МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ тонких пленок - Метод термовакуумного напилюваня - 22 Февраля 2009

Метод термовакуумного напыления

Метод основан на создании направленного потока пара вещества и последующей конденсации его на поверхности основы, которая имеет температуру ниже температуры источника пара. Процесс термовакуумного напыления можно разделить на четыре этапа: создание пару вещества, распространение пара от источника к основанию, конденсация пара на основе, создание зародышей и роста пленки.
Образование пара вещества выполняется путем его испарения или сублимация. Вещество переходит в пар при любой температуре выше абсолютного нуля, но для увеличения интенсивности парообразования вещества проводят ее нагревания. С увеличением температуры повышается средняя кинетическая энергия атомов и вероятность разрывов межатомних связей. Атомы отрываются от поверхности и распространяются в свободном пространстве, образуя пар.
Распространение пара от источника к основанию происходит путем диффузии и конвекции, на которые, в первую очередь, влияет степень вакуума. Для уменьшения потерь материала, который испаряется за счет напыления на оснастку и стенки внутри камеры, а также для повышения скорости напыления и получения более равномерной по толщине пленки, необходимо обеспечить прямолинейный движение пар в направлении основы. Это возможно при условии, что длина свободного пробега частиц пару ? будет больше чем расстояние источник-основа.
Из кинетической теории газов
Следует, что, начиная с P = 10-3 Па, средняя длина свободного пробега частиц газа больше расстояния от источника пара до основы, которая в промышленных вакуумных установках не превышает 30 см. Следовательно, начиная с этого давления вероятность столкновений в пространстве от источника пару к основанию с молекулами остаточных газов невелика. Можно считать, что частицы вещества, которые напыляются распространяются прямолинейно направленным молекулярным (атомарном) потоком, сохраняя свою энергию до столкновения с основой. Равномерность достижения частиц к поверхности основы увеличивается при уменьшении отношение линейных размеров поверхности испарения вещества с расстояния до основания.
Конденсация пара на поверхности основания зависит от температуры основы и плотности атомарного потока. Атомы пара, достигшие основы, могут отразиться от нее (Упругое столкновение), адсорбироваться и через некоторое время отделиться от основания (ревипарообразование), адсорбироваться и после кратковременной миграции по поверхности окончательно остаться на ней (конденсация).
Конденсация атомов проходит, когда их энергия связи с атомами основы больше средней энергии атомов основы, в противном случае атомы отражаются. При нагревании основы энергия ее атомов повышается, вероятность конденсации пара уменьшается.
Температура, выше которой при данной плотности потока пара все атомы отражаются от основания и не образуется пленка, называется критической температурой конденсации.
Критическая температура зависит от природы материала пленки и основы, а также от состояния поверхности основы. При температуре основы, меньше критической, конденсации пара возможна только при условии перенасыщения пару.
Критической плотностью атомарного потока для данной температуры основы называется наименьшая плотность, при которой атомы сконденсируются на основе.
Образования зародышей проходит в результате нахождения атомами мест, которые соответствуют минимуму свободной энергии системы атом-основа. Рост зародышей проходит за счет присоединения новых атомов, которые мигрируют на поверхности или благодаря тем, которые попадают на зародыши непосредственно из промежутка источник основа. При конденсации пара зародыши растут, между ними образуются соединяя мостики, зародыши объединяются в островки. После этого наступает стадия сливания островков с образованием единой сетки. Постепенно сетка переходит в сплошную пленку, которая начинает расти в толщину. С этого момента влияние основы исключается и доли пару от поверхности пленки практически не отражаются.
На этапе образования зародышей и роста пленки влияние остаточных газов на растущую пленку должен быть сведен к минимуму. Обеспечить это возможно повышением степени вакуума или увеличением скорости парообразование. Для увеличения скорости парообразование, с целью уменьшения влияния остаточных газов на свойства пленок, которые напыляются, испарение ведут при температурах, превышающих условную температуру испарения вещества. Качество пленки определяется размером зерна и величине адгезии к поверхности основы. Повышение температуры основы уменьшает плотность центров зарождения и способствует формированию грубозернистых пленок, и наоборот, повышение плотности потока пара вещества способствует получению пленок с мелкозернистой структурой. При прочих равных условиях склонность к образованию мелкозернистой структуры имеют металлы с высокой температурой испарения W, Mo, Ta, Pt, Ni. Низкотемпературные металлы Zn, Cd и другие образуют грубозернистые пленки.
Адгезия, т.е. прочность скрепления пленки с основой, уменьшается через внутренние напряжения, возникающие в пленке при охлаждении после напыления. Недостаточная адгезия - причина отслойки пленок. Пленки толщиной более 1,5 ... 2 мкм имеют недостаточную адгезию, а потому термовакуумне напыление используется для получения пленок с меньшей толщиной.
Лучшая адгезия обеспечивается для напыления материалов химически родственных с материалом основы. Для улучшения адгезии и структуры пленок напыление проводят на основы нагретые до температуры 200 .... 400 градусов Цельсия.