Метод нагріву за допомогою електронного бомбардування.

Метод нагрівання за допомогою електронного бомбардування під час нанесення тонких плівок полягає у тому, що підігріту речовину, що випаровують, розміщують на електроді з високим позитивним потенціалом або вона сама використовується у якості такого електроду. Нитка розжарення, що представляє собою кілька витків вольфрамового дроту, намотаного навколо позитивно зарядженого електроду або, що розміщеного навколо нього. Електрони, що емітовані розжареною ниткою, бомбардують позитивний електрод. У наслідку цього речовина, яку випаровують, може бути нагріта до дуже високих температур (до 3500⁰С). Таким способом можуть випаровуватися дуже тугоплавкі метали. Існують декілька видів випарників (Рис.1.1). Декілька можливих конструкцій випарників, що нагріваються за допомогою електронного бомбардування, схематично зображені на рис. 1.1 д, є, ж.

Випарник, що зображений на рис.1.1д складається із графітового або танталового тигля 1, у який міститься речовина, яку випаровують, та спірального вольфрамового катоду 2. Напруга між тиглем і катодом дорівнює приблизно 4000В, електронний струм – близько 100 мА. Шляхом електронного бомбардування були одержані тонкі плівки кобальту, іридію й родію.

При випаровуванні методом електронного бомбардування простежується одне дуже корисне побічне явище: іонізація речовини, яку випаровують. Для використання цього явища, пристрій обладнується додатковим кільцевим електродом 3 (рис. 1.1є), який міститься над тиглем і підтримується під невеликим негативним потенціалом. Цей електрод служить для збирання позитивних іонів, які утворюються при зіткненні електронів, що імітуються ниттю, з атомами речовини, що випаровують.

Рис. 1.1 Спеціальні випарники зі непрямим підігрівом

Величина іонного струму у ланцюгу електрода-колектора може служити мірою швидкості випаровування. Таким чином, при подібній конструкції випарника можна вести випаровування з означеною постійною швидкістю, що достатньо істотно.

Крім того, іони речовини, яку випаровують, можуть бути використані для очищення поверхні підкладки. У цьому випадку випарник підтримується при позитивному відносно підкладки потенціалі приблизно 3-5 кВ. Бомбардування поверхні підкладки прискореними іонами приводить до вибивання забруднюючих часток, що знаходяться на ній. Таке очищення може проводитися при тисках 10^{-6 мм. рт. ст.,} причому якість такого очищення значно краща, ніж при бомбардуванні підкладки іонами залишкового газу при тиску 5·10^{-2 мм. рт. ст., що} виражається у покращеному зчепленні плівки, яку наносять, з підкладкою. Лабораторні дослідження з оловом показали, що коли воно наносилося на поверхню, що була попередньо піддана бомбардуванню іонами газу, то сила зчеплення нанесеної плівки з підкладкою була незначною. Коли ж олово наносилося при нагріванні електронним бомбардуванням на поверхню, попередньо очищену іонами олова, які мали велику швидкість, то зчеплення з підкладкою одержувалося виключно міцним. Такі ж результати були отримані з платиною.

На рис.1.1ж показано пристрій, у якому в якості випарника використовується ванночка 1, що охолоджується водою, циліндричної форми і виготовлена із вільної від кисню міді високої провідності. На одному із торців цієї ванночки зроблено заглиблення, у яке поміщується речовина, що випаровується. Мають місце канали, по яким циркулює вода зі швидкістю 2 - 6 л/хв. На вольфрамову нитку катоду 2 подається негативний стосовно заземленого випарника потенціал у декілька тисяч вольт. Випарник, що охолоджується водою, має ряд переваг. Найбільш істотним із них є запобігання мідної ванночки та речовини, що випаровується, від сплавки; Це пояснюється тим, що під час електронного бомбардування ванночка залишається порівняно холодною, і тому матеріал, що знаходиться у безпосередньому контакті з холодною поверхнею, не плавиться. Цей тонкий шар металу, що не розплавився, служить „тиглем” для іншого матеріалу, і, таким чином, виключається можливість утворення сплаву. Крім того, плівка не забруднюється матеріалом підігрівника, що зазвичай трапляється при випарниках інших типів. Спектроскопічні дослідження тонких плівок, нанесених з випарників описаної будови, показали, що кількість міді, що міститься в них, не перевищує початкової кількості міді, що входила до складу самої речовини, яку випаровують.

Мідні ванночки діаметром 25мм успішно використовувалися для випаровування алюмінію, нікелю, титану, танталу, платини й окису алюмінію.

Для розігріву випарника замість звичайної розжареної нитки у формі петлі або спіралі можна використовувати електрону гармату (рис. 1.1 з), яка дозволяє розігріти матеріал, що випаровують, до дуже високих температур. В одному з таких пристроїв електронний пучок фокусується і спрямовується на масивний кусок матеріалу, що випаровують, який закріплений до кінця тонкого вольфрамового дроту. При анодній напрузі 2 -5 кВ, поверхні фокусу 2 мм² і електронних струмах 10-50 мА без плавлення всього масивного шматка досягаються такі високі температури, що може почати випаровуватися навіть вуглець.

Нагрівання електронним бомбардуванням дає можливість запобігти безпосередньому контакту тугоплавкої речовини, що випаровують, з матеріалом тигля або спіралі у зоні розплаву, що дозволяє виключити один з джерел забруднення плівок.

На рис. 1.2 приведена схема випарника з магнітним фокусуванням електронного променя. Такий пристрій використовується для випаровування тугоплавких металів зі швидкістю, більше ніж 0,1 г/хв. Метал нагрівається електронним променем, що сфокусований поперечним магнітним полем. Полюса магніту та електронної гармати розташовані нижче рівня рідкого металу і захищені від попадання парів.

Рис. 1.2. Випарник з магнітним фокусуванням електронного променю: 1 – манжета, що охолоджується вадою; 2 – ванна рідкого металу; 3 – електронний промінь; 4 – електронна гармата; 5 – контур полюсів магніту.

Стержень із металу, що випаровується, розміщений в манжету, що охолоджується водою, і по мірі випаровування подається наверх для підтримання постійного рівня метала. Випарник працює при анодні напрузі 8-12 кВ та струмі променю 0,2 – 0,5 А. Розміри фокусної плями на поверхні металу можуть бути зроблені 2х1 мм². Швидкість випарювання: для титана – 1,5 г/хв; молібдену – 1,3 г/хв; цирконію – 0,4 г/хв; ніобію – 0,32 г/хв.