Термічне (вакуумне) напилення

 

Схема цього методу показана на рис 3.1. Металевий або скляний ковпак 1 розташований на опорній плиті 2. Між ними знаходиться прокладка 3, що забезпечує підтримку вакууму після відкачування повітря з під ковпака. Підкладка 4, на яку проводитися напилення, закріплена на утримувачі 5. До утримувача прикріплений нагрівач 6 (напилення проводитися на нагріту підкладку). Випарник 7 включає в себе нагрівач і джерело напилюваної речовини. Поворотна заслінка 8 перекриває потік парі від випарника до підкладки: напилення триває протягом часу, коли заслінка відкрита.[3]

 

Рис 3.1. Термічне (вакуумне) напилення

 

Нагрівач зазвичай є ниткою або спіраллю з тугоплавкого металу (вольфрам, молібден і ін.), через який пропускається достатньо великий струм. Джерело напилюваної речовини зв'язується з нагрівачем по-різному: у вигляді дужок, що навішуються на нитку напруження; у вигляді невеликих стержнів, що охоплюються спіраллю, у вигляді порошку, засипаного в тигель, що нагрівається спіраллю і тому подібне. Замість ниток розжарення останнім часом використовують нагрівання за допомогою електронного променя або променя лазера.[3]

На підкладці створюються найбільш сприятливі умови для конденсації пари, хоча частково конденсація пари відбувається і на стінках ковпака. Дуже низька температура підкладки перешкоджає рівномірному розподілу адсорбованих атомів: вони групуються в "острівці" різної товщини, часто не зв'язані один з одним. Навпаки, дуже висока температура підкладки приводить до відриву атомів, що тільки що осіли, до їх "перевипаровування". Тому для отримання якісної плівки температура підкладки повинна лежати в деяких оптимальних межах (зазвичай 200-400⁰С). Швідкість наростання плівок залежить від ряду чинників (температура нагрівача, температура підкладки, відстань від випарника до підкладки, тип напилюваного матеріалу і ін.) і лежить в межах від десяти до десятків нанометрів в секунду.[3]

Міцність зв'язку – зчеплення плівки з підкладкою або іншою плівкою – називається адгезією. Деякі поширені матеріали (наприклад, золото) мають погану адгезію з типовими підкладками, зокрема з кремнієм. Утаких випадках на підкладку спочатку наносять так званий підшар, характерний хорошою адгезією, а потім на нього напилюють основний матеріал, у якого адгезія з підшаром теж хороша. Наприклад, для золота підшаром можуть бути нікель або титан.[3]

Для того, щоб атоми газу, що летять від випарника до підкладки, зазнавали мінімальну кількість зіткнень з атомами решти газу і тим самим мінімальне розсіювання, в просторі підковпака потрібно забезпечувати достатньо високий вакуум. Критерієм необхідного вакууму може служити умова, щоб середня довжина вільного пробігу у декілька разів перевищувала відстань між випарником і підкладкою. Проте цієї умови часто недостатньо, оскільки будь-яка кількість залишкового газу може стати забрудненням напилюваної плівки і зміною її властивостей. Тому в принципі вакуум в установках термічного напилення має бути якомога вищим. У даний час вакуум нижче 10^{-6 мм рт. ст. вважається за неприйнятний, а у ряді установок він доведений до 10-11 мм рт. ст.[3]}

Головними достоїнствами розглянутого методу є його простота і можливість отримання виключно чистих плівок (при високому вакуумі). Проте у нього є і серйозні недоліки: важкість напилення тугоплавких матеріалів і неможливість відтворення на підкладці хімічного складу випаровуваної речовини. Останнє пояснюється тим, що при високій температурі хімічні сполуки диссоціюють, а їх складові конденсуються на підкладці роздільно. Природною є вірогідність того, що нова комбінація атомів на підкладці не відповідатиме структурі початкової молекули.[3]

 

Катодне напилення

 

Схема цього методу показана на рис.3.2. Тут більшість компонентів ті ж, що і на рис.3.1. Проте відсутній випарник; його місце по розташуванню (і по функціях) займає катод 6, який або складається з напилюваної речовини, або електрично контактує з нею. Роль анода виконує підкладка разом з утримувачем.[3]

Простір підковпака спочатку відкачують до 10^-5 – 10^{-6 мм рт. ст., а потім в нього через штуцер 8 вводять деяку кількість очищеного нейтрального газу (частіше за весь аргон), так що створюється тиск 10-1} – 10^{-2 мм рт. ст. При подачі високої (2 – 3 кВ) напруги на катод (анод заземляють з міркувань електробезпеки) в просторі анод-катод виникає аномальний тліючий розряд, що супроводиться виділенням – іонної плазми.}

 

Рис 3.2. Катодне напилення

 

Рис.3.2.

Специфіка аномального тліючого розряду полягає в тому, що в прикатодному просторі утворюється настільки сильне електричне поле, що позитивні іони газу, що прискорюються цим полем і бомбардуючий катод, вибивають з нього не тільки електрони (необхідні для підтримки розряду), але і нейтральні атоми. Тим самим катод поступово руйнується. У звичайних газорозрядних приладах руйнування катода не допустиме (тому в них використовується нормальний тліючий розряд), але в даному випадку вибивання атомів з катода є корисним процесом, аналогічним випаровуванню.[3]

Важливою перевагою катодного напилення в порівнянні з термічним є те, що розпилювання катода не пов'язане з високою температурою. Відповідно відпадають труднощі при напиленні тугоплавких матеріалів і хімічних сполук.[3]

Проте в даному методі катод (тобто напилюваний матеріал), будучи елементом газорозрядного ланцюга, повинний володіти високою електропровідністю. Таку вимогу обмежує асортимент напилюваних матеріалів. Зокрема, виявляється неможливим напилення діелектриків, зокрема багатьох оксидів і інших хімічних сполук, поширених в технології напівпровідникових приладів.[3]

Це обмеження значною мірою усувається при використанні так званого реактивного (або хімічного) катодного напилення, особливість якого полягає в додаванні до основної маси інертного газу невеликої кількості активних газів, здатних утворювати необхідні хімічні сполуки з матеріалом катода, що розпилюється. Наприклад, домішавши до аргону кисень, можна виростити на підкладці плівку оксиду. Домішавши азот або монооксид вуглецю - нітрид або карбіди відповідних металів. В залежності від парціального тиску активного газу хімічна реакція може відбуватися або на катоді (і тоді на підкладці осідає вже готове з'єднання), або на підкладці – аноді.[3]

Недоліками катодного напилення в цілому є деяка забрудненість плівок (через використання порівняно низького вакууму), менша в порівнянні з термічним методом швидкість напилення (з тієї ж причини), а також складність контролю процесів.[3]