Нанесение пленок в вакууме

Процесс нанесения тонких пленок в вакууме состоит в создании (генерации) потока частиц направленного в сторону обратную подложки, последующей их конденсации с образованием тонкопленочных слоев на покрывающей поверхности и окончательный рост покрытия. При нанесении тонких пленок одновременно протекают 3 основных процесса:

1. Генерация направленного потока частиц осаждаемого вещества;

2. Пролет частиц в разреженном вакуумном пространстве от источника к подложке;

3. Осаждение или конденсация частиц на поверхности с образованием тонкопленочных слоев.

Вакуумные установки для нанесения тонких пленок состоят из следующих основных элементов (рис. 3). Вся установка матируется на каркасе -11 с расположенным на нем вакуумной камерой – 5, внутри которой расположен источник – 1 наносимого материала, подложкодержатель – 4 с закрепленными изделиями – 3. Внутри каркаса расположена вакуумная система – 10. Системы электропитания и управления расположены в отдельном блоке. Вакуумная камера – 5 представляет собой цилиндрическую обечайку из нержавеющей стали. В рабочем состоянии камера герметизируется на базовой плите – 9, уплотняющий кольцевой прокладкой – 8, кран – 6 служит для напуска в камеру воздуха. А датчик – 7 для измерения вакуума в ее рабочем пространстве. От источника – 1 генерируется поток частиц – 2 , попадающий на изделие – 3. Процесс нанесения тонких пленок состоит из следующих основных операций:

1. Установка и закрепление изделий на подложка -держателе при открытой вакуумной камере;

2. Закрытие или герметизация вакуумной камеры и откачка ее до необходимого вакуума.

3. Включение источника создающего атомарный поток осаждаемого вещества;

4. Нанесение пленки определенной толщины при постоянно работающем генераторе потока;

5. Выключение источника потока частиц охлаждение подложек и напуск воздуха в рабочую камеру до атмосферного давления

6. Съем камеры и извлечение готовых изделий.

Иногда необходима дополнительная операция по предварительному нагреву исходных изделий. Эффективность процесса характеризуется производительностью, чистотой, равномерностью толщины наносимой пленки. При нанесении пленок используется два метода генерации: термическое испарение и ионное распыление (рис. 4). Метод термического испарения основан на нагреве веществ в специальных испарителях до температуры при которой начинается процесс испарения наносимого металла и последующей его конденсации на изделии. Важным фактором является способ нагрева испаряемых материалов: резистивный или электронно - лучевой. Метод ионного распыления основан на бомбардировке мишени изготовленной из осаждаемого металла, быстрыми частицами, обычно положительными ионами аргона. Вывитые в результате бомбардировки частицы образуют поток наносимого материала, который осаждается в виде тонкой пленки на изделиях, расположенных на некотором расстоянии от мишени. Важнейшей особенностью процесса является способ генерации ионов бомбардирующих мишень. Поэтому различают установки с двух электродной магнитронной системами ионного распыления. Выбор того или иного способа зависит от природы и сортамента использования материала, вид и состояние обрабатываемой поверхности, требования к чистоте и толщине пленки, эффективность процесса. Процесс роста пленки на изделии состоит из двух этапов: начального и завершающего (рис. 5). Покинувшие источника частицы- 1 движутся через вакуумное пространство с большими скоростями- 1000 м⁄сек к подложке- 6 и достигают ее поверхности, отдавая при столкновении часть своей энергии, например частица- 8. Доля передаваемой энергии тем меньше чем выше температура подложки. Отдав часть своей энергии частица- 8 может перемещаться по поверхности изделия на позицию- 7. Такая частица отдав избыток энергии может зафиксироваться на поверхности или ветретив другую частицу или группу она вступит с ней во взаимодействие, создав дуплет- 4. Большое скопление частиц полностью теряет способность к перемещению по поверхности и образует центр кристаллизации- 3. Вокруг таких центов начинается рост кристаллитов, которые объединяются и создают сплошную пленку. Такой рост кристаллов идет как за счет мигрирующих частиц- 5 так и непосредственного осаждения частиц- 1. Различные загрязнения в виде пылинок и следов органических веществ искажают процесс роста пленок и ухудшают их качество. Образованием сплошной пленки заканчивается I этап и качество поверхности перестает влиять на процесс получения покрытия. На I I этапе происходит рост пленки до необходимой толщины. При прочих равных условиях высокая температура подогрева увеличивает подвижность частиц и приводит к образованию крупнозернистой пленки. При увеличении плотности потока частиц повышается вероятность образования центров кристаллизации и структура измельчается.