Термическое испарение в PVD-процессах: физические основы и типы испарителей
Термическое испарение – один из наиболее простых методов физического осаждения тонких пленок из газовой фазы (англ. Physical Vapor Deposition, PVD). Широко распространен при создании металлических покрытий, например контактов. Однако метод также часто используется для напыления других материалов, в том числе органических соединений.
Оглавление
Физические основы процесса
Суть метода заключается в том, что твердый испаряемый материал нагревают в вакууме до высокой температуры. В какой-то момент парциальное давление паров превышает давление в вакуумной камере, материал испаряется, а затем конденсируется на подложке, образуя требуемое покрытие. Чаще всего материал расплавляется и испарение происходит из жидкой фазы, однако некоторые материалы сублимируют. Источником тепла служит резистивный нагрев, возникающий при пропускании электрического тока либо через нить накала, передающей тепло тиглю с напыляемым материалом, либо через лодочку из тугоплавкого метала, в которую этот материал помещается непосредственно.
Ключевые аспекты технологии
- Скорость напыления регулируется подаваемой мощностью, поэтому необходимо точно регулировать силу тока нагревателя. Грамотно просчитанная электрическая схема и правильно подобранный трансформатор – залог стабильности и повторяемости процесса.
- В процессе термического испарения важным параметром является вакуум, так как для достижения наилучшего качества покрытия, поток напыляемого вещества не должен рассеиваться на молекулах остаточного газа. Рассеяние приводит к изменению диаграммы направленности, что критично для некоторых процессов, таких как lift-off.
Еще один нежелательный процесс при столкновении с молекулами остаточного газа – химическая реакция. Часть материала после реакции с остаточным кислородом или водой вносит существенные изменения в состав напыляемой пленки. В качестве количественной оценки можно посчитать, что при давлении 5х10⁻⁵ Торр, вероятность для молекулы преодолеть 1 метр без столкновений составляет не более 40%. Соответственно, параметры вакуумной камеры и откачной системы должны быть рассчитаны, исходя из требований к покрытию. - В некоторых случаях, например при работе с органическими веществами, контроль температуры играет ключевую роль при напылении. Так, неверно подобранный температурный режим может привести к диссоциации молекул и образованию неправильного покрытия.
- Термический нагрев среди PVD процессов обеспечивает наименьшую энергию атомов (или молекул) напыляемого вещества, что ограничивает области применения этой технологии. Так, например, тепловой энергии недостаточно, чтобы сформировать кристаллическую решетку алмазоподобных покрытий.
- При напылении проводящих покрытий важно следить, чтобы расплавленный материал не вносил существенных изменений в электрические параметры испарителя. Например, при напылении меди из вольфрамовой лодочки возможна ситуация, когда использование слишком большого количества материала приводит к растеканию меди и уменьшению сопротивления лодочки, что в дальнейшем делает невозможным повторное использование испарителя: лодочка подлежит замене.
- Особого внимания требует испарение материалов с высокой смачиваемостью, таких как алюминий. С одной стороны, такие материалы могут растечься за пределы лодочки/тигля вплоть до замыкания контактов испарителя. С другой стороны, после застывания материала внутренние напряжения часто приводят к растрескиванию тигля или лодочки.
Типы термических испарителей
Существует большое количество типов термических испарителей. Наиболее распространенными из них являются лодочки из тугоплавких материалов, тигли с нитью накала и нити накала отдельно. Реже используются другие типы, такие как индукционные нагреватели.
Испаритель-лодочка
Этот тип испарителей изготавливается из тонких листов тугоплавких металлов, таких как молибден, тантал, вольфрам. Существует огромное количество форм и размеров лодочек – от простого сгиба листа до коробок с перегородками, которые предотвращают попадания капель материала на подложку.
При выборе этого типа испарителей важно учитывать, чтобы испаряемый материал не образовывал химических соединений или сплавов с материалом лодочки. Также важно, чтобы давление паров испаряемого материала было существенно выше давления паров лодочки. В противном случае покрытие будет содержать существенную часть посторонних материалов.
Испаритель в виде тигля
Используется в случаях, когда необходим равномерный нагрев испаряемого материала, либо когда нужно использовать значительное количество материала. Материалом тигля может служить керамика, кварц, а также тугоплавкие металлы. Как и в случае с испарителем-лодочкой, необходимо, чтобы испаряемое вещество не вступало в реакцию и не образовывало сплавы с тиглем. Нагрев зачастую осуществляется нитью накала из вольфрама или тантала. Возможно использование других источников (лист из тугоплавкого металла, оборачиваемый вокруг тигля; индуктивный нагрев). Для повышения эффективности источника, а также для снижения влияния высоких температур на другие элементы системы, используются тепловые экраны.
Испаритель для органических веществ
Испарители в виде тигля стоит отнести в отдельную категорию. В качестве нагревателя используется нить из тугоплавкого металла. Особенностью являются высокие требования к контролю температуры (до 0.1℃) и мощности нагрева, чтобы избежать диссоциации. Измерение температуры осуществляется термопарой. Несмотря на то, что источники используются при относительно низких температурах (обычно 50 – 600℃), необходимость обеспечить максимально однородный нагрев по всему объему тигля усложняет конструкцию и требует специального подхода при расчетах распределения витков нагревателя. Перед напылением полезно прогреть испаряемый материал, чтобы максимально удалить воду.
Испаритель в виде нити накала
Этот тип испарителей подразумевает, что испаряемый материал может быть помещен непосредственно на нить накала. Отличается простотой конструкции, дешевизной и легкостью замены. Материал расплавляется и, смочив нагреватель, испаряется с поверхности. Чаще всего используется однократно.
От лаборатории до производства — полный спектр решений от «АкадемВак»
Компания «АкадемВак» расположена в сердце Сибири, в Новосибирском Академгородке. Мы разрабатываем, производим и поставляем современные установки вакуумного напыления, которые подходят для решения широкого круга задач - от научных исследований до серийного производства.
Широкий модельный ряд и разнообразная компоновка позволяют подобрать решение, максимально адаптированное под задачу клиента.
- Высокопроизводительные вакуумные установки напыления серии ACADEMVAC-PRO: вакуумные камеры большого объема, мощная система откачки, полностью автоматизированная система управления. Предназначены для серийного производства.
- Компактные установки напыления серии ACADEMVAC-Tabletop: небольшие установки напыления, возможны исполнения с ручной системой управления для снижения стоимости. Подходят для лабораторных и исследовательских задач, для знакомства с тонкопленочными технологиями. Чаще всего эти установки оснащаются магнетронами с диаметром мишени 2 или 3 дюйма, термическими испарителями.
- Универсальные вакуумные установки напыления серии ACADEMVAC-M/T: установки среднего размера, максимально гибкая платформа для кастомизации. Обеспечивают гибкость в выборе методов получения тонкоплёночных покрытий (включая электронно-лучевые испарители), средств откачки, контроля за процессами, аналитики, содержат возможности для дооснащения в будущем. Хорошо подходят для мелкосерийного производства, для выполнения широкого спектра задач.
- Сверхвысоковакуумные установки напыления серии ACADEMVAC-UHV: специализированные вакуумные установки, разработанные с целью обеспечить повышенные требования к чистоте процессов в сверхвысоковакуумных перспективных применениях.
Помимо напылительного оборудования, компания "АкадемВак" разрабатывает и производит установки травления, термовакуумных испытаний (ТВИ), вакуумные печи, а также узлы и комплектующие: вакуумные камеры, криогенные экраны, технологические источники, системы питания и управления.
Специалисты компании готовы оказать экспертную помощь в выборе оптимального технологического решения под ваши задачи. Напишите нам о Вашей задаче или ознакомьтесь с нашим каталогом.
