Вакуумное напыление
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивное развитие метода испарения и конденсации в вакууме за
последние годы обусловлено универсальностью технологии, высокой
производительностью процесса нанесения покрытий, малой энергоёмкостью и
рядом других преимуществ по сравнению с традиционными методами получения
покрытий различного функционального назначения (гальваническим осаждением,
плакированием, плазменным напылением, катодным распылением). Одно из
основных преимуществ метода испарения и конденсации в вакууме –
экологически чистая технология.
Постоянно возрастающие потребности народного хозяйства и разнообразие
номенклатуры металлизируемой продукции обусловили появление широкого класса
специальных вакуумных установок, предназначенных для решения конкретных
производственных задач – металлизации рулонных и полосовых материалов,
нанесение защитных, износостойких, декоративных покрытий на металлические и
неметаллические материалы, изготовление различных плёночных элементов
электронной техники.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИСПАРЕНИЯ И КОНДЕТСАЦИИ МЕТАЛЛОВ В ВАКУУМЕ.
Процесс получения плёнок и покрытий методом испарения и конденсации в
вакууме состоит из двух этапов: испарения вещества в вакууме и последующей
конденсации паров на подложке. Испарение различных материалов в вакууме, в
том числе и металлов, происходит при нагревании до температуры плавления и
испарения (сублимации) либо при распылении (методы катодного и
магнетронного распыления). Металлы можно нагревать резистивным методом
(испарители прямонакального и косвенного нагрева), электронным лучом,
электрической дугой, токами высокой частоты. Способы нагрева, определяющие
конструкции соответствующих внутрикамерных устройств промышленных вакуумных
установок, детально описаны в инструкции по эксплуатации установок. Большая
часть металлов при нагреве переходит в паровую фазу через жидкое состояние,
т.е. сначала они плавятся, а затем испаряются. Некоторые металлы (Cd, Zn,
Mn и в отдельных случаях чистый Cr) переходят из твёрдого состояния, в
паровую фазу минуя жидкую (сублимируют).
Скорость испарения Vи, кг/(м2с), всех веществ определяется давлением
паров p, Па, при температуре Tи, K, испарения и молекулярной массой M
вещества:
Vи = 0.438(10 –2 p (M/Tи = A1 p (1.1)
Зависимость давления паров от температуры в общем, виде описываются
уравнением
lg p =AT –1 + B lg T + CT + DT 2 + E (1.2)
где А, В, С, D и Е – константы, характерные для данного вещества.
При проведении экспериментов обычно ограничиваются коэффициентами А,
В, и Е. Значение коэффициента В следует учитывать только для Na, K, Rb, Cs,
Zn, Cd и Hg.
Характер распределения испаряемого вещества в пространстве над
испарителем определяется двумя основными параметрами: рабочим давлением в
вакуумной камере: высокий вакуум (( (( d), средний вакуум (( ( d) и
низкий вакуум (( (( d), где ( - длина свободного пути молекул; d –
линейный размер вакуумной камеры. Если давление паров испаряемого вещества
(металла) при температуре Tи не превышает 1.33 Па, то при рабочем давлении
в вакуумной камере порядка 10 –2 Па и менее молекулы и атомы испаряемого
вещества достигают поверхности подложки без столкновений между собой и с
молекулами остаточных газов. В этом случае говорят, что реализуется
молекулярный режим испарения и конденсации, для которого справедливы законы
Ламберта – Кнудсена: распределение в пространстве потока вещества, испарённого с плоской
поверхности, пропорционально cos( (( - угол между направлением
распространением паров и нормалью к поверхности); число частиц, попадающих на поверхность подложки, обратно
пропорционально квадрату расстояния между испарителем и подложкой.
Эти законы являются базовыми при анализе закономерностей формирования
плёнок на поверхностях различной конфигурации.
При анализе процесса формирования покрытий на положках следует
выделить два аспекта – физический и технологический.
Физический аспект отражает закономерности формирования начальных
слоёв покрытия, характер продольной и поперечной структур, рельефа
поверхности и др. Не рассматривая детально теорию зародышеобразования и
основные закономерности начального роста кристаллов, отметим, что процесс
конденсации и структура сформированной плёнки существенно зависят от
кинетических параметров конденсации, температуры и потенциального рельефа
подложки, плотности падающего молекулярного пучка, характера взаимодействия
осаждаемых атомов с подложкой. Из указанных параметров существенным
является температура подложки. Многочисленными исследованиями установлено,
что на нейтральной (неориентированной) подложке молекулярный пучок
конденсируется только в том случае, если температура ниже некоторой
критической Tкр.
Принципиально возможны и реализуются на практике два механизма
конденсации молекулярных пучков испарённых веществ на различных подложках –
ПК(пар – кристалл) и ПЖК(пар – жидкость – кристалл). Если реализуется
механизм ПК, то частицы, конденсирующиеся на начальных стадиях испарения
навески, имеют кристаллическое строение, и в дальнейшем формируется только
кристаллическая плёнка. Механизм ПЖК проявляется в том, что образование
конденсированной фазы на подложке начинается с появления на подложке жидкой
фазы в виде капель, которые длительное время существуют на подложке, после
чего начинается процесс кристаллизации.
Рассмотренные механизмы кристаллизации определяют различные характеры
формирования и роста плёнки из паровой фазы, что в конечном счёте
определяет свойства плёнок. Схематически механизмы конденсации ПК и ПЖК
показаны на рис. 1. Если конденсируемые атомы связаны с собой сильнее, чем
с поверхностью нейтральной подложки, они свободно и достаточно интенсивно
мигрируют с её поверхности. При достаточно высокой плотности потока
испаряемого вещества на поверхности подложки образуются зародыши
кристаллической фазы или жидкой конденсированной фазы, которые сначала
разрастаются сначала в двух (Рис.1, б, стадия 3), я затем и в трёх
направлениях. Если же силы взаимной связи атомов или молекул
конденсирующегося вещества меньше сил их связи с подложкой, резко
возрастает влияние кинетических параметров подложки на процесс формирования
плёнки по механизму ПК. В таблице 1 даны примеры механизмов конденсации
различных металлов на аморфных подложках. Следует отметить, что механизм
конденсации зависит (в первом приближении) от соотношения температур
подложки Tп и температур плавления Tпл конденсирующихся веществ. При
изменении Tп может измениться механизм конденсации. При конденсации
молекулярных пучков сложного состава (например, при нанесении покрытий из
сплавов) механизм конденсации зависит и от состава паровой фазы.
Приведённые в таблице 1 данные установлены для случая формирования плёнок
«докритической» толщины, т.е. до момента образования сплошного слоя. После
завершения формирования сплошного слоя закономерности дальнейшего роста
плёнки определяются не непосредственно механизмом конденсации материала, а
в основном структурой первично сформированных слоёв.
Технологический аспект процесса конденсации отражает характер
распределения толщины плёнки вдоль поверхности подложки и рассматривает
влияние геометрических параметров испарения (размеров и формы испарителей и
подложки, их взаимного расположения) и режима металлизации на равномерность
толщины покрытия.
Таблица 1
|Испаряемое вещество |Температура подложки|Характерный механизм |
| | |конденсации |
| | |ПК |
|Bi, Sn, Pb, Au, Cu, Ag,|Tn