В вакууме возможно получение тонких металлических пленок в результате испарения металла с последующей его конденсацией на покрываемой поверхности (так называемой подложке). Например, серебрение в производстве зеркал почти везде заменено конденсацией в вакууме тончайшей пленки алюминия. Разработаны установки для металлизации в вакууме фольги из пластмассы и текстильной ткани. Для различных отраслей промышленности создают защитно-декоративные, теплоотражающие и другие покрытия.

Технику испарения в вакууме используют при изготовлении оптических фильтров, просветленной оптики, астрономических зеркал, в производстве совершенных высокоотражающих зеркал для лазеров и интерферометров. В электротехнической промышленности и электронном машиностроении испарение в вакууме используют для производства полупроводниковых выпрямителей тока, металлизации конденсаторной бумаги, нанесения проводящего слоя при изготовлении печатных схем, а также для изготовления элементов микрорадиосхем и памятных элементов электронно-вычислительных устройств.

В автомобильной промышленности металлизируют в вакууме сигнальные кнопки, ручки, фары, зеркала и т. п. Этот способ применяют для получения антикоррозионных покрытий металлов и листовой стали. Например, разработан режим нанесения двухслойных цинко-алюминиевых покрытий последовательным испарением этих металлов в вакуумной камере. Для защиты высокопрочных сталей от коррозии в морских условиях целесообразно применять вакуумные оловянно-кадмиевые покрытия. Цинковы е и кадмиевые покрытия наносят термическим испарением при давлениях 10^-3 10^-4 мм рт. ст.

В ряде случаев вакуумное напыление является единственным методоv получения тонких пленок. Этот метод значительно экономичнее других известных методов массового производства металлизированных изделий. При его использовании механическая обработка поверхностей покрытия минимальна. Способ металлизации в высоком вакууме обеспечивает покрыта пластмасс, фольги, бумаги, тканей тонким металлическим слоем и прочное сцепление его с основным материалом.

В процессе металлизации изделие вращается вокруг испарителя и покрывается слоем металла. Специальные зажимные приспособления должны обеспечивать простое и надежное крепление изделий; приспособления не должны затемнять металлизируемую поверхность. Высоким качеством отличаются пружинные магнитные устройства Можно осаждать в виде тонких пленок и неметаллические материалы, напримep, кварц, фтористый кальций. Физические свойства солей и металлов могут резко изменяться при испарении их в вакууме и образовании тонких пленок; их кристаллическая структура меняется или разрушается.

Большинство пластмасс и специальные сорта бумаги металлизируются при давлении пара ниже 10^-4 мм рт. ст. Для сокращения продолжительности откачки между вакуумной камерой и диффузионным насосом устанавливают ловушки, охлаждаемые с помощью двух- или трехступенчатых холодильных установок. Наличие ловушки сокращает время откачки установок, заполненных деталями из пластмасс, содержащих высокоплавкие эластомеры и воду.

Если металлизируют детали, не выделяющие большого количества газа, можно обойтись и без ловушки, но необходимо иметь газобалластный насос. Для металлизации пластмасс, выделяющих большое количество газов (полиинилхлорид, целлидор, плексигум) и содержащих эластомеры или растворители, успешно применяют и другой метод. Он заключается в том, что перед металлизацией изделия покрывают лаком (распылением либо погружением в жидкость).

После сушки изделия из пластмассы или металла выделяют очень мало газов и полностью уплотняется. Лак заполняет все поры поверхности, и наносимый на лак металлический слой получается зеркально гадким и блестящим. Он прикрепляется с лакированной поверхностью более прочно, чем с самим изделием. Многократное нанесение высокосортных лаков распылением и погружением позволяет получить очень гладкую поверхность металлических изделий, сравнимую с механически обработанной или электрополированной поверхностью.

Машиностроительный завод Веролме (Голландия) выпускает промышленные установки для металлизации в высоком вакууме текстиля, бумаги, поливинилхлорида. На металлизируемый материал, проходящий вдоль источника пара на ленточном конвейере, наносится тонкий слой металла (толщиной 10^-4мм). Материал проходит через вакуумное пространство, в котором алюминиевая проволока испаряется в результате нагрева. Металлизированная бумага и термопластичная пленка заменяют более дорогую и более тяжелую металлическую фольгу. Металлизированная ткань, применяемая для занавесей и для облицовки, защищает здания зимой от холода, а летом от жары(благодаря отражению тепла). Летом металлизированный материал,используемый для занавесей, отражает более 70% солнечного света, А зимой же, наоборот, он сберегает до 20% стоимости нагрева благодаря обратному отражению. На рис. 149 показана схема установки Веролме типа VSB-2.

Фирма Лейбольд (ФРГ) выпускает установки для металлизации пластмасс, применяет покрытия с высокой отражательной способностью, производит металлизацию таких веществ, как полиэстер и полиолефин. Фирма Ульвак (Япония) выпускает полунепрерывные вакуумные установки для металтации пластмассовых пленок, бумаги, а также производства металлизированных нитей, упаковочных материалов и т. п. Установки типа ESHW2 Применяют для пленки шириной 500, 1000 и 1500 мм.

Чрезвычайно широкое развитие получает метод напыления при производстве тонких ферромагнитных пленок толщиной от десятков до тысяч ангстрем. Магнитные свойства таких пленок имеют ряд особенностей по сравнению с магнитными свойствами массивных образцов из тех же веществ. Их применяют в качестве запоминающих и логических элементов вычислительных машин, для высокочастотных магнитных усилителей, параметронов, в технике СВЧ. По сравнению с другими магнитными элементами, применяемыми для этих целей, преимущества пленок заключаются в большем быстродействии, меньшем потреблении энергии и меньшем занимаемом объеме. Область их применения получила название микроэлектроники.

При изготовлении сложных электронных схем напылением в вакууме наряду с пассивными элементами (сопротивлениями, конденсаторами) применяют и полупроводниковые элементы. У тонких пленок полупроводниковых веществ отмечена очень высокая подвижность электронов; поэтому при

напылении с целью получения сложных схем следует обеспечить высокую степень чистоты полупроводниковых элементов, а для этого нужно увеличить вакуум. Если определенная примесь инертного газа не играет заметной роли, то примесь такого газа, как кислород, может резко изменить сопротивление пленки. В первую очередь поэтому следует добиваться высокого вакуума по тому газу, который отрицательно влияет на процесс, и снизить его парциальное давление до необходимого минимума.

Что касается средств, применяемых для создания вакуума в установках напыления, то в случае их периодической работы важно получить предельное давление в системе возможно быстрее. Нужно также периодически работающую установку конструировать так, чтобы ее можно было быстро и удобно прогреть. В некоторых случаях целесообразно применение геттерного насоса, так как при нагреве испарителей во время напыления выделяется дополнительное количество газа, которое может вызвать нежелательное повышение давления. До начала напыления внутреннюю поверхность установки покрывают слоем титана, который в процессе напыления и служит геттерным насосом. По некоторым данным, для таких установок не всегда целесообразно применение геттерно-ионных насосов, а наилучшими средствами откачки считают диффузионные насосы с лабиринтными отражателями или молекулярные насосы. Возможно также применение конденсационных насосов.

На рис. 151 показана сверхвысоковакуумная установка для напыления с одинарными стенками. Сверхвысокий вакуум создается двумя последовательно включенными паромасляными диффузионными насосами, которые соединены с камерой напыления через один лабиринтный отражатель.  Установка прогревается надвигаемой печью. Диаметр камеры 350 мм, скорость откачки на входе в насос 100 л/с, предельное давление 3*10^-10 мм рт. ст.

Управление установкой полностью автоматизировано. Если применяют установку с двойными стенками, то того же значения предельного давления можно достичь с одним диффузионным насосом, но в пространстве между стенками должен быть создан вакуум 10^-5 — 10^-6 мм рт. ст. (рис. 152). Здесь применены охлаждаемые жидким воздухом ловушка и змеевик внутри откачиваемого объема.

Ловушка служит в основном для улавливания водяного пара. Внутренняя оболочка прогревается пропускаемым через нее током, поэтому прогрев здесь занимает меньше времени, чем в установке с одинарными стенками. Предельное давление в установке достигает 10^-10 мм рт. ст. Для достижения сверхвысокого вакуума требуется от 4 до 6 ч.

Сверхвысоковакуумные установки для напыления фирмы Эдварде (Англия) с диаметром камеры 355 мм дают возможность получать давление 5 • 10^-11 мм рт. ст. Камеру изготовляют из коррозионностойкой стали, допускающей высокотемпературный прогрев. В рабочей камере предусмотрены специальные отверстия с фланцами для присоединения криогенного насоса, датчика ионизационного манометра, масс-спектрометра и других необходимых устройств. Криогенный (конденсационный) насос (см. I рис. 378) опускают в камеру через отверстие, расположенное сверху. Вся система откачивается распылительно-ионным и титановым сублимационным насосами, предварительная откачка производится либо последовательно соединенными сорбционными насосами, либо двухсту-пенчатым вращательным насосом с ловушкой. Мощность печи для прогрева камеры порядка 6,75 кВт. Нормальная температура прогрева 300° С, а при наличии прокладок из золота может достигать 400° С.

Для напыления фирмой Эдварде выпускаются также сверхвысоковакуумные агрегаты со скоростью откачки 1000 л/с, снабженные ртутными диф- I фузионными насосами,  ловушкой, охлаждаемой жидким азотом, и отражателями. Два диффузионных насоса соединены последовательно и присоеди- I нены к одноступенчатому вращательному насосу с ловушкой. Конденсационный насос Е1000 присоединен к верхней части камеры, чтобы обеспе-В чивать высокую скорость откачки в те моменты процесса, когда выделяется И большое количество газов. Предельное давление, создаваемое в этой установке, превосходит 10^-9 мм рт. ст. Установка показана на рис. 1бЯ Параметры конденсационного насоса Е1000: скорость откачки 1000 л/с, I предельное давление 5*10^-11 мм рт. ст. (исключая водород и гелий).

На рис. 154, а и б показаны установки для напыления фирмы Ульвак (Япония) камерного типа. Фирма выпускает различные установки напыления: установки со стеклянными колпаками; полностью автоматизированные установки для напыления электронных схем с электроннолучевым испарителем; специальные установки для оптических целей; непрерывно работаю-И щие установки с катодным распылением (скорость распыления доходит до 800 А/мин при постоянстве толщины пленки в пределах ±5%). Установка показанная на рис. 154, а, имеет вакуумную камеру диаметром 1000 мм и длиной 1000 мм, пригодную для производства искусственных украшений, музыкальных инструментов, игрушек, зеркал и т. п. Показанную на рис. 154, б установку применяют для производства селеновых выпрямителей, для покрытия кадмием частей летательных аппаратов.

В установках для получения покрытий в вакууме различны способы нагрева испаряемого вещества. Применяют термическое испарение с электрическим или электроннолучевым нагревом и катодное распыление. В некоторых случаях требуется сочетание вакуумного напыления с ионной бомбардировкой. Для испарения тугоплавких материалов использовали луч лазера [65] с длиной волны 1,06 мкм, генерируемый в стекле, легированном Nd, мощностью100—150 Дж в 2—4 мс. Луч проектировался в вакуумную установку через стеклянное окно и фокусировался на испаряемом материале. Испарялись Cr, W, Ti, углерод и некоторые соединения. Скорости испарения составляли 100000—1000000 А/с. Получали слои толщиной 500— 1000 А. Полученные пленки имели все необходимые для практических целей параметры.

Наиболее простое устройство для термического испарения легкоплавких металлов— плоский кварцевый или шамотный тигель, в котором металл плавится с помощью токов Фуко. Тугоплавкие металлы свивают в спирали, и испарение происходит непосредственно из спиралей при пропускании через них электрического тока определенной силы. Для испарения больших количеств металла применяют вольфрамовые или молибденовые лодочки, а также тигли из алунда или окиси бериллия; испаритель разогревается джоулевым теплом, выделяемым испарителем при пропускании электрического тока. Для осаждения золота и серебра их можно заготовить в виде проволоки, вокруг которой наматывается вольфрамовая спираль; для осаждения никеля, хрома, платины, родия вначале наносят их электролитическим путем на чистый вольфрамовый подогреватель. Особенности испарения различных металлов указаны в табл. 37. Вакуумная установка ВУТП-2 дает возможность наносить тонкослойные оптические покрытия из диэлектрических, полупроводниковых и проводниковых материалов термическим испарением с одновременным контролем толщины слоя в процессе его нанесения. На установке можно изготовлять многослойные интерференционные оптические фильтры; отражающие, просветляющие, светоделительные, защитные покрытия. Установка колпакового типа. Размеры колпака: высота 630 мм, внутренний диаметр 550 мм, наружный диаметр 650 мм, объем 162 л.

Таблица 37

 Колпак поднимается и опускается с помощью электродвигателя. Колпак устанавливают на плиту, на которой расположен механизм планетарного вращения образцов, три] испарителя с питателями и нагреватель образцов. Температура нагрева печью сопротивления составляет 200° С. Образцы могут иметь два вида вращения: одиночное и планетарное. В случае одиночного вращения максимальный диаметр обрабатываемых деталей 450 мм, в случае планетарного— 165 мм.

 Механизированная дозированная подсыпка может производиться без нарушения вакуума в объеме. С наружной стороны колпака припаяна трубка для водяного охлаждения. Система откачки установки показана на рис. 155. При охлаждении ловушки водой давление в рабочем пространстве 2*10^-5 мм рт. ст. достигается за 12 мин с помощью диффузионного насоса Н-2Т. Для предварительного разрежения применяют насос ВН-2МГ, за 4 мин достигается давление 10^-2 мм рт. ст.

Для проведения испарения с электроннолучевым нагревом пригодна электронная пушка с щелевой оптикой. С помощью электроннолучевого нагрева можно получить такие тонкопленочные элементы, как мишени для ядерных исследований, оптические покрытия, пленочные термопарные датчики и т. п. Создание унифицированной электронной пушки с взаимозаменяемыми магнитными системами позволяет применять электроннолучевой нагрев в лабораторных установках и испарять практически любые материалы без существенных переделок конструкции установки. В двухлучевом испарителе ИЭЛ-6 два электронных пучка, формируемых одной двухлучевой электронной пушкой, с помощью магнитной системы типа ИЭЛ-4 фокусируются одновременно в два близко расположенных тигля. Благодаря этому можно испарять одновременно два различных материала и получать пленки сложного состава .

На рис. 156 показан электроннолучевой испаритель для установок, изготовляющих электропроводящие, полупроводящие, отражающие, магнитные и другие пленки, в том числе и многослойные. Стержень из испаряемого материала находится в охлаждаемом водой тигле и нагревается электронным лучом, который сфокусирован и повернут поперечным магнитным полем на угол, несколько больший 180. Схема испарителя приведена на рис. 157.

Корпус испарителя и большая часть деталей изготовлены из коррозионно-стойкой стали, охлаждаемый тигель — из меди. Магнитное поле создается небольшим постоянным магнитом, помещенным в вакууме.

Техническая характеристика испарителя

Скорость испарения материалов, включая тугоплавкие, в г/мин ................ 0,3—1,5

Количество испаряемого за один прием материала в см3.................... 25

Размеры стержня из испаряемого материала в мм

(диаметр X длина).............. 20X95

Максимальная мощность электронного луча в кВт 5

Ускоряющее напряжение электронной пушки в кВ 9—11

Максимальный ток электронного луча в мА . . 500

Ток накала катода пушки в А......... 9—10

Расход воды для охлаждения испарителя в л/ч 600

Диаметр посадочного отверстия в мм...... 160

Габаритные размеры испарителя в мм..... 330X 220X 620

Масса испарителя в кг ............ 14

Для катодного распыления полоску металла или другого материала подвергают бомбардировке положительными ионами в газовом разряде, что вызывает распыление атомов металла. В камере создается давление порядка 10^-5 мм рт. ст. (рис. 158), после чего в нее через натекатель впускают водород или аргон при непрерывной откачке, т. е. устанавливай заданное постоянное давление водорода или аргона. Между распыляемой металлической пластиной А и опорной плитой В создается разность потенциалов 1000—2000 В, причем пластина А служит катодом. Давление в камере устанавливают таким образом, чтобы можно было наблюдать светящийся разряд с темной полосой порядка 1 см у поверхности катода.

При таких условиях как раз и происходит выбивание атомов металла из катода положительными ионами. Атомы металла осаждаются на стеклянной пластине 6. Применяя в качестве катода платину, распыляемую в водороде при напряжении 1000 В и расстоянии между электродами 4 см, можно получить в течение часа плотную непрозрачную пленку. Метод катодного распыления позволяет наносить защитные пленки на любые материалы и проводить процесс при довольно низких температурах. Однако металлические пленки полученные методом катодного распыления, по качеству значительно уступают пленкам, полученным методом испарения.

Пример применения катодного распыления — нанесение покрытий из двуокиси кремния на поверхность полупроводниковых приборов. Реактивное распыление кремния проводилось в атмосфере кислорода. Предварительно подготовленные кремниевые и германиевые пластины помещались сначала в шлюзовую камеру для их обезгаживания, которое производилось в течение 30 мин при давлении 5*10^-5 мм рт. ст. После этого с помощью штока пластины вводились в рабочий объем, в котором создавалось давление 1*10^-5 мм рт. ст.

Далее через игольчатый натекатель в рабочий объем поступала смесь аргона и кислорода давления (2—5) 10^-2 мм рт. ст. После впуска газовой смеси на распыляемый катод (высокоомный кремний «р» — типа) подавали отрицательный потенциал до 1800 В.

Оптимальный режим напыления имел место при рабочем давлении 5*10^-2 мм рт. ст. и составе газовой смеси Ar: O2 = 1 : 1 в том случае, когда расстояние между образцом и катодом превышало величину темного катодного пространства. Сообщено о получении тонких металлических пленок катодным распылением в плазменном высокочастотном индукторе [50]. Сделанный из нескольких витков распыляемого металла индуктор создает внутри себя плазму инертного газа. Ионы газа бомбардируют спираль, в результате чего происходит распыление. Без дополнительного электрода получаются тонкие пленки со скоростью осаждения от 0,1 до 0,5 мкм/мин.

Предлагается также проводить катодным распылением металлизацию керамики. Так как это процесс низкотемпературный, можно не опасаться распада керамики. Предлагаемая методика обеспечивает вакуумноплотное соединение металла с керамикой, причем толщина нанесенного слоя металла ~ 1 мкм вместо обычной при спекании толщины 20—30 мкм.

При нанесении покрытий в вакууме остаточные газы могут адсорбироваться на поверхности подложки и нарушать качество покрытия. Для уменьшения такой адсорбции целесообразно применять в необходимых |случаях специальные неполярные полимерные пленки и моющие средства,вытесняющие адсорбированный газ и легко удаляемые при откачке без дополнительного нагрева.

Тонкопленочные элементы для магнитных запоминающих устройств изготовляют в условиях массового производства, причем на тонкую стеклянную подложку наносят путем вакуумного напыления до нескольких тысяч дельных ячеек толщиной порядка 2000 А, которые используются для хранения информации 70. Для изготовления ячеек обычно применяют сплав из 80% никеля и 20% железа. Если ячейки выполняют двухслойными, то располагают их одну над другой (рис. 159, в).