Регион:

Термическое вакуумное напыление


Основными элементами установки вакуумного напыления, упрощенная схема которой представлена на рис. 3.17, являются: вакуумная камера, блок размещения детали с нагревательными элементами и блок испарителя, как источник атомов осаждаемого вещества.

Процесс напыления начинается с установки на держатель деталей, подвергаемых напылению. Затем опускается вакуумный колпак и включается система вакуумных насосов (вначале для создания предварительного разрежения, а затем и высоковакуумные). Для ускорения десорбции воздуха с внутренних поверхностей колпака и сокращения времени откачки в трубопровод для нагрева колпака подают горячую проточную воду. При достижении давления внутри камеры от 1 до 100 Па включаются нагреватели испарителя и детали. Когда нагрев испаряемого вещества и поверхности детали становится равен диапазону рабочих температур, заслонку 2 отводят в сторону и пары вещества нагреваются и перемещаются к поверхности детали, где происходит их конденсация и последующий рост плёнки.

Схема установки вакуумного напыления

Рис. 3.17. Схема установки вакуумного напыления:
1 - вакуумный колпак из нержавеющей стали; 2 - заслонка; 3 - трубопровод для водяного нагрева или охлаждения колпака; 4 - игольчатый натекатель для подачи атмосферного воздуха в камеру; 5 - нагреватель детали; 6 - держатель с деталью, на которой может быть размещен трафарет; 7 - герметизирующая прокладка из вакуумной резины; 8 - испаритель с размещённым в нём веществом и нагревателем (резистивным или электронно-лучевым).

Система автоматического контроля за ростом плёнки фиксирует либо толщину плёнки (для диэлектрика плёночных конденсаторов), либо поверхностное сопротивление (для резисторов), либо время напыления (проводники и контакты, защитные покрытия). Вырабатываемый при этом сигнал об окончании напыления после усиления воздействует на соленоид заслонки, перекрывая ею поток пара. Далее отключают нагреватели испарителя и детали, выключают систему откачки, а в трубопровод подают холодную проточную воду для охлаждения колпака. После остывания подколпачных устройств через натекатель плавно впускается атмосферный воздух. Выравнивание давлений внутри и вне колпака даёт возможность поднять его и начать следующий цикл обработки.

Расстояние между испарителем и поверхностью

На качество формирования напыленного покрытия значительное влияние оказывает расстояние между испарителем и поверхностью детали (дистанция распыления), которое может изменяться от 20 до 500 мм. В зависимости от требуемой скорости осаждения покрытия дистанция распыления определяется следующим образом:

  • для точечного источника распыления (S << L):

Формула дистанции распыления

  • для плоского источника распыления:

Формула дистанции распыления на плоскость

где v - скорость распыления (испарения); S - площадь распыления; а - угол между направлением потока частиц и нормалью к поверхности напыления; Q - угол между направлением потока частиц и нормалью к поверхности распыления.

Стадии и испаряемые вещества

Процесс термического вакуумного напыления складывается из трех стадий:

  1. переход напыляемого материала из твердой или жидкой фазы в газообразную (парофазовую);
  2. формирование потока атомов и их перенос к поверхности изделия;
  3. конденсация паров на поверхности изделия и формирование покрытия.

Протекание этих трех стадий зависит от температуры на испарителе Тисп, давления воздуха в рабочей камере р, температуры нагрева детали Тн.

Температура нагрева вещества в испарителе должна обеспечивать достаточно высокую интенсивность испарения, чтобы время напыления пленки не превышало 1-2 мин. В то же время чрезмерно высокая интенсивность испарения приводит к образованию мелкозернистой неустойчивой структуры в плёнке. Интенсивность испарения удобно характеризовать упругостью пара (давлением пара в состоянии насыщения) PS для данного вещества зависит только от температуры:

Формула упругости пара

где А и В - коэффициенты, характеризующие род материала (табл. 3.8); Тисп - температура испарения вещества, °К.

Оптимальная интенсивностью испарения достигается при упругости пара приблизительно 1,3 Па. Соответствующая этой упругости температура испарения называется условной и может быть вычислена из формулы, представленной выше. Так, для алюминия она равна 1150 °С, для хрома - 1205 °С, для меди - 1273 °С, для золота - 1465 °С и т.д. Для большинства практически наносимых металлов эта температура составляет 1000-2000 °С.

Таблица 3.8. Температуры плавления и испарения некоторых элементов.

Для нагрева распыляемого материала используют различные источники теплоты: резистивный, индукционный, дуговой, электронный или световой луч. Соответственно этому различаются технологии термического напыления. Вместе с тем, вне зависимо от способа ипарения необходим испаритель, назначение которого удерживать расплавленный материал при температуре достаточной для получения заданного давления паров (1-100 Па).

Элемент

Температура, °С

Коэффициенты

Рекомендуемые материалы испарителя

Плавления

Испарения

A

B

Проволока, лента

Тигель

Ag

961

1047

11,40

14 850

Mo, Ta

Mo, C

Al

660

1150

11,11

15 630

W

C, BN, TiB2-BN

Au

1063

1465

10,77

18 250

W, Mo

Mo, C

Cr

1800

1205

12,00

17 560

W, Ta

-

Cu

1083

1273

10,84

16 580

W, Mo, Ta

Mo, C, Al2O3

Mo

2622

2533

10,92

30 310

-

-

Ni

1455

1510

12,40

21 840

W

Окислы

Pd

1555

1566

10,58

19 230

W

Al2O3

Pt

1774

2090

11,75

27 500

W

ThO2, ZrO2

Ta

2996

3070

12,12

40 210

-

-

Ti

1725

1546

10,37

18 640

W, Ta

C, ThO2

W

3382

3309

11,36

40 260

-

-

*Рекомендуется испарение электронно-лучевым нагревом ионной или распыление бомбардировкой.

Резистивный нагрев распыляемого материала осуществляют джоулевым теплом. Наиболее чистый поток пара обеспечивает при отсутствии контакта расплавленного металла с испарителем. Такой бесконтактный нагрев возможен при использовании в качестве резистивных испарителей проволок и лент (рис. 3.18).

Способы резистивного бесконтактного нагрева распыляемого материала

Рис. 3.18. Способы резистивного бесконтактного нагрева распыляемого материала:
а - проволочный; б - ленточный.

При контактном нагреве передача теплоты от резистора к распыляемому материалу осуществляется через стенку тигля (лодочки) (рис. 3.19).

К материалам, используемым для изготовления испарителей (тиглей), предъявляется ряд требований:

  • давление пара материала испарителя при температуре процесса должно быть пренебрежимо мало;
  • материал испарителя должен хорошо смачиваться распыляемым материалом для обеспечения между ними хорошего теплового контакта;
  • распыляемый материал не должен образовывать с материалом резистора или тигля различного рода соединений, приводящих к загрязнению покрытия и разрушению испарителя.

Основной недостаток испарителей с резистивным нагревом заключается в ограничении максимальной температуры испарения до 1500 °С. Кроме того, эти способы нагрева энергоемки, отличаются низкой удельной мощностью и малопроизводительны.

При использовании высокочастотного индукционного нагрева при напылении покрытий термическим испарением тигель с распыляемым материалом устанавливают на теплоизоляционной подставке (рис. 3.20).

Нагрев и расплавление материала в тигле осуществляется высокочастотным индуктором. Время нагрева невелико и составляет, в зависимости от массы материала и мощности высокочастотного генератора, от нескольких секунд до долей секунд. При испарении материала образуется поток пара, направленный к поверхности напыляемого изделия.

Нагрев испаряемого материала в тигле

Рис. 3.19. Нагрев испаряемого материала в тигле.

Распыление из тигля с индукционным нагревом

Рис. 3.20. Распыление из тигля с индукционным нагревом.

К материалам для изготовления тиглей при индукционном нагреве предъявляются те же требования, что и при резистивном контактном нагреве. Часто, например, используют тигли, изготовленные из порошковой смеси нитрида бора и диборида титана. По сравнению с резистивным нагревом индукционный высокочастотный нагрев является значительно более эффективным. Коэффициент использования энергии существенно повышается. Недостатком способа вакуумного конденсационного напыления с индукционным нагревом распыляемого материала является достаточно высокая сложность оборудования и стоимость.

Электроннолучевой нагрев

Электроннолучевой нагрев при вакуумном конденсационном напылении покрытий получил наибольшее распространение. Известно много различных схем испарителей и установок для вакуумного конденсационного напыления с применением электроннолучевого нагрева. На рис. 3.21 приведены наиболее часто встречающиеся схемы электроннолучевого нагрева.

К катоду и аноду электронной пушки от источника питания подводится высоковольтное напряжение. В зависимости от типа пушки оно составляет 5-60 кВ. Термокатод (прямонакальный или косвенно-накальный) в процессе термоэлектронной эмиссии испускает электроны, которые и ускоряются в направлении водоохлаждаемого анода. Отклоняющие и фокусирующие электромагнитные системы (катушки) направляют сформированный луч на испаряемый материал в виде стержня или водоохлаждаемого тигля. Электроны под действием электрического поля ускоряются и приобретают значительную кинетическую энергию. Так, например, проходя через поле с напряжением в 1 В, скорость движения электронов составляет 595 м/с.

Схемы электроннолучевых испарителей для вакуумного контактного испарителя

Рис. 3.21. Схемы электроннолучевых испарителей для вакуумного контактного испарителя:
а - с независимыми вакуумными системами рабочей камеры и камеры электронной пушки; б - с совмещенной вакуумной системой. 1 - рабочая камера; 2 - камера электронной пушки; 3 - электронная пушка; 4 - электронный луч; 5 - водоохлаждаемый тигель.

Электроны, движущиеся с большой скоростью, сталкиваются с поверхностью распыляемого материала, происходит его электронная бомбардировка. Основная часть кинетической энергии электронов выделяется в виде теплоты и затрачивается на испарение материала. Однако значительная ее часть теряется на образование вторичных электронов (15-30 %) и рентгеновское излучение (около 0,1 %). Энергия отраженных электронов расходуется на нагрев стенок камеры, напыляемого изделия, механизмов, размещенных в камере.

Необходимо учитывать ряд особенностей испарения, характерных при нагреве материала электронным лучом. Электроны в момент соударения с поверхностью испаряемого материала не останавливаются полностью, а некоторое время продолжают свое движение в поверхностном слои и тормозятся на глубине 1-2 мкм (при рабочем напряжении - 15-20 кВ). Основное торможение происходит в конце пробега. В результате теплота выделяется не на поверхности, а в объеме тонкого поверхностного слоя. Это обусловливает высокую эффективность электроннолучевых испарителей, особенно при максимальных степенях фокусировки электронного луча.

Наиболее значимым параметром процесса при электроннолучевом напылении покрытий является мощность луча. Как и при других способах напыления покрытий термическим испарением энергия испаряемых атомов в потоке пара невелика и составляет 0,2-0,3 эВ; степень ионизации частиц 0,05-0,1 %. Однако для этого способа характерна высокая плотность парового потока, что обеспечивает высокую производительность процесса термического осаждения. Недостатки заключаются в повышенной сложности установок при их изготовлении и эксплуатации; наличие жесткого излучения при высоких ускоряющих напряжениях. Способ электроннолучевого напыления особенно целесообразен при нанесении покрытий на большие поверхности, например, на ленту в установках непрерывного действия и другие изделия.

Давление газовой среды

Давление газовой среды в вакуумной камере также является одним из важнейших параметров процесса термического осаждения. Обеспечение низкого давления (р) в рабочей камере необходимо для свободной диффузии атомов испаряемого вещества и их прямолинейного движения к поверхности детали без столкновения с молекулами остаточного воздуха, приводящего к бесполезному рассеиванию материала в объёме камеры. Кроме того, напыляемые материалы представляют собой, как правило, химически активные вещества, поэтому необходимо исключить их химическое взаимодействие с молекулами воздуха. Наиболее высокое давление пара достигается вблизи поверхности распылителя и может составлять от 1 до 100 Па. По мере удаления от него давление снижается, что создает условия для перемещения атомов вещества в направлении напыляемого изделия, где давление паров минимально.

Перечисленные условия обеспечиваются при остаточном давлении р в диапазоне от 10-4 до 0,1 Па. Такой вакуум создается с помощью форвакуумного механического и высоковакуумного диффузионного насосов, включённых последовательно. Максимальная степень разряжения облегчает процесс переноса частиц. Так, например, при давлении около 10-4 Па длина свободного пробега атома металла составляет 1000 мм, а при 0,1 Па - 10 мм. Поэтому давление в камере выбирают от 10-2 Па и ниже. При более высоких давлениях к тому же снижается скорость испарения.

Температура поверхности детали

Температура поверхности детали в процессе осаждения оказывает существенное влияние на структуру плёнки, а следовательно, и на стабильность её электрофизических свойств в процессе эксплуатации. Атомы напыляемого материала поступают на поверхность детали с энергией равной Е = к-Т (где к = = 8,63-10-5 эВ/К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура) и скоростями порядка 1000 м/с. Часть энергии при этом передаётся поверхностным атомам детали, а остаточная энергия позволяет им некоторое время мигрировать в поверхностном потенциальном поле. Доля остаточной энергии тем выше, чем выше температура подложки. В процессе миграции атом может либо покинуть подложку, либо частично погасить энергию, вступив во взаимодействие с другим мигрирующим атомом. Полностью потерять способность мигрировать и закрепиться на нагретой подложке (конденсироваться) может лишь многоатомная группа, которая становится одним из центров кристаллизации. При невысокой плотности потока испаряемых атомов, т.е. умеренной температуре на испарителе, число центров кристаллизации на единицу площади невелико и к моменту образования сплошной плёнки вокруг них успевают вырасти крупные кристаллы.

Снижение температуры поверхности детали и повышение плотности потока приводит к более раннему образованию центров кристаллизации, увеличению их числа на единицу площади и формированию мелкокристаллической структуры. В процессе эксплуатации электронной аппаратуры, когда она подвергается периодическим циклам нагрева и медленного охлаждения мелкокристаллическая структура постепенно рекристаллизуется в крупнокристаллическую. Электрофизические свойства при этом необратимо изменяются, происходит «старение» плёнки. В резистивных плёнках, например, наблюдается со временем уменьшение удельного сопротивления.

Строение толстых покрытий (толщина свыше 1 мкм) также в значительной степени зависит от температуры нагрева напыляемого изделия. При температуре напыляемой поверхности, начиная от температуры окружающей атмосферы до граничной температуры примерно равной 0,3 от температуры плавления распыляемого материала, в покрытии формируется специфическое куполообразное строение кристаллитов (рис. 3.22, а).

В среднетемпературной зоне в интервале температур от 0,3 до 0,5 Гид в покрытии формируется ярко выраженное столбчатое строение (рис. 3.22, б) Причем с увеличением температуры ширина столбчатых кристаллов возрастает. В высокотемпературной зоне, при температуре напыляемой поверхности выше 0,5 от Гпл в покрытии формируется преимущественно равноосная структура (рис. 3.22, в). С ростом температуры нагрева поверхности детали твердость и прочность получаемых покрытий снижаются, а пластичность повышается.

Следует учитывать, что при температуре поверхности напыления выше 0,5 Гпл в покрытии происходят процессы объемной рекристаллизации, приводящие к росту зерна. Изменяя температуру поверхности напыления, и, собственно, структуру покрытий, можно в широких пределах регулировать их механические свойства.

Схема распределения структурных зон в напыленном покрытии в зависимости от температуры напыляемого изделия

Рис. 3.22. Схема распределения структурных зон в напыленном покрытии в зависимости от температуры напыляемого изделия.

Наряду с особенностями формирования напыленных слоев температура поверхности детали оказывает значительное влияние на прочность сцепления слоя с основой. Невысокие температуры нагрева (до 0,3 Гпл) способствуют формированию на поверхности изделий слабо сцепленных покрытий с низкой когезионной прочностью. В табл. 3.9 приведены минимальные значения температур напыляемых изделий для различных сочетаний материалов покрытия и изделия.

Характеристики

Таким образом, представленные выше параметры процесса термического осаждения обеспечивают создание потока частиц со следующими характеристиками:

  • плотность потока 1016-1022 частиц/(см2 *с);
  • средняя кинетическая энергия 0,2-0,5 эВ;
  • степень ионизации 0,01-1,2 %.

Высокая плотность потока частиц обеспечивает повышенную производительность процесса. Скорость роста покрытий достигает 1 мкм/мин и выше.

В первом приближении поток атомов от испарителя к подложке представляет собой расходящийся пучок и поэтому плотность потока в плоскости подложки неравномерна: в центре подложки она максимальна и убывает от центра к периферии. Это означает, что при напылении плёнки на неподвижную подложку в центральной области подложки образуется более толстая плёнка, нежели на краях подложки. Для предотвращения этого установки термовакуумного напыления снабжены вращающимися устройствами (дисками, барабанами), несущими несколько деталей (6, 8 или 12). Детали последовательно и многократно проходят над неподвижным испарителем (рис. 3.23), постепенно набирая необходимую толщину плёнки.

Таблица 3.9. Температуры нагрева для различных сочетаний материалов изделия и покрытия.

Материал покрытия

Материал изделия

Ti

Cu

Mo

Fe

Nb

Ni

Молибден

650

500

750

350

400

400

Хром

650

450

700

600

-

400

Медь

-

-

400

450

400

350

Никель

-

350

500

350

-

-

Схема установки термовакуумного напыления карусельного типа

Рис. 3.23. Схема установки термовакуумного напыления карусельного типа:
1 - испаритель; 2 - корректирующая диафрагма; 3 - подложкодержатель с деталью; 4 - диск карусели; 5 - нагреватель детали.

В результате более толстый слой пленки, формирующийся в центре на неподвижной детали, размывается в направлении ее движения. Для выравнивания толщины плёнки в поперечном направлении применяют корректирующую диафрагму, устанавливаемую между испарителем и деталью в непосредственной близости от нее. Профиль диафрагмы рассчитывается на основании исследования рельефов плёнки, получаемых при напылении на неподвижную и движущуюся деталь. В результате различия времени облучения центральной и периферийной зон подложки равномерность толщины плёнки на всей площади групповой подложки повышается и находится в пределах ±2 % (для подложек 60x48 мм). Термическое вакуумное напыление имеет ряд недостатков и ограничений, главные из которых следующие:

  • напыление плёнок из тугоплавких материалов (W, Mo, SiO2, Аl2О3 и др.) требует высоких температур на испарителе, при которых неизбежно «загрязнение» потока материалом испарителя;
  • при напылении сплавов различие в скорости испарения отдельных компонентов приводит к изменению состава плёнки по сравнению с исходным составом материала, помещённого в испаритель.

Большинство способов напыления покрытий посредством термического испарения распыляемого материала не обеспечивает получение в потоке пара частиц с высокими значениями энергии. Это отрицательно влияет на качество покрытия. Возможности способов напыления покрытий термическим испарением существенно возрастают при ионизации парового потока.

Напыление с использованием потока ионизированных частиц можно проводить с использованием постоянного дугового разряда в парах испаряемого материала и тлеющего разряд в разряженной газовой атмосфере (распыление ионной бомбардировкой).

comments powered by HyperComments