13.1. Получение пленок и покрытий электронно­лучевым испарением в вакууме

В экспериментах [121 по глубокому сверлению металлов выбрасываемый иэ отверстия конденсат собирали на стеклянные пластины. Было установ­лено, что при испарении материала (алюминий, никель, титан) в режиме сверления (0< 0,1) скорость осажде­ния достигает 1—3 мкм/с. При этом на поверхности пленок не обнаружено капель и брызг испаряемого материала, как при действии ЛИ, импульсной плазмы и при взрыве фольги.

Так как скорости осаждения конден­сата па 2—3 порядка выше скоростей, получаемых традиционными методами термического испарения в вакууме, а процесс высокоскоростного осажде­ния материалов можно реализовать па серийно выпускаемых электронно­лучевых сварочных установках, це­лесообразно рассмотреть особенности получения паровой фазы импульс­ным ЭЛ.

Нанесение пленок путем термиче­ского испарения в вакууме является одним из наиболее широко распро­страненных методов 17, 22]. Однако недостатки этого метода (ограничен­ность скорости напыления, необходи­мость вакуума 10-а—10-t Па для уменьшения влияния остаточных га­зов, трудности с испарением много­компонентных материалов), привели к разработке ряда принципиально раз­личающихся методов: ионно-плазмен­ного осаждения [19], катодного рас­пыления ]25, 27], получения пленок из химических соединений с помощью ЭЛ [1, 4] и др.

Недостатки метода термического ис­парения связаны с использованием

стационарного нагрева. Ряд техноло­гических приемов {метод «многих ис­точников», «взрывное испарение» [27] приводит к определенным преимуще­ствам, но не исключает использования стационарного испарения.

Использование импульсных методов получения пленок о применением пото­ков импульсной плазмы [16, 20], ла­зерного излучения [8, 28], ЭЛ, взры­вающихся проволочки и фольги [6, 21], существенно повышает скорость испарения. Высокие скорости осажде­ния приводят к некоторым особен­ностям конденсации.

Производительность стационарных и импульсных методов получения пленок. Основным преимуществом импульсного нанесения пленок является очень вы­сокая скорость осаждения (до I— 10 мкм/с) и возможность сохранения стехиометрического состава испаряе­мого материала.

В обзоре Б. А. Осадина и Г. И. Ша­повалова [17] проведено сравнение стационарных и импульсных способов нанесения пленок. За характерные признаки того или иного метода, по которым можно вести сравнение, при­няты плотность частиц пара п и энергии частиц в потоке пара Е. На рис. 13.1 представлена диаграмма, с помощью которой сравнивают раз­личные методы испарения.

По оси абсцисс отложена энергия Е, отсчет которой ведется от Е = й, где П — скрытая теплота испарения на атом. Диаграмма построена для случая испарения железа, т. е. начало координат приходится на £ яг 4 эВ (Йре ^ 4 эВ). Начало отсчета на диаграмме по оси ординат соответ­ствует концентрации частиц воздуха при разрежении 10 * Па, т. е. давле­нии, при котором обычно получают пленки термическим испарением.

Область энергий Е и соответству­ющих концентраций атомов пара огра­ничена сверху максимальной плот­ностью теплового потока q* = = 10й В т/см5, устанавливающейся при

п, сп1

w го зо чо Е, зв

Рис. 1S.1. Диаграмма для сравнении раз­личных способов получения пленок по про­изводительности 117 ]:

I — стационарное испареине; II — катод­ное испарение; III — импульсное (элек­тронно-лучевое и лазерное) испарение; IV — импульсные плазменные ускорители

конденсации и соответствующей на­чалу испарения.

Стационарные методы испарения {термическое в вакууме, дискретное, электронно-лучевое и лазерное а не­прерывном режиме) представлены на диаграмме узкой (несколько десятых долей электрон-вольт) полоской I у наг чала координат, вытянутой вдоль оси ординат до значений концентрации частиц пара, соответствующей ско­рости осаждения —1СГВ м/с. Катодное распыление занимает область II, ко­торая несколько дальше простирается вдоль оси абсцисс, по значительно меньше поднимается вдоль оси орди­нат, обеспечивая скорость осаждения лишь до 0,3- 1Сг6 м/с.

Областями / и // на диаграмме по сути дела исчерпывается вся совре­менная промышленная технология по­лучения пленок. При этом область, например, электровзрывного испаре­ния укладывается в область III, а область конденсации ионных пучков в этом масштабе диаграммы практи­чески совпадает с осью абсцисс или лежит несколько ниже ее.

Импульсное электронно-лучевое и лазерное испарение вследствие его термического характера сдвигается вдоль энергетической оси по сравне­нию со стационарным незначительно (2—3 эВ), ко не имеет в указанных пределах ограничения по концентра­ции и может обеспечивать скорость

Рис. 13.2. Зависимость термического КПД т|т проплавления коррозионно-стойкой ста­ли от силы тока 9Л при U = 20 кВ (26): а — непрерывный режим; 6 — импульсный при G = 0,37, t = 0.025 с. / = 15 Гц

осаждения до КГ1—10~2 м/с (об­ласть III на рис. 13.1). Область IV, допустимая по условиям испарения, может быть реализована с помощью плазменных испарителей.

Таким образом, в целом импульсное испарение отличается более высокими параметрами л и £ в сравнении со стационарным и а сочетании с плаз­менными методами 13] может обеспе­чивать скорости осаждения до ИГ4— ИГ1 м/с [20].

Импульсный режим электронно-лу­чевого нагрева характеризуется по­вышенными в сравнении с непрерыв­ным режимом значениями термиче­ского КПД Т|т. Для случая проплавле­ния коррозионно-стойкой стали ЭЛ установлено экспериментально [26], что при прочих равных условиях величина ц. г в импульсном режиме примерно в 2 раза выше, чем в не­прерывном (рис. 13.2).

Высокая эффективность нагрева при переходе на импульсные режимы с G ^ 0,1 приводит к резкому уменьше­нию количества жидкой фазы в зоне обработки. Практически вся она вы­брасывается из отверстия и распыля­ется. Удельные энергетические за­траты при этом по сравнению с про­плавлением (0= I) уменьшаются, на­пример, для алюминия в 6 раз и более.

Выбор режимов импульсного элек­тронно-лучевого напыления [12] ана­логичен выбору режимов сверления, так как высокопроизводительный про­цесс напыления идет в режиме сверле­ния испаряемого материала [24].

Высокоскоростное напыление мате­риалов импульсным электронным лу-

Т* — 1 s ~

чом. Задача о нестационарном испаре­нии в вакуум рассмотрена в работах [Э, 16, 18]. В них показано существо­вание нестационарное™ в течение вре­мени т, когда унос теплоты паром q незначителен (qv га 10-т-20 % плотно­сти падающего потока), рассмотрен ступенчатый тепловой поток (Q = 0 при і <0 и Q= const при (> 0) и численным методом (на ЭВМ «Минск-22») решено одномерное урав­нение теплопроводности с нелинейным граничным условием, учитывающим испарение с поверхности в соответ­ствии с изменением давления пара.

Безразмерное время т = tit*. Здесь

t* — f^a/(4oQ2)] (Г* — Г0)г, (13.1)

где X — коэффициент теплопроводно­сти; а — коэффициент температуропро­водности; Ts — температура, опреде­ляемая из уравнения Qj (Ts) = 0,1Q; Гц — начальная температура.

Безразмерная температура 0в = = TjTsx, где Ts — температура по­верхности; Tsao — температура по­верхности, при которой (в случае ее достижения) весь тепловой поток, при­ходящийся на поверхность, тратится только на испарение; безразмерный тепловой поток, уносимый паром,

<h~QJQ. (13.2)

Скорость испарения с единицы пло­щади по формуле Ленгмюра (г/см8• с)

т = 5,833- КГ8 VWfs 10В~Л/1Ч

(13.3)

где М — относительная молекулярная масса испаряемого вещества; В и Л — константы [25].

Из условия Qv (Тй«) Q, где Qv = = Lj, eam — теплота фазового перехода

/ — Q = 10‘ Вт/св1; 2 — Q =
“. 10′ Вт/см*; 3 — Q —
■= 10’ Вт/см1; і — Q =■

■= 10* Вт/см*

испарения; Q — удельный тепловой поток, получают трансцендентное урав­нение

А

Q (/ MTSxi g 1,12- 10-М

Из уравнения (13.1):

_______ А_______

Q /ТШ

в lo

s 1,12-КГМ

На рис. 13.3 видно, что при т< < 1 (f< Ґ) потери теплоты на испа­рение по сравнению с Q незначительны. Температура поверхности Та — Т„ + + 2Q Vat!(%,

При і > 1 становится существен­ным и постепенно увеличивается унос теплоты паром, рост температуры по­верхности замедляется.

В процессе достижения т га 1 ста­новится постоянной температура по­верхности, а к моменту т ss 10 — скорость испарения m и В интер­вале 1,5<;т<10 кривые q0 могут быть описаны приближенной зави­симостью

*=» l-tTx, a, (13.6)

где а= 7-Ї-8.

Характеристики нестационарного испарения некоторых материалов представлены в табл. 13.1. В таблице приняты следующие обозначения: t* — длительность теплового импульса, в течение которого при расчете Ts(t) можно не учитывать испарение [см. формулу (13.4)]; Та — температура поверхности, ниже которой можно затратами теплоты на испарение пре-

небречь; ж* = 2 Уаі* — глубина прогреваемого материала за время і; ах* — толщина испарившегося слоя за время Ґ:

і

Ах* = [Q: »*/'(/ц,-i lO 1 [ Ч’.‘ (”) ‘З ^

о

W IO_aQ10i*/(Z.,Icnp), (13.7)

где р — плотность материала; 101* — время окончания нестационарной

стадии испарения; Ах10 — толщина испаренного слоя в течение времени 101*:

10

= 1£?1*/{£испР)] j Чо (т) dx яг

О

яг 4Ql*/(LBonP)■ (13.8)

Приблизительно через 101* темпе­ратура поверхности приближается к Ts «і, а удельный тепловой поток,
уносимый с паром, — к Q (<?0яг iv 0,6-т-0,7). Испарение становится кваэистационарным. В глубь вещества начинает распространяться волна раз­грузки, скорость которой D яг t’s«, = = Q/(L истіР)’

Так как^ скорость тепловой волны От = V at і постепенно затухает, то спу­стя время t** = (lraLHCUp/Q)2 волна разгрузки догоняет тепловую волну, после чего роль теплопроводности будет сводиться лишь к установлению распределения температуры перед фронтам испарения.

Для тепловых импульсов, длитель­ность которых превышает 101* + 1**, справедлива стационарная гидродина­мическая теория испарения 12]. При q% = 10*-5- 10s Вт/см8 расчеты по гид­родинамической теории испарения приводят к результатам, мало отлича­ющимся от расчетов по теории свобод­ного термического испарения.

ІЗ.2. Параметры
высокоскор ОСТН ОГО
напыления [20]

р, Па

"а*

СМ”а

х, м/с

Ре — Па

10й

3,8-10ЗЇ

1

Ю"2

10

3.8-10«

і о-®

10" ’

10"1

3.8-10"

10-“

10-®

10-“

3,8-1015

кг8

10-ш

кг4

3,8-1014

10-»

10-"

10-7

3,8-1011

10-12

10-14

Оценка интенсивности испарения при q2— 106 Вт/см* и t = 10 мкс дает следующие результаты: для алюминия (** = 4^.5 MKCj qv — о,19 (испарение нестационарное; для двуокиси крем­ния т = const, ^„=0,7-i-0,8 (испа­рение стационарное).

Абсолютные значения скорости осаждения для алюминия и двуокиси кремния 10 "2 м/с. Полное количество испаренного алюминия с I см* 4* Ю"5 г, двуокиси кремния 1 • 10“3 г. При этом удельная энергия теплового импульса 10 Дж/см2.

В табл. 13.2 приведены параметры высокоскоростного напыления в усло­виях «эквивалентного» вакуума (9]. В таблице приняты обозначения: па — массовая скорость остаточного газа, осаждающегося на подложке при дав­лении р; х — скорость напыления при Лр/яа я* 15 (я„ — массовая ско­рость атомов пара); ре — давление.

соответствующее скорости осаждения х — 10-2 м/с.

Из табл. 13.2 следует, что им­пульсное испарение позволяет осуще­ствлять напыление даже при атмо­сферном давлении. При форвакууме (10- — 10“1 Па) импульсное напыление эквивалентно напылению в условиях вакуума порядка 10“* Па.

Реализация импульсного электронно-, лучевого напыления в промышленно­сти. Для импульсного напыления не­обходимы в первую очередь оборудо­вание и аппаратура, обеспечивающие устойчивую работу в течение длитель­ного времени в импульсном режиме на частотах до 1 кГц при мощности источника более 1—3 кВт.

В этом отношении предпочтительнее импульсное электронно-лучевое на­пыление, так как для этого процесса можно использовать серийно выпускае­мые электронно-лучевые установки. Установки обеспечивают ускоряющее напряжение U = 25-5-30 кВ, мощность q = 3-5-5 кВт, удельную мощность qa = 104-10“ Вт/см2, длительность импульса 1—50 мс, частоту следова­ния импульсов I—200 Гц.

Установки снабжены отклоняющими системами, что позволяет при под­ключении соответствующего устрой­ства для развертки и модуляции ЭЛ производить испарение из одного или «нескольких» источников, практиче­ски обеспечивая любой заданный со­став пленки из любых материалов, так как за один импульс распыляется порция вещества 10_®—10-5 г.

Производительность и эффектив­ность импульсного испарения харак­теризуются следующими параме­трами (табл. 13.3).