Принцип вакуумного напыления
1、Оборудование и физический процесс вакуумного напыления
Оборудование для вакуумного напыления в основном состоит из вакуумной камеры и системы вакуумирования.Внутри вакуумной камеры находятся источник испарения (т.е. испарительный нагреватель), подложка и каркас подложки, нагреватель подложки, вытяжная система и т. д.
Материал покрытия помещается в источник испарения вакуумной камеры и в условиях высокого вакуума нагревается источником испарения для испарения.Когда средний свободный пробег молекул пара больше линейного размера вакуумной камеры, после выхода атомов и молекул паров пленки с поверхности источника испарения редко препятствуют столкновения с другими молекулами или атомами, и непосредственно достигают поверхности подложки, подлежащей покрытию.Из-за низкой температуры подложки частицы паров пленки конденсируются на ней и образуют пленку.
Чтобы улучшить адгезию испаряемых молекул и подложки, подложку можно активировать путем надлежащего нагревания или ионной очистки.Вакуумно-напыляемое покрытие проходит следующие физические процессы от испарения материала, транспортировки до осаждения в пленку.
(1) Используя различные способы преобразования других форм энергии в тепловую, материал пленки нагревают для испарения или сублимации в газообразные частицы (атомы, молекулы или атомные кластеры) с определенной энергией (от 0,1 до 0,3 эВ).
(2) Газовые частицы покидают поверхность пленки и транспортируются к поверхности подложки с определенной скоростью движения, практически без столкновений, по прямой.
(3) Газообразные частицы, достигающие поверхности подложки, сливаются и зарождаются, а затем вырастают в твердофазную пленку.
(4) Реорганизация или химическая связь атомов, составляющих пленку.
2, испарительный нагрев
(1) Испарение при нагревании сопротивлением
Испарение при нагревании сопротивлением является самым простым и наиболее часто используемым методом нагрева, обычно применимым к материалам покрытия с температурой плавления ниже 1500 ℃, металлам с высокой температурой плавления в форме проволоки или листа (W, Mo, Ti, Ta, нитрид бора и т. д.). обычно изготавливается в подходящей форме источника испарения, загруженного испаряемыми материалами, за счет джоулевой теплоты электрического тока для плавления, испарения или сублимации материала покрытия, форма источника испарения в основном включает многожильные спирали, U-образную форму, синусоидальную волну , тонкая пластина, лодка, коническая корзина и т. д. В то же время метод требует, чтобы исходный материал испарения имел высокую температуру плавления, низкое давление пара насыщения, стабильные химические свойства, не вступал в химическую реакцию с материалом покрытия при высокой температуре, хорошая термостойкость, небольшое изменение удельной мощности и т. д. Он принимает сильный ток через источник испарения, чтобы он нагревал и испарял пленочный материал путем прямого нагрева, или помещал пленочный материал в тигель, изготовленный из графита и некоторых высокотемпературных устойчивых оксиды металлов (такие как A202, B0) и другие материалы для непрямого нагрева для испарения.
Испарительное покрытие сопротивления нагреву имеет ограничения: тугоплавкие металлы имеют низкое давление паров, что затрудняет получение тонкой пленки;некоторые элементы легко образуют сплав с нагревательной проволокой;получить однородный состав пленки сплава непросто.Из-за простой конструкции, низкой цены и простоты использования метода испарения с нагреванием сопротивлением, это очень распространенное применение метода испарения.
(2) Испарение при нагреве электронным лучом
Электронно-лучевое испарение — это метод испарения материала покрытия путем его бомбардировки электронным пучком высокой плотности энергии путем помещения его в медный тигель с водяным охлаждением.Источник испарения состоит из источника эмиссии электронов, источника энергии ускорения электронов, тигля (обычно медного тигля), катушки магнитного поля, комплекта охлаждающей воды и т. д. В этом устройстве нагретый материал помещается в водяную баню. -охлаждаемый тигель, и электронный пучок бомбардирует лишь очень небольшую часть материала, в то время как большая часть остального материала остается при очень низкой температуре под действием охлаждающего действия тигля, который можно рассматривать как бомбардируемую часть тигля.Таким образом, метод электронно-лучевого нагрева для испарения позволяет избежать загрязнения между материалом покрытия и материалом источника испарения.
Структуру электронно-лучевого источника испарения можно разделить на три типа: прямые пушки (пушки Буля), кольцевые пушки (электрически отклоняемые) и электронные пушки (магнитно отклоняемые).Один или несколько тиглей можно поместить в испарительную установку, которая может испарять и осаждать множество различных веществ одновременно или по отдельности.
Источники электронно-лучевого испарения обладают следующими преимуществами.
① Высокая плотность луча источника испарения с бомбардировкой электронным лучом может обеспечить гораздо большую плотность энергии, чем источник нагрева сопротивления, который может испарять материалы с высокой температурой плавления, такие как W, Mo, Al2O3 и т. д..
②Материал покрытия помещается в медный тигель с водяным охлаждением, что позволяет избежать испарения исходного материала испарения и реакции между ними.
③Тепло может быть добавлено непосредственно к поверхности материала покрытия, что делает тепловую эффективность высокой, а потери теплопроводности и теплового излучения низкими.
Недостатком метода электронно-лучевого нагревательного испарения является то, что первичные электроны из электронной пушки и вторичные электроны с поверхности материала покрытия ионизируют испаряющиеся атомы и молекулы остаточного газа, что иногда влияет на качество пленки.
(3) Испарение с высокочастотным индукционным нагревом
Испарение высокочастотным индукционным нагревом заключается в размещении тигля с материалом покрытия в центре высокочастотной спиральной катушки, так что материал покрытия генерирует сильный вихревой ток и эффект гистерезиса при индукции высокочастотного электромагнитного поля, что вызывает пленочный слой нагревать до тех пор, пока он не испарится и не испарится.Источник испарения обычно состоит из охлаждаемой водой высокочастотной катушки и графитового или керамического (оксид магния, оксид алюминия, оксид бора и т. д.) тигля.В высокочастотном источнике питания используется частота от десяти тысяч до нескольких сотен тысяч Гц, входная мощность составляет от нескольких до нескольких сотен киловатт, чем меньше объем материала мембраны, тем выше частота индукции.Индукционная катушка частоты обычно изготавливается из медной трубки с водяным охлаждением.
Недостатком метода высокочастотного индукционного нагрева является то, что трудно точно отрегулировать входную мощность, он имеет следующие преимущества.
①Высокая скорость испарения
② Температура источника испарения однородна и стабильна, поэтому не легко получить явление разбрызгивания капель покрытия, а также можно избежать явления точечных отверстий на осажденной пленке.
③Источник испарения загружается один раз, а температуру относительно легко и просто контролировать.
Время публикации: 28 октября 2022 г.