Введение

Электронное физическое осаждение пара, или EBPVD, является формой физического осаждения пара, в котором целевой анод бомбардируется электронным луком, испускаемым заряженной вольфрамовой нити под высоким вакуумом. Электронный луч заставляет атомы из цели превращаться в газообразную фазу. Эти атомы затем осаждаются в твердую форму, покрывая все в вакуумной камере (в пределах видимости) тонким слоем анодного материала.

Введение

Осаждение тонкой пленки - это процесс, применяемый в полупроводниковой промышленности для выращивания электронных материалов, в аэрокосмической промышленности для образования тепловых и химических барьерных покрытий для защиты поверхностей от коррозионных сред, в оптике для придания желаемых отражающих и передающих свойств подложке и в других местах в промышленности для модификации поверхностей с целью получения различных желаемых свойств. Процесс осаждения можно в широком смысле разделить на физическое осаждение паром (PVD) и химическое осаждение паром (CVD). При СВД рост пленки происходит при высоких температурах, что приводит к образованию коррозионных газообразных продуктов, и это может оставлять примеси в пленке. Процесс PVD может проводиться при более низких температурах осаждения и без коррозионных продуктов, но скорость осаждения обычно ниже. Однако физическое осаждение парами электронного луча дает высокую скорость осаждения от 0,1 до 100 мкм/мин при относительно низких температурах подложки с очень высокой эффективностью использования материала. Схема системы EBPVD показана на фиг. 1.

Процесс тонкопленочного осаждения

В системе EBPVD камера осаждения должна быть выведена под давлением не менее 7,5 Торр (10−2 Па), чтобы обеспечить прохождение электронов из электронного пушки в испарительный материал, который может быть в форме слитка или стержня. В качестве альтернативы, некоторые современные системы EBPVD используют систему подавления дуги и могут работать при вакуумных уровнях до 5,0 Торр, для таких ситуаций, как параллельное использование с магнетроновым распылением. В одной системе EBPVD одновременно можно использовать несколько типов испарителей и электронных пушек, каждый из которых имеет мощность от десятков до сотен киловатт. Электроны могут генерироваться термоионным излучением, полевым излучением электронов или методом анодной дуги. Образуемый электронный луч ускоряется до высокой кинетической энергии и направляется к испаряющемуся материалу. При ударе по испаряющемуся материалу электроны очень быстро теряют энергию. Кинетическая энергия электронов преобразуется в другие формы энергии посредством взаимодействия с испаряющимся материалом. Производимая тепловая энергия нагревает испаряющийся материал, вызывая его плавление или сублимацию. Когда температура и уровень вакуума достаточно высоки, из расплавленного или твердого вещества появляется пар. Полученный пар может затем использоваться для покрытия поверхностей. Ускорительные напряжения могут быть от 3 до 40 кВ. Когда ускоряющее напряжение составляет 2025 кВ, а ток пучка составляет несколько ампер, 85% кинетической энергии электрона может быть преобразовано в тепловую энергию. Часть падающей энергии электронов теряется при производстве рентгеновских лучей и вторичном излучении электронов. Существует три основные конфигурации EBPVD, электромагнитное выравнивание, электромагнитное фокусирование и конфигурация падения подвески. Электромагнитная выровняемость и электромагнитная фокусировка используют испарительный материал, который имеет форму слитка, в то время как в конфигурации падения подвески используется стержень. Инготы заключаются в медный тигль или очаг, в то время как с одной стороны в розетке будет установлен стержень. Как тигуль, так и сокет должны быть охлаждены. Это обычно происходит при циркуляции воды. В случае с слитками на их поверхности может образовываться расплавленная жидкость, которая может быть удерживается постоянной путем вертикального смещения слитка. Скорость испарения может быть порядка 10−2 г/см2·с.

Методы испарения материала

Огнеупорные карбиды, такие как карбид титана и бориды, такие как борид титана и борид циркония, могут испаряться, не подвергаясь разложению в фазе испарения. Эти соединения осаждаются путем непосредственного испарения. В этом процессе эти соединения, сжатые в виде слитка, испаряются в вакууме с помощью сфокусированного пучка электронов высокой энергии, и пары напрямую конденсируются над подложкой. Некоторые окислители и карбиды испытывают фрагментацию во время их испарения электронным пучком, в результате чего стехиометрия отличается от исходного материала. Например, алюминий, испаряясь при помощи электронного луча, диссоциации в алюминий, AlO3 и Al2O. Некоторые огнеупорные карбиды, такие как карбид кремния и карбид вольфрама, разлагаются при нагреве, а диссоциированные элементы имеют разную летучесть. Эти соединения могут оседать на подложке либо реактивным испарением, либо соиспариванием. В процессе реактивного испарения металл испаряется из слитка электронным лучем. Пары переносятся реактивным газом, который представляет собой кислород в случае оксидов металлов или ацетилен в случае карбидов металлов. Когда термодинамические условия соблюдены, пары вступают в реакцию с газом в окрестностях подложки, образуя пленки. Металлические карбидные пленки также могут осаждаться путем совместного испарения. В этом процессе используются два слитка, один для металла, а другой для углерода. Каждый слиток нагревается с помощью различной энергии пучка, чтобы можно было контролировать скорость его испарения. По мере того, как пары достигают поверхности, они химически соединяются в соответствующих термодинамических условиях, образуя металлическую карбидную пленку.

Подложка

Подложку, на которой происходит осаждение пленки, очищают ультразвуковым методом и прикрепляют к держателю подложки. Подложка крепится к валу манипулятора. Манипуляторный вал перемещается трансляционно для регулирования расстояния между источником слитка и подложкой. Вес также вращает подложку с определенной скоростью, так что пленка равномерно оседает на подложке. На подложку может быть применено отрицательное напряжение постоянного тока 200400 В. Часто для предварительного нагрева подложки используются сфокусированные электроны высокой энергии из одного из электронных пушек или инфракрасный свет от ламп нагревателя. Нагрев субстрата позволяет увеличить диффузию атаматов и атаматов, давая атаматам достаточную энергию для преодоления кинетических барьеров. Если требуется грубая пленка, например металлические наносталы, то для сокращения срока жизни диффузии может использоваться охлаждение субстрата водой или жидким азотом, что положительно усиливает поверхностные кинетические барьеры. Для дальнейшего повышения шероховатости пленки подложку можно монтировать под крутым углом по отношению к потоку, чтобы достичь геометрического затенения, когда поступающий по линии обзора поток попадает только на более высокие части развивающейся пленки. Этот метод известен как отложение под углом взгляда (GLAD) или отложение под наклонным углом (OAD).

Осаждение с помощью ионного луча

Системы EBPVD оснащены ионными источниками. Эти источники ионов используются для гравировки и очистки субстрата, пыления мишени и контроля микроструктуры субстрата. Ионные лучи бомбардируют поверхность и изменяют микроструктуру пленки. Когда реакция осаждения происходит на горячей поверхности подложки, пленки могут развивать внутреннее напряжение натяжения из-за несоответствия коэффициента теплового расширения между подложкой и пленкой. Высокоэнергетические ионы могут быть использованы для бомбардировки этих керамических тепловых барьерных покрытий и превращения напряжения натяжения в напряжение сжатия. Ионная бомбардировка также увеличивает плотность пленки, изменяет размер зерна и модифицирует аморфные пленки в поликристаллические пленки. Для поверхностей полупроводниковых пленок используются ионы низкой энергии.

Преимущества

Скорость осаждения в этом процессе может быть от 1 нм в минуту до нескольких микрометров в минуту. Эффективность использования материала высока по сравнению с другими методами, а процесс обеспечивает структурный и морфологический контроль пленок. Благодаря очень высокой скорости осаждения этот процесс имеет потенциальное промышленное применение для износостойких и теплозащитных покрытий в аэрокосмической промышленности, твердых покрытий для режущей и инструментальной промышленности, а также электронных и оптических пленок для полупроводниковой промышленности и тонкопленочных солнечных приложениях.

Недостатки

EBPVD - это процесс осаждения в прямой видимости при достаточно низком давлении (примерно < 10−4 Торр). Трансляционное и вращательное движение вала помогает покрывать внешнюю поверхность сложных геометрий, но этот процесс не может использоваться для покрытия внутренней поверхности сложных геометрий. Другая потенциальная проблема заключается в том, что деградация нити в электронном орудии приводит к неравномерной скорости испарения. Однако, когда осаждение паров производится при давлении примерно 10−4 Торр (1,3 гПа) или выше, происходит значительное рассеивание облака паров, так что поверхности, не видимые источником, могут быть покрыты. Строго говоря, медленный переход от линии обзора к рассеянному осаждению определяется не только давлением (или средним свободным путем), но и расстоянием от источника до субстрата. Некоторые материалы не подходят для испарения EBPVD. Следующие справочные материалы предлагают подходящие методы испарения для многих материалов: Vacuum Engineering & Materials Co., Inc. Kurt J. Lesker Company. См. также Оксфордский справочник по испарению элементов.