Классификация методов осаждения вакуумных покрытий

Наиболее распространена классификация, в соответствии с которой в зависимости от механизма генерации газового потока все известные методы условно разделяют на способы перевода атомов в газовую фазу по механизму испарения и способы образования газовой фазы в результате распыления мишени ионами или высокоэнергетичными атомами (рисунок 2):

Нанесение покрытий в результате

Рисунок 2 – Классификация вакуумных методов нанесения покрытий

Генерируемые данными методами газовые потоки характеризуются различными значениями энергии частиц, степени ионизации, плотности. Поэтому покрытия, формируемые из распыленных или испаренных частиц, отличаются структурой и, соответственно, свойствами.В зависимости от природы энергетического воздействия на испаряемое вещество различают:

1) резистивное испарение. В этом случае перевод в газовую фазу происходит под действием тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока через резистивный элемент или испаряемое вещество;

2) электронно-лучевое испарение. Нагрев и испарение вещества осуществляются при действии на него потока электронов;

3) лазерное испарение. Источником энергии в данном способе является монохроматическое электромагнитное (лазерное) излучение;

4) электродуговое испарение. Генерация газовой фазы происходит в результате горения электрической дуги и выделения при этом теплоты;

5) индукционное испарение. Образование паров осуществляется в результате нагрева при прохождении через резистивный элемент или испаряемый металл индукционных токов, создаваемых внешним высокочастотным магнитным полем.

Все методы нанесения покрытий, реализующие генерацию газовой фазы по механизму распыления, классифицируют на две большие группы: ионно-лучевые и ионно-плазменные или плазмоионные. В первом случае выбивание атомов мишени происходит под действием бомбардировки ее поверхности ионными пучками определенной энергии. Характерной особенностью данных методов является отсутствие необходимости подачи на распыляемую мишень электрического потенциала. При плазмоионном распылении мишень находится в сильно ионизированной плазме под отрицательным потенциалом относительно плазмы. Под действием электрического поля положительные ионы вытягиваются из плазмы и бомбардируют мишень, вызывая ее распыление.

9. Испаре́ние — процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в парообразное или газообразное, происходящий на поверхности вещества.

При испарении с поверхности жидкости или твёрдого тела вылетают (отрываются) частицы (молекулы, атомы), при этом их кинетическая энергия должна быть достаточна для совершения работы, необходимой для преодоления сил притяжения со стороны других молекул жидкости. Испарение твердого тела называется сублимацией, а парообразование в объёме жидкости — кипением. Испарение — эндотермический процесс, при котором поглощается теплота фазового перехода — теплота испарения, затрачиваемая на преодоление сил молекулярного сцепления в жидкой фазе и на работу расширения при превращении жидкости в пар. Процесс испарения зависит от интенсивности теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит испарение.

 

Уравнение Герца-Кнудсена сек)

- средняя арифметическа скорость молекулы

- равновесна концентрация молекул пара

Это уравнение написан для общего случая, когда вещество испаряется не в вакуум, а в пар с давление на границе фаз, определяемым концентрацией молекул

 

 

10. Суть процесса резистивного испарения состоит в переводе осаждаемого материала с помощью нагрева в парогазовую фазу. Образующийся при этом парогазовый поток в высоком вакууме распространяется прямолинейно, т.к. отсутствует соударение с молекулами остаточного газа — длина свободного пробега молекул в остаточном газе на порядок превышает расстояние от источника до подложки; газ попадает на подложку, поверхность которой холоднее источника пара; при этом происходит конденсация и образование пленки.

Проволочные испарители. Проволочные испарители применяют для испарения веществ, которые смачивают материал нагревателя. При этом расплавленное вещество силами поверхностного натяжения удерживается в виде капли проволочном нагревателе. Проволочный испаритель простейшей конструкции используют для нанесения пленок алюминия, который хорошо смачивает вольфрамовый проволочный нагреватель

Ленточные испарители. Ленточные испарители применяются для испарения металлов, плохо удерживающихся на проволочных испарителях, а также диэлектриков и изготавливаются с углублениями в виде полусфер, желобков, коробочек или лодочек. Наиболее распространенными материалами для таких испарителей является фольга толщиной 0,1 - 0,3 мм из вольфрама, молибдена и тантала.

Испарители коробчатого типа. Если для металлов благодаря их высокой теплопроводности испарение в вакууме есть явление поверхностное, то для таких неметаллических веществ плохой теплопроводности, как диэлектрики, существует большая вероятность их разбрызгивания при форсированном испарении. В этих случаях применяют испарители коробчатого типа, выполненные из ленты толщиной 0,1 мм в виде коробочки, в которую засыпают испаряемое вещество. Сверху коробочка закрывается однослойным или двухслойным экраном с отверстиями, через которые проходят пары наносимого материала.

Тигельные испарители. Тигельные испарители используют, как правило, для испарения больших количеств сыпучих диэлектрических материалов. Тигли изготавливают из тугоплавких металлов, кварца, графита, а также керамических материалов (нитрида бора, оксида алюминия корунда).

Электронно-лучевые испарители. Испарители с электронно-лучевым нагревом основаны на том, что кинетическая энергия потока ускоренных электронов при бомбардировке ими поверхности вещества превращается в тепловую энергию, в результате чего оно нагревается до температуры испарения. Электронно-лучевой испаритель состоит из трех основных частей: электронной пушки, отклоняющей системы и водоохлаждаемого тигля. Недостатки этих испарителей - сложность аппаратуры питания и управления, трудность испарения металлов высокой теплопроводности (медь, алюминий, серебро, золото) из водоохлаждаемого тигля, необходимость частой замены катода, а также питания высокими напряжениями.

Основной особенностью испарения сплава в вакууме из одного источника является фракционирование, обусловленное различием скоростей испарения компонентов, образующих сплав. Формирующееся на подложке покрытие имеет неоднородный состав по толщине, так как начальные слои обогащены легколетучим компонентом, а в последующих преобладает вещество с малой упругостью паров.

11. При реализации лазерного нанесения покрытий нагрев и испарение вещества осуществляются когерентным электромагнитным излучением. Оптический квантовый генератор размещается вне вакуумной камеры. Через прозрачное для излучения окно лазерный луч попадает на зеркало, отражается от него и направляется на поверхность мишени. Сканирование по поверхности лазерного луча осуществляется, как правило, путем колебания зеркала. При воздействии лазерного луча на мишень происходит испарение атомов металла и последующее их осаждение на поверхности подложки. Лазерная технология нанесения покрытий имеет следующие преимущества:

1. Нет необходимости в применении в устройствах для испарения источников высоких напряжений.

2. Реализуются достаточно чистые условия нанесения покрытий, так как осуществляется нагрев только мишени.

3. Возможность достижения в потоке высокой плотности энергии – 10⁸ …10⁹ Вт/см² и, как следствие этого, получение покрытий из самых тугоплавких материалов и диэлектриков.

4. Высокая мгновенная скорость напыления (10³…10⁵ нм/с), что положительно сказывается на качестве образующихся слоев; покрытие является более однородным, сплошным, имеет высокодисперсную структуру.

5. Высокая стабильность процесса испарения, так как отсутствуют жесткие требования к степени вакуума при работе лазерных испарительных систем.

6. Высокая производительность и технологичность.

Важнейшим физико-химическим параметром лазерного напыления является режим работы ОКГ. Он определяет температуру в зоне испарения и скорость испарения, а соответственно, и механизм зародышеобразования, структуру, свойства образующихся покрытий. Одно из основных режимов работы ОКГ является- режим наносекундного импульса (НИ). Энергия в отдельном импульсе при таком режиме очень велика, поэтому в зоне испарения возникают очень высокие мгновенные температуры, происходит полная диссоциация пара и его ионизация. Удельная испаряемость при режиме НИ имеет значения ~0,01 мг/Дж. При формировании покрытий в режиме НИ важным технологическим параметром является расстояние от поверхности мишени до подложки. Изменяя это расстояние, можно регулировать условия формирования покрытия. При достаточно большом пробеге пакета частиц из-за различия в скорости движение возможно их совмещение в поступающем на подложку потоке и поверхность не подвергается импульсному воздействию. Необходимо учитывать также, что при импульсном нанесении покрытий поверхность подложки испытывает циклические тепловые деформации, которые оказывают также влияние на структуру и свойства покрытий.

12. Электронно-лучевое испарение позволяет формировать покрытия с достаточно высокой производительностью и управлять их составом и свойствами. Основной недостаток этого метода заключается в сравнительно низком проценте ионизированных частиц в общем потоке испаряемого материала, что влияет на прочность адгезионной связи осаждаемых покрытий. Весьма эффективно электронно-лучевое испарение используется для нанесения защитных антикоррозионных покрытий на стальную ленту для получения ленточных композиционных материалов и при производстве фольги. Как видно, электронно-лучевое испарение по сравнению с тигельным дает значительно более низкие характеристики прочности. При лазерном или электронно-лучевом испарении удается испарять вещество из малого объема, достигая высоких локальных температур испарения. При этом отпадает проблема выбора материала испарительной камеры, а также его влияния на испаряемую систему. Использование методов мгновенного испарения заметно уменьшает вероятность фракционного разделения. Необходимо подчеркнуть, что при электронно-лучевом испарении вследствие увеличения ресурсов пластичности появляется возможность существенного снижения температуры осаждения и, следовательно, повышения уровня прочности.