ИСПАРИТЕЛЬ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ
EVAPORATOR FOR COATING IN VACUUM

Изобретение относится к области нанесения покрытий методом термического испарения пленкообразующих материалов, преимущественно диэлектриков, в вакууме, а именно к резистивным ленточным испарителям, применяемым в вакуумных установках для нанесения покрытий на подложки. Изобретение может быть использовано в оптико-электронном приборостроении для получения покрытий из материалов, испаряющихся посредством сублимации, в частности, на оптических деталях для достижения заданных оптических параметров, таких как отражение, пропускание, поглощение излучения, в радиоэлектронной промышленности для формирования диэлектрических слоев, в различных отраслях промышленности для получения износостойких защитных покрытий, а также покрытий, обладающих эстетическими свойствами.
При нанесении покрытий методом термического испарения ряда материалов, например диэлектриков, существует проблема получения высококачественного покрытия, так как при испарении материалов, имеющих низкую теплопроводность, существует большая вероятность выброса макроскопических частиц, повреждающих и загрязняющих пленку, конденсирующуюся на подложке.
Для испарения материалов, характеризующихся выбросом макроскопических частиц, используют резистивные ленточные испарители лабиринтного типа, содержащие корпус, выполненный в виде коробочки, имеющей боковой и нижний экраны, патрубок для загрузки испаряемого материала в полость корпуса, разделительные экраны, образующие лабиринт, в котором отсеиваются макроскопические частицы, выходной патрубок, через который выходят пары наносимого материала покрытия (Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Книга 6. Нанесение пленок в вакууме. В.Е. Минайчев. М.: Высшая школа, 1989, с. 35, рис. 22).
Основным недостатком испарителя лабиринтного типа для нанесения покрытий в вакууме является сложность изготовления испарителя, обусловленная низкой технологичностью его конструкции.
Известны резистивные ленточные испарители коробчатого типа с однослойным экраном [1) Справочник технолога-оптика. Под ред. М.А. Окатова. СПб.: Политехника, 2004, с. 476, рис. 8.3д, рис. 8.3е; 2) Патент CN 20452995 6U, МПК С23С 14/24, опубликован 05.08.2015].
Известные испарители содержат корпус, выполненный в виде коробочки, в которую засыпают испаряемый материал. Сверху коробочка, имеющая ребра жесткости, закрыта однослойным экраном с отверстиями, через которые проходят пары наносимого материала.
Известны также резистивные ленточные испарители коробчатого типа с двухслойным экраном [1) Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Книга 6. Нанесение пленок в вакууме. В.Е. Минайчев. М.: Высшая школа, 1989, с. 35, рис. 21; 2) Патент CN 2049187 44U, МПК С23С 14/24, опубликован 30.12.2015].
Данные испарители содержат корпус, выполненный в виде коробочки, имеющей ребра жесткости, двухслойный экран с отверстиями, через которые проходят пары наносимого материала, при этом отверстия на экранах расположены относительно друг друга в шахматном порядке.
Основным недостатком известных испарителей-аналогов является низкое качество нанесенного покрытия, а именно пористость покрытия, невысокий класс чистоты его поверхности. Такие испарители уменьшают выбросы испаряемого материала, но не исключают их полностью. Это обусловлено тем, что в сечении отверстий однослойного или двухслойного экранов с течением времени эксплуатации происходит конденсация испаряемого материала и примесей, а затем, при дальнейшей эксплуатации испарителя, отрыв частиц более крупного размера, в виде кристаллов материала, и попадание их на поверхность подложки, в результате чего пленка, конденсирующаяся на подложке, загрязняется и повреждается с образованием пор. Кроме того, наличие ребер жесткости может привести к прогоранию материала испарителя в местах сгиба, что также приведет к выбросу макрочастиц испаряемого материала и попаданию их на поверхность подложки. Недостатком является также то, что изменение просвета отверстий, выполненных в экранах, изменяет их пропускную способность, что приводит к изменению диаграммы направленности потока паров испаряемого материала, и, следовательно, к неравномерности нанесения покрытия.
Кроме того, недостатком известных испарителей-аналогов является сложность их изготовления, обусловленная низкой технологичностью их конструкции, при этом для изготовления испарителя, необходимо сложное штамповочное оборудование (пресс, матрицы и пуансоны различных типоразмеров, штампы для вырубки отверстий в тугоплавком материале), которое сильно изнашивается, так как испаритель выполнен из тугоплавких материалов (молибден, вольфрам, тантал), имеющих высокую твердость.
Прототипом является испаритель для нанесения покрытий в вакууме, содержащий корпус для испаряемого материала, выполненный в виде разрезного цилиндра, имеющего зазор между его продольными кромками, при этом продольные кромки имеют вертикальные отбортовки (Справочник технолога-оптика. Под общей ред. С.М. Кузнецова и М.А. Окатова. Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1983, с. 294, рис. 7.4д).
Основным недостатком испарителя-прототипа является низкое качество нанесенного покрытия из-за прямого пролета макроскопических частиц через зазор между продольными кромками разрезного цилиндра при разбрызгивании испаряемого материала, а также сложность изготовления корпуса испарителя, обусловленная низкой технологичностью его конструкции из-за наличия вертикальных отбортовок.
Задачей изобретения является разработка конструкции испарителя для нанесения покрытий в вакууме, в котором устранены недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом является повышение качества покрытия за счет исключения попадания на подложку макроскопических частиц испаряемого материала при упрощении изготовления испарителя для нанесения покрытий в вакууме за счет повышения технологичности его конструкции.
Технический результат достигается тем, что испаритель для нанесения покрытий в вакууме, содержащий корпус для испаряемого материала, выполненный в виде разрезного цилиндра, имеющего зазор между его продольными кромками, согласно настоящему изобретению, дополнительно содержит экран, размещенный в полости цилиндра в области продольного зазора с образованием канала между корпусом и экраном.
На фиг. 1 изображен предлагаемый испаритель для нанесения покрытий в вакууме (поперечный разрез).
На фиг. 1 элементы испарителя для нанесения покрытий в вакууме обозначены следующими позициями:
1 - корпус, выполненный в виде разрезного цилиндра,
2 - испаряемый материал,
3 - зазор между продольными кромками разрезного цилиндра,
4 - экран,
5 - канал между корпусом и экраном,
6 - пары испаряемого материала,
7 - молекулярный поток паров наносимого материала.
Испаритель для нанесения покрытий в вакууме содержит корпус 1 для испаряемого материала 2, выполненный в виде разрезного цилиндра. Разрезной цилиндр (корпус 1) имеет зазор 3 между его продольными кромками (продольный зазор 3).
Отличием предлагаемого испарителя является то, что он дополнительно содержит экран 4, размещенный в полости корпуса 1 в области продольного зазора 3 с образованием канала 5 между корпусом 1 и экраном 4.
Пример конкретного выполнения.
По предлагаемому техническому решению изготовлен испаритель, использованный для получения тонких пленок моноокиси кремния (SiO) на оптической детали из кварца диаметром 30 мм. Корпус 1 испарителя выполнен в виде разрезного цилиндра диаметром 18 мм (из молибденовой фольги толщиной 0,1 мм, длиной 100 мм), в полости которого в области продольного зазора 3 расположен экран 4 из молибденовой фольги толщиной 0,1 мм, длиной 100 мм и шириной 12 мм с образованием канала 5 между корпусом 1 и экраном 4. Размер h канала 5 выбирается в диапазоне от 0,5 мм до 1,0 мм.
Нанесение покрытия осуществлялось на оптические детали в вакуумной установке. Толщина и скорость нанесения пленки, контролировалась с помощью прецизионного кварцевого резонатора.
На полученных покрытиях поглощение линии воды на 2,94 мкм не наблюдается, что говорит о низком значении пористости в тонких пленках моноокиси кремния. Отсутствуют дефекты покрытия. Покрытие соответствует требованиям ГОСТ 11141-84.
После нанесения покрытия, опытные экземпляры помещались в климатическую камеру, и в течении 30 суток выдерживались при температуре 35°С и относительной влажности 98%.
Нарушения целостности и изменения оптических характеристик не наблюдалось. Опытные образцы выдержали десять циклов термоциклирования, при перепаде температур от минус 60°С до плюс 70°С, а также термоудар ±60°С.
Полученные покрытия характеризуются нулевой группой механической устойчивости к жестким воздействиям окружающей среды по ОСТ 3-1901-95, что говорит о высоком качестве полученных пленок.
Испаритель для нанесения покрытий работает следующим образом.
-3
-5
Перед началом работы испарителя внутрь корпуса 1 помещается испаряемый материал 2 в виде гранул или таблеток (фиг.1). Из камеры вакуумной установки откачивают воздух до давления остаточных газов 10-10 Па. На контактные зажимы (на фиг.1 не показаны) подают ток, при прохождении которого через экран 4 и корпус 1 испарителя происходит резистивный нагрев вследствие низкого сопротивления экрана 4 и корпуса 1 испарителя и нагрев испаряемого материала 2, который в свою очередь нагревается и, минуя жидкую фазу, переходит из твердого состояния в газообразное. При этом внутри корпуса 1 испарителя создается избыточное давление паров 6 испаряемого материала в канал 5. Расположение экрана 4 в полости корпуса 1 испарителя препятствует прямому попаданию паров 6 и вылетевших частиц испаряемого материала 2 в зазор 3 между продольными кромками разрезного цилиндра корпуса 1, которые оказываются в квазизамкнутом канале 5, ограниченном разогретыми экраном 4 и корпусом 1.
При многократном отражении от разогретых стенок квазизамкнутого канала 5 вылетевшие частицы испаряемого материала 2 доиспаряются, и пар 6 поступает в зазор 3 между продольными кромками разрезного цилиндра корпуса 1, при этом формируется молекулярный поток 7 паров наносимого материала в направлении подложки.
Пары наносимого материала осаждаются на поверхность подложки в виде однородной пленки. Кроме того, недоиспаренные макрочастицы испаряемого материала 2 в канале 5 приобретают тангенциальное ускорение, что в свою очередь препятствует их попаданию на поверхность подложки.
Взаимное расположение корпуса 1 и экрана 4, температура которого равна температуре испарения пленкообразующего материала, снижает возможные выбросы макроскопических частиц испаряемого материала 2 и исключает их попадание на подложку в силу того, что экран 4 препятствует вертикальному вылету макроскопических частиц испаряемого материала 2, препятствует конденсации испаряемого материала 2 в канале 5 на поверхности экрана 4 и корпуса 1, вследствие чего сводится к минимуму возможность получения дефектного покрытия на подложке, а также обеспечивает постоянную диаграмму направленности молекулярного потока пара и перемешивание пара, посредством чего достигается равномерность осаждаемой пленки. За счет этого достигается высокое качество покрытия, а именно -чистота, однородность и равномерность нанесения покрытия.
Отсутствие сгибов фольги не требует штамповки ребер жесткости, так как нет деформаций, связанных с нагревом, что в свою очередь упрощает изготовление и повышает надежность испарителя, а также способствует повторяемости результатов напыления, так как не изменяется диаграмма направленности молекулярного потока пара.
Использование предлагаемого испарителя для нанесения покрытий в вакууме позволит повысить качество нанесенного покрытия, а именно чистоту, однородность и равномерность нанесения покрытия, за счет исключения попадания на подложку макроскопических частиц испаряемого материала, а также упростить изготовление испарителя за счет технологичности его конструкции, в которой отсутствуют элементы, изготовленные методом штамповки.