Физические основы нанесения покрытий методом распыления (стр. 4 из 6)
Ионный ток в цепи анод – катод образуется ионами металла и ионами остаточных газов, находящихся в камере. Для разделения ионов используется механический дискриминатор, который представляет собой диск, содержащий отверстия. При вращении дискриминатора в зону ионизации поступает поток атомов, плотность которого периодически изменяется, и в измерительной цепи возникает переменный ток, амплитуда которого пропорциональна плотности направленного потока атомов анализируемого вещества.
Использование эффекта резонанса кварцевых кристаллов.
Монокристаллы кварца, вырезанные определенным образом, имеют резонансную частоту колебаний, изменение которой Df зависит от изменения массы кристалла Dm
,где b – коэффициент пропорциональности.
Если на поверхность такого кристалла осаждать покрытие, то его толщину легко определить, измеряя изменение резонансной частоты. Приборы, принцип действия которых основан на данном эффекте, имеют высокую точность, просты при эксплуатации, Однако если в камере возникают электрические разряды, то из-за наводок измерения с помощью таких датчиков проводить нельзя.
В основе практически всех методов контроля толщины и скорости роста покрытий лежат установленные предварительно размерные зависимости физико-механических свойств. Отметим, что описанные выше методы ионизации испаренных атомов и контроля резонансной частоты можно рассматривать как методы контроля толщины и скорости роста слоев непосредственно в процессе осаждения. Кроме этих на практике широко используются следующие методы контроля толщины и скорости роста уже осажденных покрытий:
1. Оптические методы. Контроль относительно тонких, прозрачных для излучения покрытий производится путем регистрации интерференционных эффектов при взаимодействии светового потока с тонкопленочной системой. Если же покрытие достаточно толстое, то его толщину определяют путем измерения поглощения света на основании закона Буггера-Ламберта. При измерении толщины непрозрачных (металлических) покрытий регистрируют параметры интерференции на границе слоя, «ступеньке», формируемой путем экранирования части поверхности подложки.
2. Методы механического взвешивания. Заключаются во взвешивании подложки в процессе нанесения покрытия либо до и после напыления. Метод реализуется с помощью различных устройств, среди которых микровесы, регистрирующие удлинение кварцевой нити, закручивание нити или отклонение рычага от равновесия. Метод используется для определения толщины достаточно толстых покрытий.
3. Метод измерения электрофизических свойств покрытий. В качестве характерных электрофизических параметров покрытий используют их электрическое сопротивление, емкость. Если покрытие диспергированное, то оценка его толщины может быть произведена на основании установленной предварительно размерной зависимости электронной эмиссии.
В ряде случаев толщина покрытия и скорость его нанесения определяется расчетными методами. При этом учитывается, что толщина покрытия, осаждаемого на подложке, зависит от геометрической формы поверхностей испарения и подложки, их взаимного расположения.
Расчет толщины покрытия производят при условии выполнения законов Кнудсена (см. п. 7.1.1), которые являются аналогами законов рассеяния света (законов Ламберта). Эти законы справедливы, если вакуум достаточно высокий и длина свободного пробега
(d – характерный размер вакуумной камеры), при этом интенсивность атомного пучка относительно низка (взаимным рассеянием атомов в потоке можно пренебречь).Расчеты толщины осаждаемого покрытия проводят, как правило, при допущении, что коэффициент конденсации постоянен и примерно равен единице.
В зависимости от формы рабочей поверхности все испарители можно условно разделить на точечные, плоские, цилиндрические. Любую поверхность испарителя можно рассматривать как совокупность точечных и плоских элементарных источников испарения.
Характерная особенность точечных испарителей заключается в том, что они испускают атомы одинаково по всем направлениям.
Пусть мы имеем площадку dS, расположенную под углом Θ к направлению распространения испаренных атомов (рисунок 11) и находящуюся от точечного испарителя на расстоянии r.
Рисунок 11 – Нанесение покрытия из точечного испарителя: 1– точечный испаритель; 2– элемент поверхности подложки
Массовую скорость испарения из точечного испарителя v, кг/с будем считать постоянной в течение всего процесса осаждения покрытия. На поверхность dS будут осаждаться все атомы, испаренные в телесном угле dω. Испаряющееся в единицу времени в этом телесном угле количество вещества
.Учтем, что
и 
.Следовательно, количество вещества dm, кг/с, осаждаемого на площадке dS в единицу времени,
.Тогда скорость роста покрытия на выбранном элементе поверхности подложки vp, м/с,
(м/с), 
,где ρ – плотность материала покрытия.
Произведем расчет толщины покрытия, осаждаемого из плоского испарителя. Пусть с площадки ΔS1, размеры которой значительно меньше расстояния r, происходит испарение со скоростью v, кг/с (рисунок 12).
Рисунок 12 – Нанесение покрытия из плоского испарителя
Тогда на площадку dS с учетом второго закона Кнудсена в единицу времени осаждается покрытие массой dm
.С учетом того, что
,получим линейную скорость роста покрытия при испарении атомов металла из элемента поверхности ∆S1
.Для получения интегрального значения скорости осаждения при испарении из плоского испарителя необходимо произвести вычисление
v=∫∫ vуdS,
S1
где S1- поверхность испарения; vу=vp/∆S1.
В ряде случаев при нанесении вакуумных покрытий важным является осаждение равнотолщинных слоев. Это требование достигается путем использования следующих основных технологических приемов:
1.Определение расчетным методом или же экспериментально оптимального количества и геометрических параметров размещения испарителей в вакуумной камере. Данный метод является основным, например, при нанесении покрытий на рулонные материалы (полимерные пленки, фольгу, ленту и т.д.).
2.Перемещение деталей в потоке испаряемых частиц. Этот прием используется при металлизации большого числа деталей, размеры которых достаточно малы.
3.Перемещение испарителей в вакуумной камере.
4.Применение нагреваемых экранов, подвижных заслонок, с помощью которых создается равномерно распределенный в камере поток атомов металла.
В ряде устройств для нанесения вакуумных покрытий одновременно используются несколько приведенных выше технологических приемов.
1.7 Вакуумная металлизация полимерных материалов
В настоящее время металлизированные полимерные материалы используют не только в декоративных целях. Их начинают применять также и в качестве функциональных элементов при производстве различной электронной аппаратуры, авиационных двигателей и многих других изделий. Развитие технологии металлизации позволило эффективно решать такие до недавнего времени трудно разрешимые технические задачи, как изготовление устройств частотной модуляции телевизионных антенн, прозрачных для видимой области инфракрасных экранов, надувных спутников, используемых в качестве радиолокационных отражателей.
Рост производства металлизированных полимеров и расширение областей их применения обусловлены, прежде всего, возможностью методом металлизации получать материалы, сочетающие высокие эксплуатационные свойства металлов и полимеров. Разработаны и широко применяются на практике следующие основные технологические процессы, основанные на методах вакуумной металлизации полимерных материалов:
1. Изготовление пленочных упаковочных материалов, применяющихся для хранения продуктов, лекарственных препаратов и т.д.
2. Изготовление злектро- и радиотехнических изделий, функциональных элементов сенсоров (конденсаторов, элементов техники СВЧ, тонкопленочных термопар, мембран, электростатических экранов, фотопроводящих элементов, пленочных систем для записи информации и др.).
3. Изготовление гибких тепловых экранов различного назначения, представляющих собой металлизированную с одной или двух сторон полимерную пленку.
4. Создание гибких печатных плат (полиимидная пленка с медным покрытием).
5. Декоративная отделка изделий.
Металлические покрытия, нанесенные на полимерные материалы, качественно изменяют их свойства. Даже нанесение металлического слоя небольшой толщины придает полимерам электропроводность и металлический блеск, защищает от воздействия Уф- и ИК-излучений, атмосферного старения. Вакуумная металлизация полимерных пленок позволяет создать совершенно уникальный материал, сочетающий легкость и гибкость основы и поверхностные свойства, присущие металлу. Причем как процесс металлизации в вакууме, так и предварительная обработка при правильно выбранных технологических режимах не влияют существенно на свойства самой основы. Все изменения происходят только в тонком приповерхностном слое полимера.