2.1.2. Резистивное напыление
Это первый метод нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме, который до недавнего времени наиболее широко применялся. Отличительными особенностями его являются техническая простота, удобство контроля и регулирования режимов работы испарителя и возможность получения покрытий различного химического состава.
В резистивных испарителях тепловая энергия для нагрева испаряемого вещества образуется за счет выделения джоулева тепла прохождении электрического тока через нагреватель.
К материалам, используемым для изготовления нагревателей резистивных испарителей, предъявляются следующие требования.
1. Давление пара материала нагревателя при температуре испарения осаждаемого вещества должно быть пренебрежительно малым.
2. Материал нагревателя должен хорошо смачиваться расплавленным испаряемым веществом, так как это необходимо для обеспечения хорошего теплового контакта между ними.
3. Между материалом нагревателя и испаряемым веществом не должны возникать никакие химические реакции и образовываться легколетучие сплавы этих веществ, так как в противном случае происходит загрязнение наносимых пленок и разрушение нагревателей.
Для нанесения покрытий резистивным методом применяются различные конструкции и способы испарения металлов и сплавов. Наиболее широко используются проволочные, ленточные, тигельные и автотигельные испарители дискретного действия.
Проволочные испарители, основное достоинство которых заключается в простоте устройства и высокой экономичности, изготавливаются из проволоки тугоплавких металлов (W, Mo, Ta) и выпускаются самых разнообразных форм (в виде петли, цилиндрической спирали, конической спирали, V-образной формы и др.). Применяются для испарения веществ, которые смачивают материал нагревателя. При этом расплавленное вещество силами поверхностного натяжения удерживается в виде капли на проволочном нагревателе. Применяемая проволока (обычно диаметром от 0,5 до 1,5 мм) должна иметь по всей длине одинаковое сечение, иначе из-за местных перегревов будет нарушена равномерность получаемого слоя и, кроме того, проволока быстро перегорит. При хорошем смачивании материала нагревателя испаряемым металлом всегда имеет место более или менее активное взаимодействие между ними, что в конечном свете приводит к разрушению испарителя и снижению чистоты наносимого покрытия. С помощью проволочных испарителей может происходить в телесном угле вплоть до 4 П.
Ленточные испарители изготавливаются из тонких листов тугоплавких металлов и имеют специальные углубления (в виде желобков, лодочек, чашек или коробочек), в которых размещается испаряемый материал. Они применяются для испарения порошковых материалов и неорганических соединений. Эти испарители, так же как и проволочные просты по конструкции, но по сравнению с последними потребляют большую мощность вследствие значительных потерь на тепловое излучение. Ленточные испарители имеют большую направленность испарения, и практически предельно возможная область испарения их ограничена телесным углом 2 П.
Тигельные испарители могут применяться для испарения материалов, не вступающих в реакцию с материалом тигля и не образующих с ним сплавов. Они изготавливаются из тугоплавких металлов (W, Mo, Ta) из окислов металлов (Al2 O3 , BeO, ZrO2 , ThO2 и др.) и графита. Для осаждения материалов с низкой температурой испарения можно также использовать тигли из тугоплавкого стекла и кварца.
Тигли из окиси алюминия используются для металлов, температура испарения которых ниже 1600о С (Cu, Mn, Fe, Sn); тигли из окиси бериллия могут быть использованы до температуры 1750о С, окиси тория – до 2200о С. При испарении материалов при температурах порядка 2500о С применяются тигли из графита. Однако многие материалы при высоких температурах реагируют с углеродом с образованием карбидов и поэтому не могут быть испарены из таких тиглей (например, Al, Si, Ti). Из графитовых испарителей эффективно испаряются Be, Ag, Sr. Многие окислы активно восстанавливаются углеродом, что дает возможность очищать металлы с помощью графитовых тиглей.
Основное достоинство тигельных испарителей состоит в том, что с их помощью можно осуществлять испарение большого количества веществ. По сравнению с проволочными и ленточными испарителями они являются более инерционными, так как малая теплопроводность материалов не позволяет обеспечить быстрый нагрев испаряемого материала. Кроме того, тигли из окислов не допускают быстрого нагрева ввиду опасности их разрушения тепловым ударом. К недостаткам тигельных испарителей следует также отнести и то, что с их помощью может быть получен только узкий пучок испаряемого вещества.
Для испарения сплавов и веществ сложного состава (например, металлокерамических смесей), которые состоят из компонентов с резко отличными скоростями испарения, применяются поверхностные испарители дискретного действия. испарение применяется для осаждения пленок, соединений, сплавов и смесей, составляющие которых имеют разные давления паров. Температура испарителя выбирается такой, чтобы происходило испарение наименее летучего вещества. Испаряемое вещество в виде гранул загружается в бункер 1 и подается за счет вибраций на транспортер 2. С транспортера вещество попадает на разогретый испаритель 3. Поток испаренного вещества поступает на подложку 4 (рис. 3.10). Температура испарителя должна быть такой, чтобы каждая порция испарялась мгновенно и полностью. Весь процесс испарения разбивается на ряд дискретных испарений. Для взрывного испарения очень важным является выбор оптимальной темпера- туры испарения. При температуре испарителя меньше оптимальной взрывное испарение будет происходить точно так же, как обычное термическое испарение с диссоциацией или разложением, а испарение при температуре больше оптимальной будет сопровождаться появлением в молекулярном потоке испаренного вещества очень крупных частиц, попадающих на подложку что в большинстве случаев недопустимо. Поэтому для реализации взрывного испарения необходимо грамотно выбирать температуру испарения, материал и конструкцию испарителя.
В случае металлов и сплавов непрерывное испарение малых количеств вещества можно производить при подаче проволоки с катушки через направляющую трубку на поверхность нагретого испарителя. Для испарения соединений используются, главным образом, устройства, в которых порошок подается за счет вибрации из бункера.
Широкое распространение получат так называемые автотигельные испарители, в которых капля или ванна расплавленного металла соприкасается с тем же металлом, находящимся в твердом состоянии. Такой способ позволяет получать покрытия высокой частоты.
Для получения покрытий, характеризующихся высокой однородностью структуры и химического состава, испарением порошковых материалов предварительно необходимо провести процессы сепарации и отсева порошка по фракциям, тщательное механическое перемешивание при использовании порошков различного химического состава, дегазацию порошка и отвод выделившихся газов из объема вакуумной камеры.
Методу резистивного испарения присущи недостатки, значительно снижающие область его использования. К числу основных недостатков метода следует отнести отсутствие заметной ионизации паров испаряемого материала, трудности управления основными параметрами потока, высокую инерционность испарителей.