Термическое вакуумное напыление

Существует несколько разновидностей термического напыления тонких пленок. Выбор того или иного способа зависит от поставленной задачи и материала мишени. К основным методам термического напыления можно отнести обычный резистивный нагрев испарителя и лучевые методы: лазерный и электроннолучевой.  Резистивный метод основан на использовании джоулевого тепла при пропускании тока через нагреватель.

Лучевые методы используют энергию квантов света и энергию ускоренных электронов. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки.

Во всех случаях вещество мишени в результате фазовых превращений переходит из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное. Правда, имеется ряд веществ, которые могут сублимировать прямо из твердого состояния (цинк, кадмий, магний). Испарившиеся частицы мишени в условиях высокого вакуума не испытывают столкновений и оседают на подложку, которая обычно прогревается. Имея достаточную тепловую

энергию частицы мишени, могут или реиспариться,  или адсорбироваться на подложку, передавая ей часть своей энергии. В результате диффузионных процессов частицы могут мигрировать по поверхности подложки. Встретив на своем пути другую частицу,  они могут объединиться, образуя постепенно группу, которая может стать центром кристаллизации или кластера. На начальном этапе формирования конденсата отдельные группы отдалены друг от друга. Таким образом, получается островковая структура, которая в дальнейшем трансформируется в сплошное покрытие по мере поступления конденсата. Структура покрытия на начальном этапе существенно зависит как от физических и механических свойств подложки, так и от ее температуры. Высокая температура подложки способствует миграционным процессам, т.е. увеличивается время диффузионного перемещения частиц, а значит,  растет вероятность формирования более крупных образований (зерен и кластеров).

В этом случае островковая структура может сохраняться достаточно долго, а вновь поступающие частицы идут на достройку зерен. На холодных и неориентированных подложках, например, аморфных, миграционные процессы менее выражены и островковая стадия заканчивается значительно раньше. При этом размер зерен меньше и пленка становится сплошной раньше, однако, в этом случае не следует ожидать от нее кристаллического строения. Более подробное описание механизма формирования тонкой пленки на различных подложках  будет приведено позже. 

Система вакуумного резистивного напыления включает необходимые элементы: вакуумное оборудование, испаритель, подложкодержатель, нагреватели, источники питания, контрольно-измерительные приборы и др.

Испаряемое вещество-мишень размещается на испарителе в виде токопроводящих лент, лодочек, спирали, нити или тугоплавких тиглей, косвенного нагрева. Проводящие испарители изготовляются из тугоплавких металлов: молибден и вольфрам. Пока испаритель выводится в рабочий режим, подложка экранируется поворотной заслонкой. Температура подложки играет существенную роль при формировании покрытия и ее чистоты.

Осаждение паров вещества на подложку с низкой температурой выше, чем на горячую подложку. Однако, время формирования структуры пленки снижается в виду низкой энергии миграции и диффузии адатомов. С другой стороны, скорость напыления на горячую подложку уменьшается в результате процессов реиспарения. Современные безмасляные вакуумные установки позволяют производить напыление при разряжении остаточных газов вплоть до  10-11 мм.рт.ст. Процесс термического резистивного напыления зависит от многих факторов: степени и чистоты вакуума, строения, чистоты и температуры подложки, химических свойств испарителя и мишени. 

При температуре испарения мишени, нагреватель не должен сам заметно испарятся,  и вступать в химическое взаимодействие с веществом мишени. Проблему нарушения стехиометрии тонкопленочного покрытия в методе резистивного испарения можно частично решить, используя разновидности этого метода. Так в режиме реактивного  испарения,  когда компоненты бинарного соединения имеют значительные расхождения давлений паров при одинаковой температуре, в вакуумную камеру вводят реактивный газ(кислород, азот, хлор и др.). Молекулы газа компенсируют дефицит данных элементов в бинарном соединении на подложке и тем самым способствуют формированию стехиометрических покрытий. Такую же задачу решают методы дискретного взрывного испарения и испарения с двух и более резистивных нагревателей. В методе дискретного испарения на перегретый испаритель сбрасываются небольшие порции вещества мишени.

Происходит почти мгновенное испарение, при котором бинарноесоединение не успевает диссоциировать и оседает на подложку. Однако, в виду высоких тепловых энергий из испарителя могут лететь не только атомы и молекулы, но и крупные частицы, ухудшающие характеристику конденсата.

Напыление из двух источников уменьшает риск загрязнения подложки продуктами химического взаимодействия вещества мишени и нагревательного элемента, т.к. компоненты химического соединения мишени испаряются отдельно. Но в этом случае требуется предварительная отработка температурных и временных режимов.

Следует отметить, что метод резистивного вакуумного напыления стал развиваться раньше других вариантов и, может быть, по этой причине разработан глубже и надежнее других методов вакуумного напыления. В настоящее время этот метод является основным в производстве элементов приборов электроники и микроэлектроники.

К достоинствам данного метода напыления тонких пленок можно отнести:

- относительная техническая простота;

- технологичность;

- высокий и относительно чистый вакуум, априори, не загрязняет подложку и конденсат;

- возможны сочетания с другими способами напыления;

- непосредственный технический контроль и регулирование параметров самого процесса напыления и конечного продукта обеспечивают воспроизводимость серийного продукта.

К недостаткам самого метода в чистом виде без привлечения других средств можно отнести:

- возможность загрязнения покрытий частицами испарителя;

- трудно испарять тугоплавкие вещества;

- возможно селективное испарение сложных по химическому составу веществ;

- требуется относительно длительное время для подготовки самого процесса вакуумного напыления.