Учебники по популярным профессиям
на asv0825.ru

Граверное дело
Учебник

       

19. Вакуумный метод

В промышленности широко распространено получение тонких пленок испарением материалов в вакууме с последующим осаждением (напылением) на заготовку. С помощью этого метода можно изготовлять тонкие слои из самых различных материалов с весьма разнообразными свойствами. Находят широкое применение металлические, диэлектрические, магнитные, сегнетоэлектрические, полупроводниковые и другие пленки.

Изготовляемые на основе металлических пленок разнообразные шкалы, сетки, лимбы и другие подобные им изделия используются в приборостроении, машиностроении, астрономии, измерительной и космической технике и т. д.

В практике установилась классификация вакуумных покрытий в зависимости от их толщины: до 1 мкм — тонкие пленки, до 10 мкм — толстые пленки, свыше 10 мкм — конденсаты.

Наиболее существенное влияние на качество пленок оказывают: скорость конденсации, степень вакуума, чистота материала, способ его испарения, температура подложки и угол поступления паров металла, на подложку и другие. Прочность же сцепления нанесенных слоев зависит от шероховатости покрываемой поверхности, а также от типа пары пленка — подложка.

Металлы, склонные к образованию окисей (хром, титан и др.), обычно обнаруживают хорошую адгезию к стеклу, в то время как золото и серебро связываются со стеклом слабо и легко удаляются с его поверхности. С металлическими же подложками все металлические пленки сцепляются обычно весьма сильно, а плохая сцепляем ость всегда связана с неудовлетворительной очисткой заготовки.

Перед покрытием заготовки в течение суток обезжиривают в растворе хромовой смеси, которая состоит из серной кислоты с хромпиком. Затем их промывают в технической и дистиллированной воде и тщательно протирают фланелевой салфеткой. Далее чистят крокусом (поляритом) с помощью ватного тампона и воды. Очищенную поверхность смачивают спиртом-ректификатом и протирают батистовой салфеткой. Затем заготовку помещают под колпаком на столике специальной вакуумной установки для нанесения на ее поверхности алюминиевой пленки.

Вакуумная установка — совокупность методов получения, поддержания и измерения вакуума в сосуде и применяемой при этом аппаратуры: вакуумных насосов, газопоглотителей, вакуумметров, соединительной и вспомогательной аппаратуры. Вакуумный насос — устройство для удаления газов и паров с целью получения вакуума.

С помощью насоса низкого вакуума под колпаком создают предварительное разрежение (форвакуум), после чего для удаления адсорбированных газов включают установки ионной бомбардировки. Для поддержания оптимального режима бомбардировки с помощью насоса регулируют количество газа в объеме открытием и закрытием вентиля насоса: сила тока возрастает — насос открывается, сила тока падает — насос закрывается.

При напылении особое внимание должно уделяться скорости откачки воздуха из камеры напыления и быстроте удаления газов выделяемых источниками испарения, хотя в реальных условиях всегда существуют течь через уплотнения и газоотдача с поверхности установки.

Скорость откачки зависит от материала подложки, например для пластмассовых подложек требуется повышенная скорость откачки. Высокая скорость откачки сокращает время рабочего цикла, а медленная откачка загрязняет вакуумные пленки, ухудшая их качество. Качество пленок повышается, если установка располагается в помещении с кондиционированным воздухом.

Процесс получения качественных пленок является сложным процессом, зависящим от правильности выбора материалов подложки и покрытия, шероховатости поверхностей, температуры подогрева подложки, толщины наносимой пленки, режимов процесса (скорости и длительности испарения), расстояния от подложки до испаряемого материала, качества вакуумных установок, совершенства контроля и т. д. Причем несоблюдение одного из вышеуказанных условий может привести к браку получаемого изделия.

Алюминий и стекло имеют плохую адгезию, поэтому иногда для увеличения сцепления между покрывающим слоем и заготовкой делают двойное покрытие. Сначала вакуумным напылением наносят слой хрома, который имеет хорошую адгезию со стеклом, а затем слой алюминия. Процесс нанесения хрома на заготовку такой же, как и алюминия. Высокая равномерность пленок по толщине достигается соответствующим размещением испарителей, вращением подложки во время осаждения и удалением ее на возможно большее расстояние от испарителей.

Существует большое число конструкций испарителей, применение которых в каждом отдельном случае определяется характеристиками испаряемого вещества, шероховатостью поверхностей, равномерностью покрытия и т. д. Наибольшее распространение получило испарение из тиглей, с проволочек, из спиралей и лодочек. Для испарения значительных количеств материалов удобны тигли (кварцевые, шамотные, угольные, керамические и т. д.). Тигли могут применяться только для испарения материалов, не вступающих с ними в реакцию и не образующих сплавов. Так, барий реагирует с тиглями из окислов металлов, и его надо испарять с вольфрамовых нагревателей. Кремний, наоборот, вступает в реакцию с вольфрамовыми нагревателями, но его можно испарять из ВеО-тиглей. Многие металлы не могут испаряться из угольных тиглей, так как при высокой температуре они вступают в реакцию с тиглями.

Рассмотрим кратко влияние отдельных факторов, характеризующих условия получения пленки, на ее структуру.

1. Качество слоев зависит от технологических параметров. На процесс отложения, свойства и структуру слоя влияют температура подложки и последующая термообработка слоя, т. е. условия аккомодации, десорбции, миграции атомов и величина поверхностных сил, определяющая процесс отложения слоя и характер образующейся структуры. Но поскольку вероятность образования слоя зависит от большого числа трудно учитываемых условий, взаимосвязь которых еще не совсем ясна, можно указать лишь на эмпирическое правило, согласно которому вещества, точка кипения которых выше 1500 °С, уже при комнатной температуре образуют на стекле прочные слои из серебра, никеля, золота, железа и т. д. Для материалов с более низкой температурой кипения подложка должна охлаждаться. С понижением температуры подложки снижается способность атомов к миграции и образованию агломератов. При этом увеличивается число центров кристаллизации, растет количество зерен, уменьшаются их размеры и, следовательно, меньшее количество металла требуется для получения пленок. Таким образом, оказывается, что критическая толщина пленки тем меньше, чем ниже температура подложки.

От типа пары пленка — подложка зависит и структура наносимого слоя. Если поверхностные силы сцепления на границе пленка — подложка меньше сил сцепления в пленке, то она приобретает зернистую структуру, при обратном соотношении сил сцепления структура получается однородной.

Повышение температуры подложки в процессе нанесения пленки ведет к увеличению неоднородности распределения материала с выделением изолированных крупных кристаллов. Нагревание пленки с уже сформированной, хотя и не равновесной структурой приводит к форсированию процесса «старения», т. е. постепенному необратимому изменению свойств покрытия.

2. Структура металлических покрытий сильно зависит от природы и качества подложек. Например, прозрачность пленок золота, нанесенных на слой окиси висмута, много больше, а поглощение много меньше, чем пленок золота, нанесенных на полированное стекло. В последнем случае покрытия получаются менее однородными, с более крупными гранулами. Оказывается, что поверхность напыленного слоя настолько хорошо отражает структуру подложки, что на слое серебра в сотых долях микрометров хорошо заметны имеющиеся на подложке ступеньки. Это особенно хорошо заметно при сравнении пленок, полученных на поверхностях скола кристаллов и на полированных поверхностях. Последние даже при весьма тщательной полировке испещрены микроскопическими выбоинами и выступами, что в сильной мере сказывается на процессах возникновения и роста гранул.

В ряде случаев поверхность оказывает более или менее отчетливо выраженное ориентирующее действие на частицы осажденного металла. Например, имеется ориентирующее действие кристаллической подложки (кварц, хлористый натрий) на частицы осажденного серебра, тогда как при осаждении серебра на стекло и целлулоид никаких следов ориентации не обнаруживается.

3. Один и тот же металл, наносимый на подложку при высоком и низком вакууме, образует пленки, различные по структуре и свойствам. Пленки, загрязненные частицами остаточного газа, обладают меньшей плотностью и большим удельным сопротивлением, чем пленки, полученные в хорошем вакууме. Если же слои наносятся испарением в наиболее чистых условиях высокого вакуума и объемная концентрация остаточных газов сравнима с концентрацией паров осаждаемого вещества, то осажденный слой или же загрязняется чужеродными атомами, образующими, или твердые растворы, или химические соединения (например, окислы).

4. Характер образующегося покрытия существенно зависит от свойств напыляемого металла. Поверхностная концентрация центров конденсации, а также первичные размеры гранул, с образованием которых начинается процесс формирования покрытия, весьма различны для различных металлов. Так, если для кадмия и цинка первичные размеры гранул достигают 2х10-5 мкм и сами гранулы удалены друг от друга на значительные расстояния, то для серебра и золота эти размеры лежат за пределами разрешающей способности электронного микроскопа и гранулы расположены сравнительно густо.

По характеру образуемых покровных слоев металлы можно разделить на три группы. Для первой из них, включающей металлы с температурами плавления выше 1900°С (вольфрам, тантал, кобальт и т. д.), характерно образование плотных слоев с очень малыми гранулами, размеры которых не превышают 1,5-10-4 мкм. Ко второй группе принадлежат металлы, имеющие температуры плавления от 650 до 1900°С (золото, серебро, медь, железо, хром, марганец, титан и т. д.). У них отчетливо выявляется тенденция к увеличению размера гранул (и соответственно расстояний между ними) по мере понижения температуры плавления. Металлы третьей группы (цинк, магний, висмут, кадмий и т. д.), температуры плавления которых ниже 650 °С, образуют гранулы с более или менее выраженными кристаллическими формами.

Частицы кадмия и цинка имеют отчетливо выраженную правильную кристаллическую форму, сохраняемую ими и при слиянии в агломерате. При этом некоторые из них обнаруживают заметную прозрачность для электронного пучка. Теневые фотографии показывают, что в этом случае частицы имеют форму тонких пластинок.

Вообще формы и размеры частиц в направлении, перпендикулярном к поверхности, весьма разнообразны. В то же время частицы олова, серебра, золота имеют почти сферическую форму, сохраняющуюся вплоть до весьма больших размеров, когда начинает выявляться тенденция к образованию кристаллических граней, причем рост частиц почти не ведет к увеличению толщины покрытия металлом поверхности подложки — последняя остается в значительной степени обнаженной.

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru