Источники выпаривания. 
Основы конструирования и технологии производства радиоэлектронных средств. 
Интегральные схемы

Источники выпаривания разделяются по способу нагрева:

• — резистивный нагрев (путем электрического сопротивления);
• — индукционный нагрев (путем индукции);
• — электронно-лучевой нагрев (путем электронной бомбардировки).

Выпаривание при резистивном нагреве. Используют нагреватели-испарители поверхностного типа с резистивным нагревом в форме спиралей, лент, лодочек (Рис. 8.6, а, б), а также испарители тигельного типа с косвенным нагревом (Рис. 8.6, в).

Наиболее часто применяют испарители поверхностного типа в форме спиралей из вольфрама, молибдена и тантала.

При небольших количествах испаряемого металла и при условии, что металл смачивает материал подогревателя, применяются проволочные подогреватели, на которые испаряемый материал в виде загнутых кусочков проволоки или полосок листового материала навешивается на подогреватель (Рис. 8.6, а).

При больших количествах металла и порошкообразных материалов применяют испарители в виде лодочек или тиглей,.

Рис. 8.6. Нагрев путем сопротивления: а — нить накала 2, испаряемый материал 1; б — лодочка; в — тигель подогреваемых электрическим током (Рис. 8.6, б, в).

Нити накала (Рис. 8.6, а) чаще всего изготовлены из вольфрама. Они состоят из одного или нескольких скрученных проволок, образующих более или менее длинные спирали, в зависимости от количества испаряемого вещества. Нити накала отличаются тем, что они могут выпаривать во все направления; но их применение ограничено. Они годятся только для некоторых веществ, хорошо смачивающих вольфрам (Al, Au, Ag), и для выпаривания которых не нужна слишком высокая температура. Преимуществами этого метода выпаривания являются: простота конструкции нагревателя, малая стоимость, отсутствие ионизирующего излучения. Недостатки метода заключаются: в возможности загрязнения покрытия материалом нагревателя; малой величине загрузки, что ограничивает предельную толщину покрытия; малом сроке службе из-за образования эвтектических смесей при низкой точке плавления между вольфрамом и выпаренным веществом и трудностях получения покрытий на основе сплавов, если нс применяется взрывное испарение. При взрывном испарении на нагретую поверхность небольшими порциями капают испаряемый сплав. При этом происходит быстрый нагрев и все компоненты сплава переносятся на подложку.

Лодочки (Рис. 8.6, б) выполнены из листового вольфрама, тантала или молибдена и выпаривают вещество в одном направлении. Их недостатком являются возможность образования эвтектики выпариваемого вещества, которые могут взаимодействовать с материалом лодочки.

Во избежание образования эвтектик, лодочку можно формировать в виде бруска на основе электропроводящей керамики (борид титана или кермет) (Рис. 8.7). Ее можно загружать материалом в вакууме в виде нити или гранул с помощью вибри;

Рнс. 8.7. Лодочки из проводниковой керамики: 1 — медный электрод; 2 — охлажденный электрод; 3 — подача нити разматывателем; 4 — лодочка (брусок из проводниковой керамики)

рующей воронки. Такого рода источник обыкновенно используется в установках непрерывной металлизации, как например, металлизации упаковочной пластмассовой пленки.

Тигели (Рис. 8.6, в) — это металлический или керамический сосуд, окруженный резистом, нагревающего тигель путем излучения (из оксида алюминия, борного нитрида, оксида магния). Чаще всего они применяются для возгонки веществ, т. е. для выпаривания из твердой фазы.

Выпаривание индукционным ВЧ-нагревом. На Рис. 8.8 показана схема источника выпаривания металла при его индукционном ВЧ-нагреве. Здесь напыляемое вещество 2 помещается в керамический тигель 5, окруженный медной катушкой 1, охлажденной водой, и питаемый переменным ВЧ-током.

Созданное таким образом переменное электромагнитное иоле индуцирует в испаряемом металле токи Фуко (токи рассеянной энергии), которые нагревают его. Плотность тока уменьшается экспоненциально снаружи к центру. В тепловом отношении все происходит так, как будто ток протекает в поверхностном слое, толщиной / (скин-эффект).

где / - толщина слоя, м; /- частота ВЧ-тока, Гц; р — удельное электрическое сопротивление испаряемого материала, Омм

Рис. 8.8. Источник выпаривания с ВЧ-нагревом: 1 — ВЧ индуктор прямого тока; 2 — жидкий металл; 3 — платформа; 4 — керамическая подставка; 5 — тигель.

р — магнитная проницаемость материала, Гн/м.

Эффективность нагрева зависит от частоты. Диаметр и характеристики загрузки определяют критическую частоту, при которой достигается максимальная эффективность нагрева.

Преимущество такого источника — в его простоте и прочности. Однако он годится только для некоторых определенных материалов, и он стоит относительно дорого из-за высокой стоимости ВЧ мощности.

Выпаривание электроиио-лучевым нагревом. Выпаривание материалов в вакууме при нагреве их электронным лучом широко используют для получения покрытий. Так как процесс проводится в вакууме (Р < 10'⁴Па), а испарение материала происходит из расплава, который находится в водоохлаждаемом тигле, то получаемые покрытия характеризуются высокой чистотой. Высокая температура поверхности расплава, поддерживаемая прямым разогревом электронной бомбардировкой, стимулирует процессы термического разложения загрязнений и глубокое обезгаживание материала.

Электронно-лучевое выпаривание используется при получении покрытий из труднолетучих и тугоплавких материалов (АЬОз, SiOi, стекол, карбидов и др.). Для получения покрытий сложного состава используются несколько тиглей, которые по заданной программе поочередно подвергаются воздействию электронного луча.

Принципиальная схема для нанесения покрытий электронно-лучевым выпариванием в вакууме приведена на Рис. 8.9.

Рис. 8.9. Схема установки электронно-лучевого испарения: 1 — электронная пушка; 2 — отклоняющая электромагнитная система; 3 — поток паров вещества; 4 — подложка; 5 — бункер; 6 — вибратор; 7 — желоб; 8 — испаряемое вещество; 9 — водоохлаждаемый тигель; 10 — электронный луч.

Плотность мощности q₂ электронного луча для выпаривания используется в диапазоне 10⁴… 10⁵ Вт/слГ. При q₂ > 10⁴ Вт/см¹ у многих материалов начинается разбрызгивание расплава. Регулировкой плотностью мощности за счет изменения ускоряющего напряжения U_VCK и напряжения на модулирующем электроде электронной пушки l/ф, можно изменять скорость выпаривания и распределение плотности потоков пара.

Распыление полимерных материалов в вакууме используется для нанесения защитных и оптических полимерных пленочных покрытий с применением электронной пушки малой мощности (Рис. 8.10). Исходный промышленный полимер 3 распыляется в вакуумной камере при давлении 10'²… 10'³/7я элек;

Рис. 8.10. Схема устройства для нанесения защитных полимерных покрытий: 1 — электронный луч; 2 — электроннолучевой испаритель; 3 — тигель с исходным полимером; 4 — сетчатый электрод; 5 — держатель; 6 — кварцевый измеритель толщины; 7 — изделие; 8 — осаждаемое полимерное покрытие.

тронно-лучевым прожектором 2 с катодом прямого накала, позволяющим формировать пучки с плотностью тока У = 50…500 А/м² и энергией электронов в диапазоне.

Е = 0,1 …2,5 кэВ с площадью пятна обработки S = (1…5)* 10″ ⁴л/².

В качестве распыляемых исходных полимеров используются блочный политетрафторэтилен (ПТФЭ) и его порошки, полиэтилен (ПЭ) и полиуретан (ПУ). Летучие продукты, получаемые в камере в виде активной газовой среды низкого давления, осаждаются на поверхность изделия (подложки) и вторично полимеризуются, образуя сплошной слой полимера. Скорость нанесения покрытий на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и полиуретана (ПУ) составляет ~ 6… 10 нм/с. Свежие покрытия термически обрабатываются на воздухе при 60… 120″ С в течение 90… 100 мин.

Для придания высокой адгезии и сплошности полимерному покрытию проводится дополнительная обработка исходной поверхности изделия и полимерного слоя в процессе его роста плазмой разряда путем приложения источника переменного напряжения к электроду 4 относительно подложки.

Электронно-лучевые установки для нанесения охватывают диапазон значений: мощности 300…250 кВт; энергия электронов 10…40кэВ, диаметр электронного луча 2…30мм. При этом производительность процесса составляет 1… 100 г/ч.

В настоящее время для нанесения покрытий все большее применение находят импульсные методы электронно-лучевого выпаривания. Импульсный метод нанесения покрытий позволяет получать: высокую скорость осаждения; сплошные покрытия при меньших толщинах; сохранить стехиометрию состава выпариваемого материала.

Применение импульсного режима обработки позволяет учитывать теплофизические свойства материала и величину qi, более точно дозировать вводимую энергию и избегать при необходимости избытка жидкой фазы.

В импульсном режиме скорость осаждения конденсата достигает 1… 10. wow/с., что на 2…3 порядка выше скорости осаждения при стационарном нагреве.

На диаграмме (Рис. 8.11) показана производительность различных методов получения покрытий.

По оси абсцисс отложена энергия Е частиц потока пара, а по оси ординат — плотность частиц пара п. Начало отсчёта по оси ординат соответствует концентрации частиц воздуха при вакууме 10″ ¹ Па, т. е. давлении, при котором обычно получают плёнки термическим выпариванием.

Область энергии Е и концентрации атомов пара п ограничены сверху максимальной плотностью теплового потока qi= 10⁵Вт/см², соответствующей началу выпаривания.

Рис. 8.11. Сравнительная диаграмма производительности (при с/2⁼ 10'⁵ Вт/см²) различных способов получения покрытий: 1 — стационарное испарение; 2 — катодное распыление; 3 — импульсное электронно-лучевое испарение; 4 — в импульсном плазменном ускорителе.

• 1 область — стационарные методы выпаривания (термическое в вакууме, электронно-лучевое и лазерное в непрерывном режиме). В этой области величина п достигает значений соответствующих скорости осаждения ~⁹ м/с.
• 2 область — катодное распыление, обеспечивает скорость осаждения до 0,3−10'⁹ м/с.

Областями 1 и 2 исчерпывается вся современная промышленная технология получения покрытий.

• 3 область — импульсное электронно-лучевое и импульсное лазерное выпаривания. Здесь частицы пара имеют энергию на
• 2…3 jB больше, по сравнению со стационарными методами, а величина п обеспечивает скорость осаждения до 1СГ²м/с.
• 4 область — допустимая по условиям выпаривания, может быть реализована с помощью импульсных плазменных ускорителей.

Таким образом, импульсное выпаривание отличается более высокими параметрами /) и Е по сравнению со стационарным и обеспечивает высокую скорость осаждения.

Импульсный режим электронно-лучевого нагрева характеризуется повышенным К.П.Д. в сравнении с непрерывным режимом нагрева.

Высокая эффективность нагрева при переходе на импульсные режимы со скважностью С <0,1 приводит к резкому уменьшению количества жидкой фазы в зоне обработки и уменьшению энергетических затрат.

Параметры различных видов процессов выпаривания представлены в Таблице 8.1.

Таблица 8.1.

Электронный луч является одним из самых управляемых инструментов, поэтому использование развертки, амплитудночастотной модуляции и других параметров открывают значительные перспективы метода импульсного электронного нанесения.

Как показали исследования и теоретические разработки, для промышленной реализации электронно-лучевого нанесения необходимо оборудование, обеспечивающее: напряжение.

• 25…30к5, мощность 3…5 кВт, удельную мощность qj
• 10⁵___10⁶ В т/см у длительность импульса 1…50д/с, частоту следования импульсов 1. .200 Гц.