ляются на испарители с горячим катодом и анодной мишенью и испарители с «электронной пушкой».

Нанесение пленок титана производится с помощью «электрон­ной пушки» на подложку, нагретую до температуры 250...300 °С при вакууме не хуже 6,7 ∙ 10^-4 Па. Электронно-лучевое испаре­ние титана в высоком вакууме позволяет приблизительно на порядок повысить скорость напыления пленки по сравнению с катодным распылением.

Термическое испарение вещества в вакууме имеет ряд недо-статков и ограничений, главные из которых следующие:

а) напыление пленок из тугоплавких материалов (W, Mo, SiO₂, Аl₂O₃ и др.) требует высоких температур на испарителе, при которых неизбежно «загрязнение» потока материалом испа- рителя;

б) при испарении сплавов различие в скорости испарения от- дельных компонентов приводит к изменению состава пленки по сравнению с исходным составом материала, помещенного в испаритель;

в) инерционность процесса, требующая введения в рабочую ка- меру заслонки с электромагнитным приводом;

г) неравномерность толщины пленки, вынуждающая применять устройства перемещения подложек и корректирующие диаф- рагмы.

Первые три недостатка обусловлены необходимостью высо­котемпературного нагрева вещества, а последний — высоким вакуумом в рабочей камере.

7.2. Краткая характеристика испарителей

Качество пленок, получаемых путем термического испаре­ния в вакууме, в значительной мере зависит от типа и конст­рукции испарителей. Применяемые для этой цели испарители сильно различаются. Их конструкции определяются свойствами испаряемых материалов, требуемой скоростью испарения, коли­чеством испаряемого вещества за один цикл загрузки, исход­ной формой вещества (гранулы, порошок, проволока), а также

рядом других факторов. Требования к однородности свойств пленой, а также обеспечение производительности и экономично­сти использования технологического оборудования накладыва­ют жесткие условия на характеристики испарителей.

Часто бывает необходимо, чтобы испаритель обеспечивал постоянную скорость осаждения пленки независимо от количе­ства оставшегося в испарителе вещества. Выполнение этого ус­ловия исключает влияние изменения скорости напыления в те­чение каждого отдельного процесса на структуру пленки. При этом также легко получать заданную толщину пленки, прекра­щая испарение при достижении определенного сопротивления слоя или регулируя продолжительность испарения после того, как установлена постоянная скорость напыления. Во многих случаях от испарителя требуется, чтобы он обеспечивал такое распределение молекулярного потока, при котором достигается максимальная равномерность толщины покрытия на большой площади. Важным требованием является то, чтобы при работе испарителя не образовывались посторонние легколетучие веще­ства, способные загрязнить наносимые пленки. Кроме того, ис­паритель должен обладать достаточной долговечностью, харак­теризующейся временем, в течение которого он в состоянии обес­печить в заданных пределах режимы испарения.

К материалам, используемым для испарителей подогревате­ля, предъявляются следующие требования:

• давление пара материала испарителя при температуре испа­рения напыляемого вещества должно быть пренебрежимо ма­лым;

• материал испарителя должен хорошо смачиваться расплав­ленным испаряемым материалом, что необходимо для обес­печений хорошего теплового контакта между ними;

• между материалами испарителя и испаряемым веществом не должно происходить химических реакций, а также не дол­жны образовываться легколетучие соединения этих веществ, так как в противном случае происходит загрязнение нано­симых пленок и разрушение испарителей.

Одним из важных факторов, характеризующих процесс на­несения тонких пленок в вакууме, является способ, при кото-

ром осаждаемый материал нагревается до температуры испаре­ния или возгонки.

В зависимости от способа нагрева испарители можно подраз­делить на резистивные, индукционные и электронные. В резис-тивных испарителях тепловая энергия для нагрева испаряемо­го вещества получается за счет выделения джоулева тепла при прохождении тока через нагреватель (резистивный нагрев). Боль­шим преимуществом резистивного нагрева является простота устройств электропитания, а также удобство контроля и регу­лирования режимов работы испарителя.

В индукционных испарителях металл, подлежащий испаре­нию, окружается индуктором, представляющим собой один или несколько медных водоохлаждаемых витков, по которым про­ходит ток высокой частоты. Созданное этим током переменное магнитное поле вызывает в металле вихревые токи, которые и нагревают его до температуры испарения. При использовании этого метода нагрева в рабочей камере отсутствуют разогретые элементы, такие как нагреватели при резистивном или катод при электронно-лучевом методе нагрева. В процессе испарения металла за счет сил электродинамического воздействия проис­ходит непрерывное перемешивание расплава, что способствует его эффективному обезгаживанию.

При помощи индукционного нагрева возможно осуществить бестигельное испарение металла из капли, находящейся во взве­шенном состоянии в электромагнитном поле индуктора. При этом целиком отпадают проблемы, связанные с взаимодействи­ем между испаряемым веществом и испарителем.

К недостаткам индукционного метода нагрева следует отне­сти относительно высокую стоимость оборудования и низкий электрический КПД, из-за необходимости применения преобра­зователей частоты, невозможность непосредственного испарения диэлектриков и невозможность в практических условиях изме­нять частоту генератора и коэффициент трансформации выход-ного трансформатора, что приводит к необходимости использо­вания различных индукторов для испарения различных матери­алов.

Широкое применение для нагрева испаряемых материалов нашел метод электронной бомбардировки. Метод нагрева элек­тронной бомбардировкой имеет ряд преимуществ перед осталь­ными. Так, с помощью электронных пучков можно получить поток энергии с большой концентрацией мощности на сравни­тельно небольшой поверхности испарителя (до 5,0 ∙ 10⁸ Вт/ см²). Точная фокусировка электронного пучка позволяет полу­чить очень высокую температуру, что в свою очередь позволяет испарять даже самые тугоплавкие металлы.

Метод позволяет получить большую чистоту и однородность состава напыляемой пленки, легко регулировать и контролиро­вать как мощность нагрева, так и скорость напыления. Иониза­ция пара испаряемого вещества позволяет контролировать ско­рость испарения путем измерения ионного тока в цепи коллек­тора.

К недостаткам метода следует отнести необходимость высо­кого напряжений (порядка 10 кВ). Особые требования предъяв­ляются к конструкции и материалу катода. Катод должен обес­печивать высокую плотность эмиссии электронов и сохранять стабильность при работе в относительно плохом вакууме (до 1,3 ∙ 10^-2 Па), а также должен быть стоек к бомбардировке положительными ионами. Для увеличения срока службы като­да его удаляют на значительное расстояние от зоны плавки, а электронный луч отклоняется на большой угол и пропускается через систему диафрагм.

По конструктивным признакам все испарители подразделя­ются на следующие основные типы: проволочные, ленточные и тигельные (автотигельные).

Проволочные испарители, основное преимущество которых заключается в простоте их устройства, изготавливаются из ту­гоплавких металлов в виде цилиндрической спирали, коничес­кой спирали, спирали V-образной, волнообразной формы и др. Применяемая проволока (диаметром от 0,5 до 1,5 мм) Должна иметь по всей длине одинаковое сечение. В противном случае из-за местных перегревов будет нарушаться равномерность на­грева и проволока быстро перегорит.

Для качественного испарения металла с нити необходимо выполнение следующих условий:

• металл должен смачивать нить;

• металл должен иметь достаточное для испарения давление паров при температуре, меньшей температуры плавления нити;

• металл не должен взаимодействовать с нитью и образовы­вать с ней соединения.

Хорошая смачиваемость приводит к взаимодействию испа­ряемого материала с материалом испарителя, что приводит к разрушению испарителей. Этим объясняется относительно низ­кая долговечность проволочных испарителей. Большим недо­статком испарителей являются трудности испарения порошко­образных диэлектрических материалов.

На рис. 7.3 схематически показаны наиболее распространен­ные конструкции проволочных испарителей. Для испарения не­больших количеств металлов применяются U-образные, V-об­разные, W-образные, волнообразные и спиральные испарители. Эти виды испарителей хорошо противостоят вибрации, обеспе­чивают достаточно однородное испарение, и при их использова­нии легко осуществляется компенсация тепловых деформаций. Испаряемый материал размещается на этих испарителях в виде проволочных навесок, U-образные (см. рис. 7.3, а) и V-образные (см. рис. 7.3, б) испарители часто называют точечными, т.к. они образуют точечную каплю. Однако наиболее интенсивное испарение здесь происходит не из капли, а с прилегающих к изгибу участков. Испаритель (см. рис. 7.3, в) используется для увеличения площади и интенсивности испарения, т.е. увеличе­ния скорости испарения, что обеспечивает получение большей толщины пленки за заданный промежуток времени. Для увели­чения длины испаряемого вещества в виде проволоки использу­ют испарители типа (см. рис. 7.3, г, д, е). Эти испарители (см. рис. 7.3, г, д, е) используется, также как и испарители (см. рис. 7.3, б, в), но только для материалов, слабосмачивающих мате­риал испарителя. Проволока, навитая на нагреватель в виде спирали, увеличивает площадь соприкосновения с нагревателем, и тем самым обеспечивается увеличение плотности потока ато-

мов испаряемого материала. Испаритель типа (см. рис. 7.3, ж) используют для распыления материалов, испаряющихся субли­мацией, например Мо, при этом испарение идет по всей длине материала. Испаритель (см. рис. 7.3, з) используется для напы­ления двухкомпонентного материала (например, NiCr). Но на­грев надо вести при большом токе, чтобы навеска распылялась быстро, т.к. температуры испарения Ni и Сr различны, а пер­вым пылится Сr, и только затем Ni, поэтому обеспечить стан­дартное соотношение NiCr 80:20 по толщине напыляемой плен­ки затруднительно.

Для направленного испарения основного материала вверх используются испарители, свитые в виде конической спирали (см. рис.7.4, и). С конической спирали можно испарять метал­лы, слабое мачивающие тугоплавкие нагреватели, например се-ребро и медь. Расстояние между витками должно быть неболь­шим, чтобы капли расплавленного металла хорошо удержива­лись на спирали.

Рис. 7.4. Ленточные испарители

Испарители (см. рис. 7.3, к, л) окружены тепловыми экрана­ми (2), которые уменьшают потери на излучение и одновремен­но создают направленность потока (3) испаряемрго материала, находящегося внутри стирали (1) (см. рис. 7.3, к) или охваты-вающёго нагреваемый стержень (см. рис. 7.3, л).

Все виды проволочных испарителей могут выполняться как одножильными, так и многожильными. При употребления мно­гожильный испарителей возможно осуществлять испарение до­статочно большого количества вещества, добиться более равно-

мерного распределения испаряемого материала на подложке, рас­пылять металлы, плохо смачивающие нагреватель (например, Аl); увеличить скорость испарения, а также увеличить срок служ­бы испарителя.

Ленточные испарители представляют собой нагреватели, изготовленные из тонких листов тугоплавких металлов и имею­щие специальные углубления в виде желобков, лодочек или ко­робочек, в которых размещается испаряемый материал. Они применяются для испарения больших количеств вещества, для испарения металлов, плохо смачивающих нагреватель, а также для испарения порошковых материалов и неорганических со­единений. Эти испарители, так же как и проволочные, потреб­ляют достаточно большую мощность вследствие больших по­терь на излучение. Ленточные испарители обеспечивают боль­шую направленность испарения, при этом их предельно воз­можная область испарения ограничена телесным углом 2π сте-рад. Они обычно изготавливаются из тугоплавких металлов (тан­тал, молибден, платина).

Наиболее надежными являются испарители открытого типа (см. рис. 7.4, а-г), представляющие собой ленты с углуб­лениями в средней части для фиксации расплавленного матери­ала. Ленточные испарители, как и все другие, деформируются при высоких температурах, что приводит к нарушению взаим­ного расположения испарителя и подложки. Термические де­формации могут быть минимизированы либо приданием испа­рителям более сложной формы (см. рис. 7.4, д), либо примене­нием специальных пружин, компенсирующих термическое рас­ширение испарителя. Для того чтобы обеспечить наиболее вы­сокую температуру в средней части испарителя, ему придается форма с расширением по концам (см. рис. 7.4, е). На рис. 7.4 (ж) показан испаритель с сетчатой крышкой, предназначен­ной для испарения порошкообразных материалов с вертикаль­но и горизонтально направленным потоком пара. С помощью испарителя (см. рис. 7.4, з) можно одновременно покрывать образцы пленками равной толщины из разных материалов, рас-полагая их у торцов цилиндра нагревателя. Эта конструкция обеспечивает малое загрязнение пленки веществом нагревате-

ля, поскольку покрываемые образцы обращены к торцевым срезам цилиндра нагревателя.

Испаритель значительной протяженности может быть изго­товлен в виде цилиндра со щелью по образующей (см. рис. 7.4, к). Внутри такого цилиндра создаются условия теплообмена, по­добные таковым у черного тела. Поэтому в них даже вещества с малой теплопроводностью сравнительно быстро приобретают температуру испарителя. В данном испарителе поток атомов может быть сделан более направленным, если изогнуть цилиндр так, чтобы создать узкую глубокую щель. Такой испаритель ограничивает поток атомов в ненужных направлениях, что су­щественно, например, при нанесении покрытий на вращающие­ся цилиндры.

Испаритель лодочного типа (см. рис. 7.4, л) предназнача­ется для испарения диэлектриков и металлов в больших коли­чествах. Он непригоден для испарения хорошо смачивающих нагреватель металлов, которые, растекаясь по нему, значитель­но снижают его сопротивление, вследствие чего нагреватель мо­жет перегореть. Ленточный испаритель трубчатого типа (см. рис 7.4, м) предназначен для испарения веществ с малой теп­лопроводностью. Испарители этого типа могут иметь значитель­ную протяженность.

Тигельные испарители могут применяться только для ис­парения материалов, не вступающих в реакцию с материалом тигля и не образующих с ними соединений. Они изготавливают­ся из тугоплавких металлов (W, Та, Мо), из оксидов (Аl₂О₃, ВеО, ZrО₂, ThО₂ и др.) и графита. Для напыления материалов с низ­кой температурой испарения можно использовать тигли из стек­ла и кварца. При резистивном нагреве тиглей, изготавливае­мых из оксидов металлов, до высоких температур проволочны­ми нагревателями из тугоплавких металлов между нагревателя­ми и тиглем обычно имеют место химические реакции, которые и приводят к разрушению тигля. Экспериментально установле­но, что наиболее надежными являются испарители, у которых испаряемый материал не соприкасается непосредственно с на­гревательным элементом, а лишь получает от него тепло.