21 Электронно-лучевое нанесение вакуумных покрытий

При электронно-лучевом нанесении вакуумных покрытий нагрев и испарение вещества осуществляются в результате теплового действия электронов, бомбардирующих испаряемую мишень. Данным методом получают покрытия из сплавов металлов, полупроводников и даже диэлектриков. Электронно-лучевое нанесение покрытий характеризуется следующими преимуществами:

1. Возможность получения высоких по плотности потока энергий в электронном пучке j_э ~ 5·10⁸ Вт/см² (для испарения металлов достаточны потоки с энергией в 10³ раз ниже). При этом в зоне действия электронов может развиваться температура ~ 10000 °C, поэтому этим методом осуществляется испарение практически любых, даже очень тугоплавких материалов.

2. Парообразование происходит на поверхности. Это очень важная особенность процесса. При резистивном испарении более высокая температура достигается в зоне контакта расплавленного металла с поверхностью испарителя. При этом образующиеся пары проходят через расплав металла, что вызывает появление в газовом потоке капельной фазы. При электронно-лучевом испарении капельная фаза практически отсутствует.

3. Представляется возможным сканировать поток электронов по поверхности мишени, и, таким образом, при использовании составных тиглей достаточно просто изменять химический состав испаряемых частиц и их пространственное распределение.

4. Возможность автоматизации процесса испарения и, соответственно, нанесения покрытия в целом.

5. Получение химически чистых покрытий, т.к. нагревается только испаряемый материал.

Разработано большое число конструкций электронно-лучевых испарителей, в которых, например, для поворота потока электронов используются внешние магнитные поля. В ряде устройств для нанесения покрытий используются дае и более электронно-лучевых испарителей, что значительно расширяет их возможности, позволяет, в частности, осаждать покрытия сложного состава. Наиболее простая схема такого процесса нанесения покрытий представлены на рисунок 1.

Основным недостатком электронных пушек является то, что для их устойчивой работы необходимо достаточно низкое давление (p<10^-2 Па). В плохом вакууме возможно образование электрических разрядов между электродами, что нарушает стабильность работы пушки. Поэтому, как видно из рисунка 1, каждый электронно-лучевой источник имеет отдельную вакуумную систему откачки.

Характерными основными параметрами электронно-лучевого нанесения покрытий являются:

- ускоряющее напряжение электронно-лучевой пушки до 10 кВ;

- плотность тока j~10⁴…10⁵ Вт/см²;

- скорость испарения 2·10³…2·10^-2 г/см²·с;

- скорость роста покрытий – 10…60 нм/с.

Рисунок 1 – Принципиальная схема про­цесса нанесения покрытий прямым электроннолучевым нагревом при помощи двух пушек: 1 – охлаждаемые тигли; 2 – обра­батываемые изделия; 3 – приспо­собление для крепления изделий; 4 –электроннолучевые пушки; 5 –резистивный нагреватель изделий

Известны электрон­но–лучевые пушки для напыления мощностью до 100 кВт и более. При столкновении электрона с поверхностью испаряемого материала примерно 70…90 % его кинетической энергии в тонком поверхностном слое превра­щается в тепловую, остальная часть расходуется на возбуждение вторичной эмиссии и рентге­новского излучения.

Для характеристики процесса испарения вводят параметр – эффективность процесса испарения или удельная испаряемость β. Это величина численно равна количеству вещества, испаряемого в данных условиях при энергозатратах, равных 1 Дж. Для электронно-лучевого испарителя параметр β=3·10^-6 г/Дж.

Испаренные под действием потока электронов частицы имеют кинетическую энергию порядка 0,1…0,3 эВ (при резистивном испарении эта величина значительно ниже и составляет 0,01…0,001 эВ), что способствует формированию покрытий с более высокими свойствами (адгезией, сплошностью и др.).

Электронно-лучевые методы нанесения покрытий имеют следующие основные недостатки:

- необходимо использование источников высокого напряжения (до 10 кВ), что определяет сложности их эксплуатации;

- относительно невысокий КПД электронно-лучевых устройств. Более 25 % потребляемой мощности идет на вторичное электронное и рентгеновское излучение, нагрев тигля и т.д.;

- в процессе роста покрытия поверхность подложки подвергается воздействию высокоэнергетичных электронов. Эти электроны способны генерировать дефекты в растущей пленке, вызывать ее распыление. При попадании этих электронов на поверхность технологической оснастки возможно дополнительное газовыделение, которое отрицательно сказывается на качестве наносимых покрытий.