1.2 Випаровування матеріалів при вакуумно-конденсаційному напиленні покриттів

Випаровування матеріалів може відбуватися з рідкого або твердого стану. Випаровування матеріалу з твердого стану називається сублімацією.

Процес випаровування матеріалу відбувається тоді, коли енергія атома, який випаровується буде більше енергії зв'язку в рідинній або твердій фазі.

Залежність тиску насиченої пари від зовнішнього тиску (в камері) несуттєва, тому, термодинамічний вплив зовнішнього тиску можна не враховувати.

Кінетичний вплив зовнішнього тиску є суттєвим. При підвищені зовнішнього тиску більше 1,3310^-1 Па або підвищенні температури, внаслідок чого зовнішній тиск збільшується (> 1,33 Па), відбувається різке зменшення швидкості випаровування, тому що утворюється прикордонний шар, насичений атомами, які випарилися. Тому атоми, які випаровуються багатократно стикаються і повертаються у рідину.

Сплави випаровуються у вигляді атомів. Тиск насиченої пари атомів А і В відрізняється від тиску, який має місце над чистими металами.

Якщо p_OA  p_OB, де p_OA, p_OB – тиск пари над чистими металами А і В, то відбувається узгоджене випаровування, покриття однорідне за хімічним складом.

Якщо p_OA  p_OB, то буде швидше випаровуватись компонент, у якого вище тиск насиченої пари.

Для досягнення рівномірності складу покриття у цьому разі випаровування здійснюють чистими металами з різних джерел випаровування (тиглів), а також електронно-променеве плавлення з підживленням або катодне розпилення.

Випаровування хімічних сполук як і випаровування сплавів має свою специфіку. При випаровуванні сполук відбувається розклад окремих молекул на складові.

Необхідно, щоб леткість продуктів дисоціації сполук була однакова. Тоді конденсація відбуватиметься з утворенням тієї сполуки, що і випаровувалась.

Методом випаровування можна отримати покриття з таких сполук:

- оксиди: Аl₂O₃, МgO, ZrO₂, Y₂O₃;

- карбіди: ZrС, ТіС, НfС;

- бориди: ZrВ₂, ТіВ₂.

Отримати покриття зі сполук, в яких дуже відрізняється парціальний тиск пари, можна такими способами:

1 Випаровування з окремих джерел. У цьому випадку можна отримати покриття з таких сполук, які при випаровуванні з одного джерела отримати неможливо. Наприклад, WС, SiС, АlN, ZrN.

2 Реактивним випаровуванням.

3 Катодним розпиленням.

Лекція 2

1.3 Способи та технологічні особливості вакуумного конденсаційного напилення термічним випаровуванням

1.3.1 Суть та основні параметри вкнп термічним випаровуванням

Найбільш висока ефективність випаровування досягається при нагріванні матеріалу вище температури його плавлення. Але можливе утворення потоку з достатньою для напилення концентрацією частинок при випаровуванні твердого матеріалу (наприклад, випаровування хрому).

Узагальнена схема процесу напилення покриття термічним випаровуванням розплавленого матеріалу наведені на рисунку 1.3.

Для нагрівання матеріалу, який розпилюється, використовують різні джерела теплоти: резистивні, індукційні, дугові, електронний або світловий промінь. Відповідно цьому і розрізняють способи напилення покриттів термічним випаровуванням.

Для будь-якого способу напилення необхідно мати випаровувач. Його призначення – утримувати розплавлений матеріал при температурі достатній для отримання потрібного тиску пари (1 – 100) Па. Для більшості матеріалів ці температури перебільшують 1000 °С.

Найбільш чистий потік пари забезпечується при локальних способах нагрівання і утримання розплавленого матеріалу (рисунок 1.3, б). При інших способах нагрівання відбувається контактування розплавленого матеріалу або з матеріалом нагрівача – пряме резистивне нагрівання (рисунок 1.3, в), або з матеріалом тиглю (рисунок 1.3, г).

а

б

в

г

Рисунок 1.3 – Узагальнена схема вакуумного конденсаційного напилення покриття термічним випаровуванням (а) та способи випаровування матеріалу (б - г),

(суцільними стрілками показане підведення теплової енергії, пунктирними – випаровування матеріалу)

При “контактному” нагріванні необхідно забезпечити мінімальну ступінь взаємодії розплавленого матеріалу з тиглем або нагрівачем. Крім того, матеріал тиглю та нагрівачів необхідно вибирати з незначною пружністю пари та високою стабільністю складу. При виконанні цих вимог можна запобігти суттєвого забруднення покриття домішками.

Конструкція випаровувача і матеріал, з якого він виконаний, суттєво впливають на швидкість випаровування, ефективний ККД, склад потоку частинок та якість покриття.

Випаровувач повинен забезпечити мінімальні теплові втрати від матеріалу, який випаровується. Завдяки цьому зменшується кількість енергії яка витрачається на випаровування матеріалу.

Використання керамічних тиглів при електронно-променевому випаровуванні зменшує необхідну кількість теплоти у 4 - 6 разів порівняно із випаровуванням з мідного тиглю. В той же час з мідного, водоохолоджуваного тиглю можна випаровувати багато матеріалів і отримувати покриття без зміни вихідного складу.

Одночасне випаровування з декількох випаровувачів (рисунок 1.4) дозволяє отримати складні композиційні покриття з високою рівномірністю товщини. Основним загальним параметром режиму роботи випаровувача є електрична потужність, яка підводиться до джерела теплоти: резистора, індуктора, дуги, електронного проміння. Із збільшенням потужності джерела електроживлення збільшується потужність джерела теплоти.

М атеріал на який наноситься покриття