Электроннолучевое испарение

Процесс электронно-лучевого испарения заключается в бомбардировке материала мишени ускоренными электронами. Кинетическая энергия электронов преобразуется в теплоту. Между катодом и анодом устанавливается электростатическое напряжение в 10 – 25 кВ.

 eU = mV2/2 = Q0, Дж, где

е – заряд электрона, Кл

U – напряжение между катодом и анодом, В

m –масса электрона, кг

V – скорость электрона, м/с

Q0  - теплота переданная мишени от одного электрона, Дж

Пологая, что напряжение равно 20 кВ и  средняя мощность электронного луча составляет около 50 Вт, имеем в каждую секунду тепловую энергию 50Дж. Тогда можно оценить величину тока луча и температуру на поверхности мишени.

Q = NQ0, 

q = Ne

I =q/t

I = Qe/Q0t = Q/Ut    ОТСЮДА I = 50/2*104 = 2,5 мА,

Плотность мощности излучения для электронного луча диаметром 2мм составит около 1,6 * 103 Вт/см2.

Повышение температуры поверхности мишени за одну секунду можно оценить из соотношения:

Т = 3Q/2 CR03 . где:

С – теплоемкость материала мишени, Дж/моль К,

R0 – эффективный радиус пятна разогрева, м,

p – плотность материала мишени, кг/м3,

Пусть для сульфида цинка: C=45Дж/моль К = 463Дж/кг К, = 4,08 г/см3 и R0 = 1 мм, тогда через две минуты температура станет 1500 0С. Этот результат является оценочным, т.к. не учитывает множество факторов, например, истинную глубину проникновения потока электронов в мишень, ослабление потока и энергии электронов из-за перезарядки поверхности мишени и др. 

Катодом обычно служит нагретая до высокой температуры вольфрамовая проволока. На него подается ускоряющее напряжение. Анодом служит сама мишень, если она из металла, или металлическая петля вблизи мишени, которые заземляются. Для фокусировки электронного луча используется электронная пушка, а для управления лучом, например сканирование по поверхности мишени, служит магнитная линза, заимствованные из электронно-лучевых телевизионных систем. Для уменьшения нагревания металлического, обычно медного, держателя мишени, его охлаждают проточной водой, устраняя, тем самым, конденсат от загрязнения атомами мишени.

Периодически катод приходиться менять, в виду, эрозии и уменьшения его эмиссионных свойств, положительными ионами и химическими загрязнениями от испаряемого вещества и остаточных газов. Ионизация остаточных газов может

приводить к расфокусировке луча, поэтому степень вакуума желательно держать на уровне не хуже 10-3 Па. Опять же, при высокой плотности паров вещества и его ионизации  между катодом и стенкой вакуумной камеры может возникнуть тлеющий разряд, мешающий управлением электронного луча. Если на катод подано напряжение порядка 25кВ может возникнуть мягкое рентгеновское излучение, от которого приходится защищаться свинцовым экраном. 

Испарение металлов, даже тугоплавких, типа молибден, вольфрам электронным лучом не вызывает принципиальных затруднений. Некоторые трудности возникают при испарении металлов с высокой теплопроводностью, типа медь, алюминий. Другое дело, испарение диэлектриков и широкозонных  полупроводников, поверхность которых заряжается отрицательно. Этот заряд препятствует дальнейшей бомбардировке, и испарение вещества мишени практически прекращается. В этом случае используют пульсирующий режим электростатического поля, а мишень устанавливается на металлический держатель. Во время паузы отрицательный заряд с поверхности мишени успевает стечь на землю. При воздействии на мишень остросфокусированным лучом, как правило, на поверхности мишени возникает кратер, образование которого можно уменьшить путем сканирования луча по поверхности. 

Для уменьшения попадания испарившихся частиц мишени на катод можно использовать принцип масс-спектрометрии, при котором луч отклоняется на 180 и даже 270 градусов. 

Электронно-лучевой способ получения тонких покрытий используется не так широко, по сравнению с обычным резистивным методом термического напыления, скорее всего, из-за его сложности, однако, этот метод имеет ряд очевидных преимуществ.