Методы термического испарения (стр. 2 из 3)

Основное достоинство этих испарителей - отсутствие теплового контакта между их нагретыми элементами и испаряемым металлом, что обеспечивает высокую чистоту наносимой пленки. Однако они обеспечивают низкую скорость испарения, дают возможность испарять малое количество материала, который может быть использован только в виде ленты или проволоки, а также не позволяет испарять диэлектрики и большинство металлов.

Испарители с косвенным резистивным нагревом

Испарители с косвенным нагревом, в которых испаряемое вещество нагревается за счет теплопередачи от нагревателя, более универсальны, так как позволяют испарять проводящие и непроводящие материалы в виде порошка, гранул, проволоки, ленты и др. Но при этом из-за контакта с нагретыми частями испарителя, а также из-за испарения материала подогревателя осаждаются менее чистые пленки. Так как форма испарителя с косвенным нагревом зависит от агрегатного состояния, в котором находится испаряемый материал, то их подразделяют на проволочные, ленточные и тигельные.

Проволочные испарители.

А)

Б) В)

Рис 2. Проволочный испаритель косвенною нагрева а) с цилиндрической проволочной спиралью I-отогнутый конец спирали.2 - цилиндрическая спираль, 3 - испаряемый материал, б) с конической проволочной спиралью: 4 - зажим токопровода, 5,7 - цилиндрический тепловой и ограничивающий экраны, 6 - коническая спираль, в) с параллельным расположением проволочных нагревателей

Проволочные испарители применяют для испарения веществ, которые смачивают материал нагревателя. При этом расплавленное вещество силами поверхностного натяжения удерживается в виде капли проволочном нагревателе. Проволочные испарители изготовляются V-XV-образной формы, а также спирале - и волнообразной.

Проволочный испаритель простейшей конструкции (рис.2. а) используют для нанесения пленок алюминия, который хорошо смачивает вольфрамовый проволочный нагреватель - цилиндрическую проволочную спираль 2. Испаряемое вещество в виде скобочек 3 навешивают на спираль, которую отогнутыми концами 1 вставляют в контактные зажимы. По мере нагрева это вещество плавится и формируется на проволоке в виде капель.

При плохой смачиваемости испаряемого вещества, а также для испарения навесок в форме гранул или кусочков применяют испарители в виде конической проволочной спирали 6 (рис.2,6), закрепляемой на зажимах 4 токопровода. Спираль окружена цилиндрическим тепловым экраном 5, а снизу размещается ограничивающий экран 7.

Существенным достоинством проволочных испарителей является простота конструкции и возможность модификации под конкретные технологические условия. Кроме того, они хорошо компенсируют расширение и сжатие при нагреве и охлаждении. Недостаток - малое количество испаряемого за один процесс материала.

Ленточные испарители.

Рис. 3. Ленточные испаригели косвенного нагрева а) с углублением в виде полусферы, 6) лодочного типа

Ленточные испарители применяются для испарения металлов, плохо удерживающихся на проволочных испарителях, а также диэлектриков и изготавливаются с углублениями в виде полусфер, желобков, коробочек или лодочек. Наиболее распространенными материалами для таких испарителей является фольга толщиной 0,1 - 0,3 мм из вольфрама, молибдена и тантала. Испаритель с углублением в виде полусферы, предназначенный для испарения относительно малых количеств вещества, показан на рис.3. а. Испарители лодочного типа (рис.3,6) предназначены для испарения относительно больших количеств вещества.

Испарители коробчатого типа.

Рнс. 4. Испаритель косвенного нагрева коробчатого типа I - коробочка, 2 - поток паров наносимого вещества, 3 - экран, 4 - пары испаряемого вещества, 5 - испаряемое вещество

Если для металлов благодаря их высокой теплопроводности испарение в вакууме есть явление поверхностное, то для таких неметаллических веществ плохой теплопроводности, как диэлектрики, существует большая вероятность их разбрызгивания при форсированном испарении. В этих случаях применяют испарители коробчатого типа (рис.4), выполненные из ленты толщиной 0,1 мм в виде коробочки 1, в которую засыпают испаряемое вещество 5. Сверху коробочка закрывается однослойным или двухслойным экраном 3 с отверстиями, через которые проходят пары 4 наносимого материала.

Тигельные испарители.

Рис. 5. Испарители прямого нагрева с тиглями с внутренним (а) и внешним (б) спиральными нагревателями 1 спираль, 2 тигель

Тигельные испарители используют, как правило, для испарения больших количеств сыпучих диэлектрических материалов. Тигли изготавливают из тугоплавких металлов, кварца, графита, а также керамических материалов (нитрида бора, оксида алюминия корунда). Максимально допустимая температура кварца составляет

1400°С, графита 3000°С, оксида алюминия 1600°С. Два типа испарителей с тиглями из керамики показаны на рис.5 а, б. в испарителе первого типа нагреватель в виде плоской улиткообразный спирали 1 располагается в полости керамического тигля 2, куда насыпается испаряемый материал. Такой испаритель позволяет испарять с высокими скоростями большое количество вещества. В испарителе второго типа нагреватель в виде конусообразной спирали Iрасположен с внешней стороны керамического тигля 2.

При равной мощности питания первый испаритель нагревается до более высокой температуры, чем второй. Однако достоинством второю является отсутствие контакта испаряемого материала со спиральным нагревателем. Эксплуатационным недостатком тигельных испарителей является то, что они инерционны, так как малая теплопроводность материала, из которого изготовляют тигель, не обеспечивает быстрого нагрева испаряемого вещества.

Электронно-лучевые испарители.

Рис. 6. Электронно-лучевой испаритель 1 - полюсной наконечник, 2 - электромагнит, 1 - водоохладительный тигель, 4 - испаряемый материал, 6 - термокатод, 7 - фокусирующая система, 8 электромагнитный луч, 9 - тонкая пленка, 10 - подложка

Испарители с электронно-лучевым нагревом основаны на том, что кинетическая энергия потока ускоренных электронов при бомбардировке ими поверхности вещества превращается в тепловую энергию, в результате чего оно нагревается до температуры испарения.

Электронно-лучевой испаритель (рис.6) состоит из трех основных частей: электронной пушки, отклоняющей системы и водоохлаждаемого тигля. Электронная пушка предназначена для формирования потока электронов и состоит из вольфрамового термокатода 6 и фокусирующей системы 7. Электроны, эмитируемые катодом, проходят фокусирующую систему, ускоряются за счет разности потенциалов между катодом и анодом (до 10 кВ) и формируются в электронный луч 8.

Отклоняющая система предназначена для создания магнитного поля, перпендикулярного направлению скорости движения электронов, выходящих из фокусирующей системы пушки, и состоит из полюсных наконечников 1 и электромагнита 2. Между полюсными наконечниками расположены водоохлаждаемый тигель 3 и электронная пушка. Отклоняя электронный луч магнитным полем, его направляют в центральную часть водоохлаждаемого тигля 3. В месте падения луча создается локальная зона испарения вещества из жидкой фазы. Нагретый электронной бомбардировкой материал 4 испаряется, поток 5 осаждается в виде тонкой пленки 9 на подложке 10. Изменяя ток в катушке электромагнита 2, можно сканировать лучом вдоль тигля, что предотвращает образование "кратера" в испаряемом материале.

Медные водоохлаждаемые тигли емкостью 50 см и более обеспечивают длительную непрерывную работу без добавки испаряемого материала, который, кроме того, не контактирует в расплавленном виде с медными стенками тигля.

Недостатки этих испарителей - сложность аппаратуры питания и управления, трудность испарения металлов высокой теплопроводности (медь, алюминий, серебро, золото) из водоохлаждаемого тигля, необходимость частой замены катода, а также питания высокими напряжениями.

Обеспечение равномерности толщины пленки

Необходимо обеспечивать равномерность распределения толщины пленки на подложке, что является одним из основных ее параметров.

Рис. 7. Схема осаждения плёнок из точечного источника на плоский (а) и сферический (б) подложкодержатели и на планетарный подложкодержатепь с двумя направлениями вращения (в) 1, 5, 7 - плоский, сферический на планетарный подложкодержатели; 2 подложки; 3 поток осаждаемых частиц; 4 - точечный источник потока осаждаемых частиц; 6 - кольцо; 8 - ось подложкодержателя; 9 - приводная вращающаяся ось.

Толщина пленки в данной точке подложки определяется количеством частиц достигающих ее в единицу времени. Если бы поток наносимых частиц был одинаков на всю поверхность подложки, пленка получилась бы одинаковой толщины. Однако площадь испарителей веществ во много раз меньше площади подложкодержателей. В результате добиться равномерности потока невозможно. Как видно из рис. а, скорость "несения пленки будет неодинакова в точке О и в точках А и В: чем дальше от оси О8 эти точки, тем ниже скорость нанесения пленки и тем меньше ее толщина за данное время нанесения. При плоском подложко-пержателе неравномерность толщины пленки составляет 20%. Наиболее простым способом снижения неравномерности распределения пленки по толщине является увеличение расстояния о! (см. рис.7, а). Однако это уменьшает скорость конденсации пленки и коэффициент использования вещества. Поэтому на практике применяют более сложные способы, одним из которых является придание подложкодержателю сферической формы (рис.7,6). Неравномерность толщины пленки при этом снижается до 10%. Если этого недостаточно, используют систему с двойным вращением, так называемую планетарную карусель (рис.7, в), состоящую из приводной вращающейся оси 9, на которой установлены три подложкодержателя 7. Каждый подложкодержатель может вращаться вокруг собственной оси 8 при обкатывании по кольцу 6.