7. Испарение сложных материалов и сплавов. Реактивное испарение.

Метод термического испарения и конденсации

Метод основан на термическом испарении различных сплавов. Возникающие при этом пары конденсируются на поверхности холодной подложки (рисунок). Энергия конденсирующих частиц составляет Е=К Т  0,1 - 0,3 эВ и соответствует температуре испаренных частиц. Степень ионизации испаряемого вещества практически равна нулю. Состав плёнки, получаемой в результате испарения и конденсации сплава в вакууме, сильно зависит от температуры испарения и отличается от состава исходного распыляемого вещества. Чтобы избежать изменения состава при испарении, применяют методы мгновенного (взрывного) испарения или испарения чистых исходных комплексов сплава из разных испарителей. В последнее время широко применяется испарение с помощью мощных электронно-лучевых пушек, что позволяет, применяя охлаждаемые тигли, испарять и тугоплавкие материалы.

 Схема установки для термического осаждения с электронно-лучевым испарителем: 1- подложка, 2- электронно-лучевая пушка, 3- изолятор, 4- державка, 5- испаряемый материал

Испарение сплавов имеет ряд преимуществ перед другими методами:  простота оборудования;  высокая скорость нанесения покрытий (до 10 мкм/мин).

Недостатки данного метода:  состав конденсирующейся плёнки отличается от исходного состава;  мал коэффициент использования материала и.при достаточно большом давлении составляет 10-30%;  низкие эксплуатационные характеристики покрытий (высокая пористость, невысокая адгезия покрытия к подложке);  сложность нанесения тугоплавких материалов, карбидов, нитридов и др.;  трудность получения однородных покрытий на деталях сложной формы.

8. Сущность метода распыления материалов ионной бомбардировкой. Понятие о пороговой энергии.

Распыление – это явление передачи момента импульса от налетающей частицы частицам поверхности мишени с последующим отрывом атомов или молекул и переводом их в вакуум.

Ионное распыление – метод вакуумного напыления, в котором осаждаемый атомарный поток получают в результате бомбардировки ускоренными ионами поверхности исходного напыляемого материала и последующей инжекции распыленных атомов в газовую фазу.

Характер взаимодействия бомбардирующих ионов с поверхностью твердого тела определяется их энергией. При энергиях меньших 5 эВ, взаимодействие ограничивается физически и химически адсорбированными слоями, вызывая их десорбцию и обуславливая протекание различных химических реакций. При кинетических энергиях, превышающих энергию связи атомов в кристаллической решетке, бомбардировка вызывает разрушение приповерхностного слоя и выброс атомов в газовую фазу (распыление). Минимальная энергия ионов, приводящая к выбиванию атомов с поверхности, называется пороговой энергией распыления. Значение ее находится в интервале энергий от 15 до 30 эВ.

Характеристикой процесса ионного распыления служит коэффициент распыления, определяемый количеством атомов, выбитых с бомбардируемой поверхности падающим ионом. При возрастании энергии бомбардирующих ионов свыше 100 эВ коэффициент распыления резко увеличивается и в области 5-10 кэВ выходит на насыщение. Дальнейшее повышение кинетической энергии свыше 100 кэВ приводит к снижению распыления, вызванному радиационными эффектами и внедрениями ионов в кристаллическую решетку. Распыление вызывается, в основном, передачей импульса энергии от бомбардирующей частицы атомам кристаллической решетки в результате серии последовательных столкновений. Передача импульса от падающих ионов происходит в первых атомных слоях решетки. Например, при бомбардировке поверхности поликристаллической меди ионами аргона с энергией 1000 эВ глубина проникновения равнялась трем атомным слоям. 

Наибольшее распространение в качестве источника бомбардирующих ионов получил инертный газ аргон, имеющий массу, достаточную для распыления, и характеризующийся относительно малой стоимостью. В установках поток распыленных атомов создается либо в результате бомбардировки ионами плазменного разряда поверхности исходного напыляемого материала, находящегося под отрицательным потенциалом или являющегося катодом тлеющего разряда (ионно-плазменное распыление, разновидностями которого являются катодное, магнетронное распыления), либо за счет бомбардировки ускоренными ионами, эмитированными автономным источником (ионно-лучевое распыление).

Катодное распыление: в этом методе осаждения тонких пленок материал, который должен напыляться, используется в качестве катода в системе с тлеющим разрядом в инертном газе. Подложка, на которую нужно осадить пленку, располагается на аноде. Вакуумный объем, содержащий анод и катод, откачивают до давления 10^-4 Па, после чего производят напуск инертного газа (обычно это Ar при давлении 1-10 Па). Для зажигания тлеющего разряда между катодом и анодом подается высокое напряжение 1-10 кВ. Положительные ионы газа, источником которых является плазма тлеющего разряда, ускоряются в электрическом поле по направлению к катоду и достигают его с большой энергией, возрастание которой происходит в прикатодной области (рис. ). В результате ионной бомбардировки материал с катода распыляется главным образом в виде нейтральных атомов, но частично и в виде ионов. Распыленное вещество конденсируется на всей окружающей площади, в том числе на подложках, расположенных на аноде. Скорость процесса напыления определяется удельной мощностью у поверхности мишени, размером зоны эрозии, расстоянием мишень-подложка, материалом мишени и давлением рабочего газа.