Электронно-лучевое физическое осаждение из паровой фазы ( EBPVD ) — это форма физического осаждения из паровой фазы , при которой целевой анод бомбардируется электронным пучком, испускаемым заряженной вольфрамовой нитью в условиях высокого вакуума. Электронный пучок заставляет атомы из мишени переходить в газообразную фазу. Затем эти атомы осаждаются в твердой форме, покрывая все в вакуумной камере (в пределах прямой видимости) тонким слоем материала анода.
Осаждение тонкой пленки — это процесс, применяемый в полупроводниковой промышленности для выращивания электронных материалов , в аэрокосмической промышленности для формирования термических и химических барьерных покрытий для защиты поверхностей от агрессивных сред, в оптике для придания подложке желаемых отражающих и пропускающих свойств и в других областях промышленности для модификации поверхностей с целью придания им различных желаемых свойств. Процесс осаждения можно в целом разделить на физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD). В CVD рост пленки происходит при высоких температурах, что приводит к образованию едких газообразных продуктов, и это может оставлять примеси в пленке. Процесс PVD может осуществляться при более низких температурах осаждения и без едких продуктов, но скорости осаждения обычно ниже. Однако физическое осаждение из паровой фазы с помощью электронного луча обеспечивает 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 рис. 1.
В системе EBPVD камера осаждения должна быть откачана до давления не менее 7,5 × 10−5 Торр (10−2 Па ) , чтобы обеспечить прохождение электронов от электронной пушки к испаряемому материалу, который может быть в форме слитка или стержня. [1] В качестве альтернативы некоторые современные системы EBPVD используют систему подавления дуги и могут работать при уровнях вакуума до 5,0 × 10−3 Торр , для таких ситуаций, как параллельное использование с магнетронным распылением. [2] Несколько типов испаряемых материалов и электронных пушек могут использоваться одновременно в одной системе EBPVD, каждая из которых имеет мощность от десятков до сотен киловатт. Электронные пучки могут быть получены методом термоионной эмиссии , полевой электронной эмиссии или методом анодной дуги. Сгенерированный электронный пучок ускоряется до высокой кинетической энергии и направляется к испаряемому материалу. При ударе об испаряемый материал электроны очень быстро теряют свою энергию. [3] Кинетическая энергия электронов преобразуется в другие формы энергии посредством взаимодействия с испаряемым материалом. Вырабатываемая тепловая энергия нагревает испаряемый материал, заставляя его плавиться или сублимироваться. Как только температура и уровень вакуума станут достаточно высокими, из расплава или твердого тела будет образовываться пар. Полученный пар затем можно использовать для покрытия поверхностей. Ускоряющее напряжение может составлять от 3 до 40 кВ. Когда ускоряющее напряжение составляет 20–25 кВ, а ток пучка составляет несколько ампер , 85% кинетической энергии электронов может быть преобразовано в тепловую энергию. Часть энергии падающих электронов теряется из-за образования рентгеновских лучей и вторичной электронной эмиссии.
Существует три основных конфигурации EBPVD: электромагнитное выравнивание, электромагнитная фокусировка и конфигурация подвесной капли. Электромагнитное выравнивание и электромагнитная фокусировка используют испаряемый материал в форме слитка, в то время как конфигурация подвесной капли использует стержень. Слитки заключаются в медный тигель или очаг, [4] в то время как стержень будет установлен на одном конце в гнезде. И тигель, и гнездо должны охлаждаться. Обычно это делается с помощью циркуляции воды . В случае слитков на его поверхности может образовываться расплавленная жидкость, которая может поддерживаться постоянной с помощью вертикального перемещения слитка. Скорость испарения может быть порядка 10−2 г /(см2 · с).
Тугоплавкие карбиды, такие как карбид титана , и бориды, такие как борид титана и борид циркония, могут испаряться, не подвергаясь разложению в паровой фазе. Эти соединения осаждаются прямым испарением. В этом процессе эти соединения, уплотненные в виде слитка, испаряются в вакууме сфокусированным высокоэнергетическим электронным пучком, а пары непосредственно конденсируются над подложкой.
Некоторые тугоплавкие оксиды и карбиды подвергаются фрагментации во время их испарения электронным лучом , что приводит к стехиометрии, которая отличается от исходного материала. Например, глинозем при испарении электронным лучом диссоциирует на алюминий, AlO 3 и Al 2 O. Некоторые тугоплавкие карбиды, такие как карбид кремния и карбид вольфрама, разлагаются при нагревании, и диссоциированные элементы имеют различную летучесть. Эти соединения могут быть осаждены на подложке либо путем реактивного испарения, либо путем совместного испарения. В процессе реактивного испарения металл испаряется из слитка электронным лучом. Пары переносятся реактивным газом, которым является кислород в случае оксидов металлов или ацетилен в случае карбидов металлов. При соблюдении термодинамических условий пары реагируют с газом вблизи подложки, образуя пленки. Пленки карбидов металлов также могут быть осаждены путем совместного испарения . В этом процессе используются два слитка, один для металла, а другой для углерода . Каждый слиток нагревается с помощью разной энергии луча, чтобы можно было контролировать скорость их испарения. Когда пары достигают поверхности, они химически соединяются при соответствующих термодинамических условиях, образуя пленку карбида металла.
Подложка, на которую происходит осаждение пленки, очищается ультразвуком и крепится к держателю подложки. Держатель подложки крепится к валу манипулятора. Вал манипулятора перемещается поступательно, чтобы регулировать расстояние между источником слитка и подложкой. Вал также вращает подложку с определенной скоростью, чтобы пленка равномерно осаждалась на подложке. К подложке можно приложить отрицательное смещающее постоянное напряжение 200–400 В. Часто для предварительного нагрева подложки используются сфокусированные высокоэнергетические электроны от одной из электронных пушек или инфракрасный свет от нагревательных ламп. Нагрев подложки позволяет увеличить диффузию адатом -подложка и адатом-пленка, давая адатомам достаточно энергии для преодоления кинетических барьеров. Если требуется грубая пленка, такая как металлические наностержни [5] , охлаждение подложки водой или жидким азотом может использоваться для сокращения времени жизни диффузии, что положительно усиливает поверхностные кинетические барьеры. Для дальнейшего повышения шероховатости пленки подложка может быть установлена под большим углом по отношению к потоку для достижения геометрического затенения, когда входящий поток линии визирования попадает только на более высокие части проявляющейся пленки. Этот метод известен как осаждение под углом скольжения (GLAD) [6] или осаждение под косым углом (OAD). [7]
Системы EBPVD оснащены ионными источниками. Эти ионные источники используются для травления и очистки подложки, распыления мишени и управления микроструктурой подложки. Ионные пучки бомбардируют поверхность и изменяют микроструктуру пленки. Когда реакция осаждения происходит на горячей поверхности подложки, пленки могут развивать внутреннее растягивающее напряжение из-за несоответствия коэффициента теплового расширения между подложкой и пленкой. Высокоэнергетические ионы могут использоваться для бомбардировки этих керамических теплозащитных покрытий и изменения растягивающего напряжения в сжимающее напряжение . Ионная бомбардировка также увеличивает плотность пленки, изменяет размер зерна и модифицирует аморфные пленки в поликристаллические пленки. Низкоэнергетические ионы используются для поверхностей полупроводниковых пленок.
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, и процесс обеспечивает структурный и морфологический контроль пленок. Благодаря очень высокой скорости осаждения этот процесс имеет потенциальное промышленное применение для износостойких и термобарьерных покрытий в аэрокосмической промышленности, твердых покрытий для режущей и инструментальной промышленности, а также электронных и оптических пленок для полупроводниковой промышленности и тонкопленочных солнечных применений.
EBPVD — это процесс осаждения в зоне прямой видимости, выполняемый при достаточно низком давлении (примерно <10−4 Торр ). Поступательное и вращательное движение вала помогает покрывать внешнюю поверхность сложных геометрий, но этот процесс не может быть использован для покрытия внутренней поверхности сложных геометрий. Другая потенциальная проблема заключается в том, что деградация нити накала в электронной пушке приводит к неравномерной скорости испарения.
Однако, когда осаждение паров осуществляется при давлениях около 10−4 Торр (1,3 × 10−4 гПа) или выше, происходит значительное рассеивание облака паров, так что поверхности, не находящиеся в поле зрения источника, могут быть покрыты. Строго говоря, медленный переход от осаждения по прямой видимости к рассеянному осаждению определяется не только давлением (или средней длиной свободного пробега), но и расстоянием от источника до подложки.
Некоторые материалы не очень подходят для испарения методом EBPVD. Следующие справочные материалы предлагают подходящие методы испарения для многих материалов:
См. также «Оксфордское руководство по испарению элементов».
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )