов для веществ с Т_исп. более 2200С.

3 тип. Испарение обеспечивается за счет нагрева вещества потоком электронов. Испаритель содержит термоэмиссионный катод, магнитную фокусировку электронов. Анодом служит испаряющееся вещество. Недостатки – нестабильность нагрева и ионизация остаточных газов и газов выделяемых испаряющимся материалом.

Параметры электронно-лучевых испарителей ИЭЛ-2ЭМ, ИЭЛ-2ПМ. U_анод=6-10 кВ, I_{накала катода}=14А,  пятна от 10-60 до 3-15 мм².

4 тип. Импульсные лазерные испарители работают в режиме коротких импульсов  =1-10мкс с Е_имп=10 кДж/см². Перспективы для испарения многокомпонентных веществ. Недостаток – сложное оборудование с необходимостью иметь генератор лазерного излучения.

5 тип. Разогрев испаряющегося вещества осуществляется высочастотным магнитным полем (f=1МГц), создаваемым катушкой – индуктором. Вещество помещается в тигель из керамики. Из-за вытягивания вещества в столб под действием вихревых токов. Контакт его с материалом тигля минимальный. Существуют конструкции в которых вещество массой 0,1-1,0 г удерживается во взвешенном состоянии. Достоинства – малое или отсутствие загрязнений от материала тигля. Недостатки – непостоянная скорость испарения, т.к. с уменьшением объема навески ее температура возрастает.

6 тип. Во взрывных испарителях навеска вещества (10-50мг) с помощью вибродозатора сбрасывается на перегретый лабиринт испарителя (2000 ^оС). Время испарения составляет до 0,1с. Перспективны для испарения многокомпонентных веществ.

II этап. Пролет атомов вещества к подложке.

Основное влияние на этом этапе оказывает степень вакуума. От нее зависит длина свободного пробега молекул до столкновения. Если молекулы испаряющегося вещества движутся прямолинейно, направленно и не претерпевают на своем пути изменений, то поток называется молекулярным.

Из кинетической теории газов длина свободного пробега молекул , где N – число молекул газа в 1 см³;  - эффективный  молекул, см.

При Р = 10^-2 мм.рт.ст. 10^-3 10^-4 10^-5 10^-6

 = 0,55 см 5,5 54,7 547 5470

Т.к. между испарителем и подложкой обычно расстояние 15-20 см, степень вакуума должна быть ~ 10^-4 мм.рт.ст.

К молекулярному потоку пара применимы законы Ламберта – Кнудсена:

Закон первый: Интенсивность излучения частиц с поверхности испарителя под углом  к нормали пропорциональна cos.

Закон второй: Количество испаряющихся атомов, достигших подложки в единицу времени при точечном испарении обратно пропорционально квадрату расстояния от испарителя до подложки.

Законы используются с допущениями, т.к. часть испаряющихся молекул адсорбируется поверхностью камеры, а затем десорбируется.

III этап. Конденсация паров испаряемого вещества на подложке.

Конденсация - переход материала из газообразной фазы в твердую фазу. Процесс конденсации пленки достаточно сложен и зависит от концентрации остаточных газов, материала подложки и ее температуры, плотности атомного пучка, физико-химической природы испаряемого вещества.

Существует такая температура подложки Т_кр , при повышении которой все атомы отражаются от подложки и пленка не образуется. Как правило это 100-400°С. Она подбираются экспериментально. С другой стороны увеличение температуры подложки выгодно для обеспечения десорбции воды, примесных атомов и молекул остаточных газов. Поглощение остаточных газов – основная причина плохой адгезии пленки к подложки. При выборе температуры ищут компромиссное решение. На подложку подается 2 разных потока: полезный поток испаряемого вещества и паразитный (фоновый) поток молекул остаточных газов. При Р_{исп в-ва} = 10^-2 мм.рт.ст. и Р_{ост газ} = 10^-5 соотношение этих потоков около двух, т.е на 2 атома испаряемого вещества адсорбируется 1 атом примеси. При увеличении Р_{исп в-ва} до 1 мм.рт.ст. отношение увеличивается до 50, т.е становится уже приемлемым. Отсюда конденсация пленок зависит также от плотности пучка, ν атомов испаряемого вещества. Существует ν_кр , ниже которого пленка не образуется. Между Т_исп и ν_{кр .} Френкелем теоретически была выведена зависимость

где А – const для вещества , U₁- энергия связи атомов, адсорбированных поверхностью.

Особо важен начальный момент конденсации пленки, т.к. он определяет во многом ее последующие свойства.

Газовая атмосфера в вакуумной камере формируется за счет следующих источников:

1. Натекание воздуха сквозь.

2. Дегазация внутренних поверхностей камеры.

3. Работа масла вакуумных насосов.

4. Дегазация испаряемого материала.

5. Остаточное количество газов при неполном вакууме.

Особенно сильное отрицательное влияние оказывают пары воды, т. к они могут легко образовывать химические связи с веществом пленки, а также хемосорбируются на поверхности подложки.

Даже после 10 часов откачки вакуумной камеры на подложке остаются следы воды. Ее удаляют обычно ионной бомбардировкой поверхности подложки.

Однако молекулы воды могут играть и положительную роль, реагируя с атомами некоторых металлов, создавая тонкий окисный слой, который обеспечивает хорошую адгезию пленки к подложке (Cr, Fe) Частицы Au и Ag не взаимодействуют с водой, поэтому адгезия пленки этих металлов к подложке слабая. Для ее увеличения наносят подслой более активного металла, например, хрома.