Справочник технолога-оптика - Окатов М.А.
ISBN 5-7325-0236-Х
Скачать (прямая ссылка):
8.2.3. НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ
Нанесение покрытий методом термического испарения пленкообразующего материала в вакууме осуществляется в вакуумной установке (рис. 8.2). Процесс нанесения состоит из трех этапов: испарения пленкообразующего материала, переноса пара к подложке и конденсации пара на подложке.
474
Для испарения вещество в испарителе нагревают. Для этого чаще всего используют джоулево тепло, выделяющееся в проводниках при прохождении через них электрического тока (резистивное испарение) или нагрев электронным пучком (электронно-лучевое испарение). При нагреве некоторые вещества плавятся, переходя затем в парообразное состояние, а некоторые переходят в парообразное состояние, минуя жидкую фазу (возгонка). Молекулы материала, получив при нагреве энергию, достаточную для преодоления межмолекуляр-ных связей, удаляются с его поверхности. При столкновении друг с другом молекулы возвращаются обратно в материал (конденсация). При равном количестве испаряющихся и конденсирующихся молекул наступает состояние термодинамического равновесия. Равновесная плотность пара данного материала и его давлениер8 зависят от температуры. Температура материала, при которой давление насыщенного пара составляет ps = 1,33 Па, называется условной температурой испарения tycjl. У материалов, для которых t ниже температуры плавления t , наблюдается возгонка.
Скорость испарения характеризуется количеством материала (г), испаряющегося в единицу времени с 1 см2 поверхности испаряемого материала, зависит от давления парар на поверхности материала и давления окружающего газар0. Можно записать, что
® = C(ps-p)/p0, (8.2)
где С — постоянная, зависящая от природы материала.
Перенос пара к подложке (направленное движение потока молекул) возможен при отсутствии столкновений молекул материала и остаточного газа. Для этого длина свободного пробега молекул Хп=0,66/р0 должна превышать расстояние h от испарителя до подложки. Например, если h = 50 см, то прир0 < 1,33 • 10“2 Па мо-леукулы будут двигаться прямолинейно без столкновений. Обычно процесс испарения проводят прир0 < 2,6 • 10“3 Па.
Пространственное распределение испаряемых молекул для большинства испарителей (проволока, лента, лодочка и др.) отвечает закону Кнудсена, по которому интенсивность потока молекул F пропорциональна косинусу угла между направлением излучения и нормалью к поверхности ср, т. е. Ffcp) = cos ср.
475
Рис. 8.2. Схема рабочей камеры вакуумной установки термического испарения:
1 — рабочая камера; 2 — испаритель; 3 — подложка; 4 — заслонка; 5 — нагреватель подложек
Таблица 8.2.
СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ РЕЗИСТИВНЫХ ИСПАРИТЕЛЕЙ
Металлы Оксиды
W Мо Та Th02 Zr02,Hf02 MgO
Температура плавления *пл, °С 3380 2610 3000 3050 2550 2800
Температура плавления t при р = 1,33 • 10“4 Па, «С Удельное электрическое сопротивление р • 108, Ом • м, при температуре, °С: 2410 1820 2240 3050 2550 2800
20 5,5 5,7 13,5 — —
1000 33 32 54 __ — _
2000 Термическое испарение, %, для температуры, °С: 66 62 8,7
о-юоо 0,5 0,5 0,7 — __
0-2000 1,1 1,2 1,5 —
Максимальная рабочая темпе-ратура (тах, »С 2500 2200 1900
Для испарителей тигельного типа функция распределения определяется соотношением: F((p) = cosncp, где показатель п находят экспериментально для каждого типа испарителей.
Для получения слоя высокого качества важно правильно выбрать материал и конструкцию испарителя. Для большинства испаряемых материалов температура, обеспечивающая необходимую скорость испарения, превышает 1000-2000 °С. Во избежание загрязнений осаждаемых пленок материал испарителя должен иметь при рабочей температуре незначительную упругость пара и давление диссоциации. Этим требованиям отвечают тугоплавкие металлы и оксиды (табл. 8.2). Материал испарителя не должен допускать возникновения химических реакций, образования сплавов с испаряемым материалом.
На рис. 8.3 приведены схемы нескольких испарителей с джоу-левым нагревом в виде проволоки (а), лент (б) и лодочек из металлической фольги (в — ж). Лодочки применяют для испарения широкого класса материалов (сульфидов, фторидов, металлов и др.). Для испарения малоустойчивых веществ сложного состава и сплавов следует использовать испарители дискретного действия (г),
Рис. 8.3. Схемы резистивных испарителей из металлической фольги
476
в которых материалы на поверхность ленты подаются из бункера со скоростью, равной скорости испарения частиц вещества. Для испарения материалов, характеризующихся выбросом вещества, применяют лодочки, закрытые экранами с отверстиями (д, е). Для испарения диэлектриков и металлов в больших количествах рекомендуются лодочки (ж). Наибольшее распространение получили испарители из вольфрамовой, молибденовой и танталовой фольги. Распространены испарители из платиновой фольги.
На рис. 8.4, а, б приведены схематические изображения нескольких испарителей тигельного типа. Они применяются для испарения больших количеств пленкообразующего материала и могут быть изготовлены из металлов, графита, нитрида бора, оксидов и других тугоплавких материалов. Тигли нагреваются за счет раскаленной спирали, расположенной на наружной поверхности или внутри тигля (рис. 8.4, а). По конструкции тигельные испарители разделяются на тигли открытого типа (рис. 8.4, а) и замкнутого дискретного действия (рис. 8.4, б). Пар из тигля замкнутого действия выходит только при поднятом затворе во время осаждения материала на подложку, что приводит к существенному сокращению потерь испаряемого материала. Зарубежные фирмы выпускают каталоги промышленных испарителей с рекомендациями по их использованию.
