[1]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.
[2]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.
[3]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).
[4]Основным недостатком испарителя лабиринтного типа для нанесения покрытий в вакууме является сложность изготовления испарителя, обусловленная низкой технологичностью его конструкции.
[5]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].
[6]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.
[7]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].
[8]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.
[9]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.
[10]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.
[11]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).
[12]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.
[13]Задачей изобретения является разработка конструкции испарителя для нанесения покрытий в вакууме, в котором устранены недостатки аналогов и прототипа.
[14]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.
[15]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.
[16]На фиг. 1 изображен предлагаемый испаритель для нанесения покрытий в вакууме (поперечный разрез).
[17]На фиг. 1 элементы испарителя для нанесения покрытий в вакууме обозначены следующими позициями:
[18]1 - корпус, выполненный в виде разрезного цилиндра,
[19]2 - испаряемый материал,
[20]3 - зазор между продольными кромками разрезного цилиндра,
[22]5 - канал между корпусом и экраном,
[23]6 - пары испаряемого материала,
[24]7 - молекулярный поток паров наносимого материала.
[25]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).
[26]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.
[27]Пример конкретного выполнения.
[28]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.
[29]Нанесение покрытия осуществлялось на оптические детали в вакуумной установке. Толщина и скорость нанесения пленки, контролировалась с помощью прецизионного кварцевого резонатора.
[30]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.
[31]После нанесения покрытия, опытные экземпляры помещались в климатическую камеру, и в течении 30 суток выдерживались при температуре 35°С и относительной влажности 98%.
[32]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.
[33]Полученные покрытия характеризуются нулевой группой механической устойчивости к жестким воздействиям окружающей среды по ОСТ 3-1901-95, что говорит о высоком качестве полученных пленок.
[34]Испаритель для нанесения покрытий работает следующим образом.
[35]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 10-3-10-5 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.
[36]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.
[37]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.
[38]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.
[39]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.
[40]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.
