7.3. Индукционные испарители

На рис. 7.5 показана схема устройства для нанесения по­крытия в вакууме, имеющего испарительные тигли с индукци­онным нагревом. Это устройство имеет два тигля с индукцион­ным нагревом. Тигли достаточно близко расположены один от другого, причем между двумя отдельными катушками, окружа­ющими тигли, существует индукционная связь. В устройство входит приспособление для индуцирования в электрической цепи питания каждой катушки напряжения, одинакового по величи­не и противоположного по знаку напряжению, индуцируемому в этой катушке рядом расположенной катушкой.

Известно, что испаряемые материалы могут вступить во вза­имодействие с материалом испарителя. Это приводит к быстро­му разрушению испарителя и загрязнению пленки материалом испарителя. Экспериментально установлено, что вольфрамовые проволочные спирали при испарении алюминия и никеля выхо­дят из строя уже после одного двух циклов испарения. Что касается ленточных вольфрамовых испарителей, то их срок служ­бы ограничивается в основном одним - тремя циклами испаре­ния. При испарении смеси Rh с Gf ленточные испарители выхо­дят из строя раньше окончания первого цикла напыления.

Одним из способов устранения взаимодействия испаряемого материала с материалом испарителя является выбор определён-ных материалов для нагревателей в виде тиглей. Это достигает­ся применением тигельных испарителей (тигли графитовые для из оксидов металлов). Рассмотрим, в какой степени пригодны тигли для испарения различных материалов. Тигли из Аl₂О₃ и ВеО пригодны для испарения при температурах до 1600-1750 °С. Технология изготовления этих тиглей заключается в много­кратном нанесении на вольфрамовую спираль водной суспен­зии оксидов Аl или Be с последующим отжигом каждого слоя. Процесс повторяется несколько раз до получения стенок тигля необходимой толщины. Тигли из А1₂О₃ успешно применяются для испарения металлов с низким давлением паров: Сu, Ge, Mn, Fe, Ni, Ag, Sn. Тигли из ВеО используются для испарения Со, Ре, Si. Недостатком бтих испарителей является то, что они сильно подвержены образованию трещин при высокой темпера­туре, вследствие чего вольфрамовый нагреватель становится до­ступным воздействию расплавленных материалов.

Тигли из оксида тория могут применяться для испарения металлов при температурах, достигающих 2200 °С. Но они, как и предыдущие, подвержены растрескиванию покрытия на воль­фрамовой спирали. Тигли из оксида кремния, самые неэффек­тивные из класса тигельных испарителей, выполненных из ок­сидов металлов, так как верхний предел рабочих температур у них равен 1100 °С.

Наиболее предпочтительными тигельными испарителями яв­ляются графитовые тигли. Графитовые испарители могут при­меняться до температур порядка 2500 °С. К тому же графит достаточно технологичен и xoрошo поддается механической об­работке. Эти тигли менее подвержены испаряемым материалом и могут использоваться для испарения значительных количеств материалов. Однако необходимо учитывать, что ряд материалов, например Al, Si, Ti, при высоких температурах реагирует с угле­родом с образованием карбидов и поэтому для их испарения могут быть использованы графитовые тигли. Из графитовых испарителей эффективно испаряются Be, Ag, Sf.

Недостатком графитовых тиглей являются также их спо­собность легко поглощать газы, что усложняет их технологи-

ческое использование в вакууме. Многие оксиды активно вос­станавливаются углеродом, что дает возможность очистки ме­таллов путем применения графитовых тиглей. Нельзя допус­кать контакта между графитом и вольфрамом, если желателен большой срок службы нагревателя, так как уже при температу­ре 1500 °С образуется карбид W, снижающий проводимость на­гревателя и делающий его более хрупким. Большим недостат­ком графита является его малая теплопроводность, в результа­те чего графитовые тигли не обеспечивают быстрый нагрев ис­паряемого вещества. Недостаточная пластичность графита не позволяет изготавливать из него нагреватели малого сечения, и поэтому потери тепла при теплопередаче обычно высоки.

Все вышеперечисленные недостатки рассмотренных тигель­ных испарителей приводят к выводу о необходимости дальней­шего поиска способов устранения взаимодействия испаряемого материала и материала нагревателя. Такими способами устра­нения взаимодействия испаряемого материала с испарителем являются способы, основанные на применении специальных ис­парителей, т.е. испарителей с покрытием, материал которого не взаимодействовал бы с испаряемым веществом. В качестве ис­парителей используются обычно вольфрамовые, танталовые или молибденовые ленты с углублениями или без них. Углубление в вольфрамовой ленте, вследствие большой хрупкости лент, мо­жет быть получено фрезеровкой, в танталовой и молибденовой -штамповкой. В качестве материала покрытия используются кар­биды и бориды тугоплавких металлов (Ti, Hf, Mo, Zr, V, Nb, Cr, W), образующиеся при высоких температурах.

Карбиды и бориды тугоплавких металлов являются метал-лоподобными фазами. Связь атомов металла с атомами углеро­да и атомами бора имеет металлический характер. Этим объяс­няется то, что карбиды и бориды имеют примерно такое же электросопротивление, как и металлы, и для них, как и для металлов, сохраняется постоянство отношения электропровод­ности к теплопроводности. Особенностью этих соединений яв­ляется тугоплавкость, высокая твердость, способность некото­рых из них переходить в состояние сверхпроводимости и др. Карбиды отличаются от боридов более высокой температурой плавления. Так, например, карбид гафния имеет температуру

плавления 3890 °С, а борид гафния - 3250 °С. Модули упруго­сти этих соединений имеют высокое значение (21500 — 71000). Они хрупки и обладают пластичностью только при высоких тем­пературах (1400 - 1900 °С). Бориды и карбиды обладают высо­кой химической стойкостью в различных агрессивных средах и хорошо сопротивляются окислению на воздухе при высоких тем­пературах.

В настоящее время находят применение соединения боридов и карбидов нескольких металлов (Ni, Сr и др.). Такие много­компонентные бориды и карбиды обладают повышенными проч­ностью, износостойкостью и акалиностойкостью по сравнению с однокомпонентными карбидами и боридами. Изделия из карби­дов и боридов изготавливаются методом порошковой метал­лургии. Обычные методы механической обработки непригодны для изделий из карбидов и боридов. Для этой цели использует­ся электроискровая и ультразвуковая обработка.

Рис. 7.6. Аппарат для нанесения алюминия на полупроводниковые пластины путем вакуумного напыления

На рис. 7.6 показано устройство для нанесения алюминия на полупроводниковые пластины путем вакуумного напыления. В данном устройстве применяется испаритель, который имеет поверхностный слой из соединения нитридов и карбидов ме­таллов: Ti, Zr, Hf, V, Та и инертен к расплавленному алюми­нию. Поверхностный слой удерживает часть расплава металла в контакте с тиглем. Нагревание испарителя до температуры выше, чем температура расплава, осуществляется пропускани-