Принцип нанесення покриття вакуумним напиленням
1、Обладнання та фізичний процес нанесення покриття вакуумним випаровуванням
Обладнання для нанесення покриття вакуумним випаровуванням в основному складається з вакуумної камери та системи евакуації.Усередині вакуумної камери є джерело випаровування (тобто випарний нагрівач), підкладка та каркас підкладки, нагрівач підкладки, вихлопна система тощо.
Матеріал покриття поміщають у джерело випаровування вакуумної камери, і в умовах високого вакууму він нагрівається джерелом випаровування для випаровування.Коли середній вільний діапазон молекул пари більший, ніж лінійний розмір вакуумної камери, після того, як атоми та молекули плівкової пари вийшли з поверхні джерела випаровування, рідко перешкоджають зіткненню інших молекул або атомів, і безпосередньо досягають поверхні підкладки, що покривається.Завдяки низькій температурі підкладки частинки плівкової пари конденсуються на ній і утворюють плівку.
Щоб покращити адгезію молекул випаровування до субстрату, субстрат можна активувати належним нагріванням або іонним очищенням.Покриття вакуумним випаровуванням проходить наступні фізичні процеси від випаровування матеріалу, транспортування до осадження на плівку.
(1) Використовуючи різні способи перетворення інших форм енергії в теплову енергію, матеріал плівки нагрівається для випаровування або сублімації в газоподібні частинки (атоми, молекули або атомні кластери) з певною кількістю енергії (від 0,1 до 0,3 еВ).
(2) Газоподібні частинки залишають поверхню плівки та транспортуються до поверхні підкладки з певною швидкістю руху, по суті без зіткнення, по прямій лінії.
(3) Газоподібні частинки, що досягають поверхні підкладки, зливаються і утворюють зародки, а потім переростають у твердофазну плівку.
(4) Реорганізація або хімічне зв’язування атомів, які утворюють плівку.
2、Нагрівання випаровуванням
(1) Резистивне нагрівання випаровування
Резистивне нагрівання випаровування є найпростішим і найбільш часто використовуваним методом нагрівання, який зазвичай застосовується до матеріалів для покриття з температурою плавлення нижче 1500 ℃, метали з високою температурою плавлення у формі дроту або листа (W, Mo, Ti, Ta, нітрид бору тощо) Як правило, створюють відповідну форму джерела випаровування, завантаженого матеріалами для випаровування, через джоулеву теплоту електричного струму для плавлення, випаровування або сублімації матеріалу покриття, форма джерела випаровування в основному включає багатожильну спіраль, U-подібну форму, синусоїду , тонка пластина, човен, конусний кошик тощо. У той же час метод вимагає, щоб вихідний матеріал випаровування мав високу температуру плавлення, низький тиск насиченої пари, стабільні хімічні властивості, не мав хімічної реакції з матеріалом покриття при високій температурі, хороша термостійкість, невелика зміна щільності потужності тощо. Він приймає високий струм через джерело випаровування, щоб нагріти та випарувати матеріал плівки шляхом прямого нагрівання, або помістити матеріал плівки в тигель, виготовлений із графіту та певної стійкості до високих температур оксиди металів (такі як A202, B0) та інші матеріали для непрямого нагрівання для випаровування.
Опір нагріву випаровування покриття має обмеження: тугоплавкі метали мають низький тиск пари, що важко зробити тонку плівку;деякі елементи легко сплавити з нагрівальним дротом;непросто отримати однорідний склад плівки сплаву.Завдяки простій структурі, низькій ціні та легкому управлінню методом випаровування резистивним нагріванням це дуже поширене застосування методу випаровування.
(2) Електронно-променеве нагрівання випаровування
Електронно-променеве випаровування — це метод випаровування матеріалу покриття шляхом бомбардування його пучком електронів високої щільності шляхом розміщення в охолоджуваному водою мідному тиглі.Джерело випаровування складається з джерела електронної емісії, джерела прискорення електронів, тигля (зазвичай мідного тигля), котушки магнітного поля, набору охолоджувальної води тощо. У цьому пристрої нагрітий матеріал поміщається у воду -охолоджуваний тигель, і промінь електронів бомбардує лише дуже невелику частину матеріалу, тоді як більша частина решти матеріалу залишається при дуже низькій температурі під дією охолодження тигля, що можна розглядати як бомбардовану частину тигля.Таким чином, метод електронно-променевого нагріву для випаровування може уникнути забруднення між матеріалом покриття та вихідним матеріалом випаровування.
Структуру джерела електронно-променевого випаровування можна розділити на три типи: прямі гармати (гармати Буля), кільцеві гармати (з електричним відхиленням) та електронні гармати (з магнітним відхиленням).Один або декілька тиглів можна розмістити у випарній установці, яка може випаровувати та осаджувати багато різних речовин одночасно або окремо.
Електронно-променеві випарні джерела мають такі переваги.
①Висока щільність пучка джерела випаровування з бомбардуванням електронним променем може отримати набагато більшу щільність енергії, ніж джерело резистивного нагріву, яке може випаровувати матеріали з високою температурою плавлення, такі як W, Mo, Al2O3 тощо.
②Матеріал покриття поміщають у охолоджуваний водою мідний тигель, який може уникнути випаровування вихідного матеріалу випаровування та реакції між ними.
③Тепло може бути додано безпосередньо до поверхні матеріалу покриття, що робить теплову ефективність високою та низьку втрату теплопровідності та теплового випромінювання.
Недоліком методу випаровування з нагріванням електронним променем є те, що первинні електрони з електронної гармати та вторинні електрони з поверхні матеріалу покриття іонізують атоми, що випаровуються, і молекули залишкового газу, що іноді впливає на якість плівки.
(3) Високочастотне випаровування з індукційним нагріванням
Високочастотне випаровування з індукційним нагріванням полягає в розміщенні тигля з матеріалом покриття в центрі високочастотної спіральної котушки, щоб матеріал покриття генерував сильний вихровий струм і ефект гістерезису під індукцією високочастотного електромагнітного поля, що спричиняє плівковий шар нагрівати, поки він не випарується і не випарується.Джерело випаровування зазвичай складається з водоохолоджуваної високочастотної котушки та графітового або керамічного (оксид магнію, оксид алюмінію, оксид бору тощо) тигля.Джерело живлення високої частоти використовує частоту від десяти тисяч до кількох сотень тисяч Гц, вхідна потужність становить від кількох до кількох сотень кіловат, чим менший об’єм матеріалу мембрани, тим вища частота індукції.Індукційна котушка частоти зазвичай виготовляється з мідної трубки з водяним охолодженням.
Недоліком методу випаровування з індукційним нагріванням високої частоти є те, що непросто точно відрегулювати вхідну потужність, він має наступні переваги.
①Висока швидкість випаровування
②Температура джерела випаровування є рівномірною та стабільною, тому нелегко створити явище розбризкування крапель покриття, а також можна уникнути явища точкових отворів на нанесеній плівці.
③Джерело випаровування завантажується один раз, і температуру відносно легко та просто контролювати.
Час публікації: 28 жовтня 2022 р