Таблица 1

Для анализа равнотолщинности используют, как правило, идеальную модель испарения и конденсации, которая предусматривает выполнение законов Ламберта – Кнусена и формулы Лэнгмюра для скоростей испарения, а также полную конденсацию паров испарённого вещества на подложке (коэффициент конденсации равен 1 независимо от материала подложки и интенсивности потока испарённого вещества). Процесс испарения происходит с зеркальной поверхности расплава.

ТЕХНИКА ИСПАРЕНИЯ МЕТАЛЛОВ В ВАКУУМЕ

Качество формируемых покрытий, технологические возможности оборудования для напыления, техника проведения процесса нанесения покрытий и ряд других практических вопросов во многом определяются выбором материала испарителя (тигля) с учётом физико-химических свойств испаряемого вещества, а также возможных взаимодействий испаряемого вещества с испарителем. В литературе есть сведения, позволяющие подобрать не только материал испарителя, но и наиболее оптимальную его конструкцию с учетом специфики получения покрытий конкретного функционального назначения.

Технологические параметры процесса нанесения покрытий определяются в основном способностью испарителя поддерживать испаряемое вещество при определенной температуре длительное время. Для получения приблизительных оценок рабочих температур испарителей нужно учитывать, что нормальный (технологически) режим металлизации реализуется при давлении паров испаряемого вещества порядка 1.33 Па. Для большей части материалов, применяемых в практике вакуумной металлизации для получения покрытий, рабочие температуры составляют 1300…2500 К.

Основные требования к материалу испарителя: незначительное (минимально возможное) давление насыщенного пара при рабочей температуре; инертность по отношению к испаряемому материалу; обеспечение возможности изготовления различных конструкций.

Соблюдение первого требования обеспечивает получение качественных пленок, не загрязненных атомами материала испарителя, соблюдения второго требования –длительную работу испарительного элемента, так как образование справа испаряемого вещества с материалом испарителя приводит к быстрому разрушению испарителя. Кроме того, в результате химической реакции возможно образование соединений с низкой температурой испарения, что также приводит к загрязнению формируемого конденсата. Третье (дополнительное) требование подбора материала испарителя обусловлено, прежде всего, технологическими соображениями – конструкцией токовых вводов и зажимов вакуумной установки.

КОНСТРУКЦИИ ПРЯМОНАКАЛЬНЫХ ИСПРАРИТЕЛЕЙ.

Простейшие испарители изготавливают в виде проволочной спирали, многожильных жгутов, корзиночек, плоской ленты с углублениями, лодочек различной конфигурации.

Прямонакальные испарители выполняют, как правило, из тугоплавких металлов (вольфрам, молибдена и тантала), имеющих высокую температуру плавления и низкое давление паров при рабочей температуре. Некоторые свойства тугоплавких металлов приведены в табл. 2.

Как, правило, прямонакальные испарители используют для испарения небольших количеств вещества. В практике получения защитных покрытий толщиной несколько десятков микрометров используют специальные устройства догрузки. Прямонакальные испарители применяют для получения некоторых видов функциональных. Покрытий изделий электронной техники.

Значительно шире используют тигельные испарительные устройства, конструктивно выполняемые как в активном, так и в пассивном вариантах. В первом случае тигель нагревается специальными нагревателями, которые либо встроены в тигель, либо намотаны на него (тигли с косвенным нагревом). При этом варианте энергия к испаряемому материалу передается при тепловом контакте с поверхностью тигля. Таким образом, в режиме испарения температура тигля равна или несколько выше расплава; это определяет требования к термостойкости материала тигля.

Второй, пассивный, вариант конструктивного исполнения тигля реализуют на практике использованием электронно-лучевого или индуктивного способов нагрева. В этом случае тигель является контейнером и его температура ниже температуры испаряемого вещества. Тигельные испарители пассивного исполнения обычно более долговечны.

Тигли изготовляют из тугоплавких оксидов (ThO2, BeO, ZrO2, AI2O3, MgO); реже используют оксиды типа SiO2, TiO2, NiO. В электронно-лучевых испарительных системах применяют тигли из тугоплавких металлов, а также водоохлаждаемые медные тигли.

Таблица 2

Примечание: pэл – удельное электрическое сопротивление; e - термическое расширение (относительное изменение геометрических размеров при нагревании).

В последние годы применяют термостойкие химически стабильные тигли на основе болидов и нитридов. За рубежом широко используют тигли из ВN,TiB2 и смеси BN-TiB2 (по 50% каждого комплекта).

Довольно широко для изготовления тиглей используют углерод трех модификаций [18]:промышленный, стеклообразный и пиролитический графит.

При этом следует учесть, что такие металлы, как AI, Si, Ti, K, Na, Li в расплавленном состоянии взаимодействуют с графитом, образуя карбиды; Та, Мо и W образуют карбиды при температурах соответственно 1273, 1470, 1670 К; Cu и Be в расплавленном состоянии практически не взаимодействуют с графиком. При взаимодействии графита с тугоплавкими оксидами, например ThO2 , BeO, ZrO2, происходит процесс их восстановления. Отличие заключается лишь в температуре и продолжительности t реакции взаимодействия, после которой начинается процесс восстановления; так, для ThO2 T=2273 K, t=240 c; для ВеО-Т=2570 К и t =120 с, для ZrO2-T=1870 K и t =240 с.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ И ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ИСПАРИТЕЛЕЙ.

Прямонакальные испарители, несмотря на довольно широкое распространение и простоту конструктивного исполнения, не соответствуют всем требованиям, предъявленным к технологическим процессам получения вакуумных покрытий. Основные недостатки этих испарителей – высокая энергоемкость, ограниченные возможности при нанесении толстых покрытий, низкое качество покрытий вследствие их загрязнения атомами испарителя и продуктами взаимодействия материала испарителя и испаряемого вещества. )