Довольно широко для изготовления тиглей используют углерод трех модификаций [18]:промышленный, стеклообразный и пиролитический графит.

При этом следует учесть, что такие металлы, как AI, Si, Ti, K, Na, Li в расплавленном состоянии взаимодействуют с графитом, образуя карбиды; Та, Мо и W образуют карбиды при температурах соответственно 1273, 1470, 1670 К; Cu и Be в расплавленном состоянии практически не взаимодействуют с графиком. При взаимодействии графита с тугоплавкими оксидами, например ThO2 , BeO, ZrO2, происходит процесс их восстановления. Отличие заключается лишь в температуре и продолжительности t реакции взаимодействия, после которой начинается процесс восстановления; так, для ThO2 T=2273 K, t=240 c; для ВеО-Т=2570 К и t =120 с, для ZrO2-T=1870 K и t =240 с.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫХ И ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ИСПАРИТЕЛЕЙ.

Прямонакальные испарители, несмотря на довольно широкое распространение и простоту конструктивного исполнения, не соответствуют всем требованиям, предъявленным к технологическим процессам получения вакуумных покрытий. Основные недостатки этих испарителей – высокая энергоемкость, ограниченные возможности при нанесении толстых покрытий, низкое качество покрытий вследствие их загрязнения атомами испарителя и продуктами взаимодействия материала испарителя и испаряемого вещества.

Этих недостатков лишены испарительные устройства и системы , основанные на электронно-лучевом способе нагрева. Он заключается в том, что на поверхность металла, сплава или какого-либо соединения, помещенного в тигель, направляют поток электронов, который довольно быстро нагревает вещество до температуры плавления, а затем и испарения. Носителем энергии является луч с энергией (9,6…48,0)10-16 Дж. В результате взаимодействия электронного луча с поверхностью испаряемого материала, кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую. Материал испаряется и нагревается. При таком способе существует принципиальная возможность поддерживания вещества при температуре испарения в течение довольно длительного периода. Соответственно практически нет ограничений по толщине наносимых слоев.

Конструктивно электронно-лучевые испарители выполняют в различных модификациях –с линейным, кольцевым (аксиальные пушки) или полым (газоразрядные пушки) катодом. Однако для всех систем характерно наличие функциональных типовых узлов : источника электронов ,ускоряющего анода , системы поворота электронного пучка и системы его фокусировки. Сформированный электронный пучок направлен в тигель с расплавом.

Электронный пучок может быть направлен в тигель с испаряемым веществом несколькими способами :без отключения пучка и отключением пучка на 45; 90; 180 и270 градусов . Следует отметить, что использование пушек с отклоняемым пучком электронов позволяет решать более широкий диапазон технологических задач, но при этом эффективность пучка снижается: с увеличением угла отключения пучка возрастает рассеяние электронов и требуется повышенная мощность.

Системы отклонения и фокусировки имеют три основные модификации-электростатические, электромагнитные и на постоянных магнитах. Наиболее широко используют электромагнитные системы.

Преимущества электронно-лучевого испарения обусловлены прежде всего тем, что- единственный способ, при котором энергия подводится непосредственно к поверхности, где формируется поток пара. Метод позволяет: достичь значительной поверхностной плотности энергии, благодаря чему могут быть реализованы высокие скорости испарения различных материалов, в том числе тугоплавких металлов, оксидов и других соединений.

Обеспечить простую регулировку мощности и распределение энергии по поверхности нагрева, что позволяет относительно легко регулировать толщину и равномерность нанесения покрытий.

Получать покрытия высокой чистоты благодаря применению водо-охлаждаемых тиглей.

. Существенно повысить энергетический КПД процесса металлизации по сравнению с достигаемым при использовании прямонакальных испарителей.

Можно выделить два класса вакуумных установок – для нанесения покрытий на отдельные изделия и для нанесения покрытий на рулонные материалы. Преимущество электронно-лучевого испарения особенно заметно проявляется для вакуумных установок второго класса, в которых требуется высокая производительность испаряющего устройства.

Электронно – лучевые испарители сложнее обслуживать, чем прямонакальные; требуется специальная подготовка операторов, причем необходимо учитывать рекомендации по обслуживанию и эксплуатации конкретных вакуумных установок.

Отличительная особенность электродуговых испарительных систем состоит в том, что помимо паров металла возникают ионизированные частицы. Эти частицы поддаются управлению электромагнитными или электростатическими полями и легко вступают в реакции с другими элементами. Последнее позволяет получить широкий спектр химических соединений по довольно простой технологии.

Применительно к проблемам вакуумной металлизации можно выделить некоторые характерные особенности электрической дуги, определяющие процесс формирования покрытий. Электрический дуговой разряд в вакууме происходит в парах металла. На катоде формируются микроскопические участки - катодные пятна с высокими плотностью энергии и температурой. В пределах катодных пятен локализуются все заряженные частицы катодной области разряда. В состав продуктов эрозии катода в зоне пятна входят капли расплавленного металла, ионы и пары металла. Размер капель и их концентрация в общем, потоке частиц, поступающих подложку, определяются свойствами материала катода и плотностью тока дуги разряда

Давление паров металла в области катодного пятна достигает 105 Па, поэтому в зоне пятна не происходит взаимодействия с напускаемым газом. Взаимодействие реализуется в следующих областях: на катоде в зонах, остающихся после перемещения катодного пятна; непосредственно на поверхности подложки, где происходит реакция свеженапыленного слоя с газом; в разрядном промежутке при условии его достаточной протяженности.

Скорость перемещения катодного пятна в значительной степени зависит от состава и давления напускаемого газа. Эти параметры определяют скорость испарения и состав формируемого покрытия.

Конструктивно метод электродугового испарения наиболее прост; для его практической реализации используют стандартные сварочные выпрямители или генераторы. Это определяет значительные преимущества метода по сравнению с другими.

Один из наиболее серьезных недостатков метода-наличие капельной фазы в потоке частиц, поступающих на поверхность изделий - как правило, отрицательно влияет на электрофизические и оптические свойства пленок и ограничивает применение метода в радиоэлектронной и электротехнической промышленности. Этого недостатка лишены магнетронные распылительные системы.

МАГНЕТРОННЫЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ.

Действие магнетронного распылителя основано на распылении материала мишени-катода при его бомбардировке ионами рабочего газа, образующими в плазме аномально тлеющего разряда. Возникающая при этом вторичная эмиссия поддерживает разряд и обуславливает распыление материала мишени-катода. Магнетронная распылительная система (МРС) является одной из разновидностей схем диодного распыления.