Нагрев электронной бомбардировкой

Испарение пленки из металлической мишени (детали цилиндрической формы) целесообразно проводить электронно-лучевой бомбардировкой. Для этого поток электронов в электрическом поле ускоряется до энергии 6-12 кэВ и фокусируется на поверхность материала. При столкновении большая часть кинетической энергии превращается в тепловую энергию, и при этом могут быть получены температуры свыше 3000° С. Энергия, выделяемая электронами, сконцентрирована в небольшом поверхностном объеме, определяемом глубиной проникновения электронов в испаряемый материал и площадью зоны фокусировки электронного луча. Нижняя поверхность испаряемого материала находится в контакте с поверхностью испарителя, охлаждаемого водой. Следовательно, взаимодействие между испаряемым веществом и материалом испарителя практически отсутствует.

Нагрев испаряемого вещества электронной бомбардировкой весьма эффективен при условии попадания электронов непосредственно на вещество, подлежащее испарению. В самом деле, при таком способе передачи энергии наиболее высокая температура создается в ближайших к поверхности слоях испаряемого материала, а не в испарителе, как обычно. Поэтому при таком нагреве можно ослабить взаимодействие испаряемого материала с нагревателем. То же характерно для радиационного нагрева, но лишь для случая неметаллических веществ.

Существуют конструкции испарителей, в которых электронной бомбардировке подвергается тигель из электропроводящего материала. Можно испарять металлы с низкими давлениями паров из графитового тигля, окруженного вольфрамовой спиралью. Тигель служит анодом, а вольфрамовая спираль — накаленным катодом; ускоряющее электроны напряжение составляет 1кв. Этим методом были получены весьма высокие температуры, однако заметных преимуществ по сравнению с омическим нагревом он не дает, за исключением отсутствия потерь тепловой энергии через массивные токоподводящие электроды. Поэтому единственным прогрессивным видом испарителя с нагревом электронной бомбардировкой является тот, в котором испаряемое вещество является одновременно анодом.

В связи с электронным нагревом испарителей возникает ряд проблем, наиболее общие из которых рассматриваются ниже.

Катод. Горячий катод, эксплуатируемый в динамической вакуумной системе, должен быть достаточно прочным. Оксидные катоды легко отравляются остаточными газами, а также парами испаряемых материалов. Катоды из чистого вольфрама наиболее пригодны для разборных установок. Тантал дает большую электронную эмиссию, чем вольфрам, при той же температуре, однако обнаружено, что катоды из танталовой фольги являются плохими эмиттерами при давлениях 10^-3 -10^-4 мм рт. ст. в установке с диффузионным насосом, работающим на силиконовом масле. Электронная эмиссия с вольфрама может быть значительно увеличена путем покрытия его окисью тория. В случае отравления такого катода слой ThO легко может быть возобновлен.

Источник высокого напряжения. Питание высоким напряжением может осуществляться от переменного тока, когда бомбардировка электронами имеет место только в течение одной половины каждого периода, но следует предпочесть питание выпрямленным напряжением, так как при этом исключается нежелательное протекание тока в обратном направлении в течение обратного полупериода, могущее возникнуть вследствие возрастания давления в камере покрытия во время испарения.

Обычно в начале электронной бомбардировки происходит резкое повышение скорости обезгаживания. При чрезмерном возрастании давления остаточный газ ионизируется и нейтрализует отрицательный пространственный заряд. В результате электронный ток, текущий к аноду, достигает насыщения при меньшем приложенном напряжении и мощность, рассеиваемая на поверхности эмиттера, падает. При очень больших давлениях может появиться значительный ионный ток, текущий к катоду. Установка для испарения посредством электронной бомбардировки должна иметь высокопроизводительный диффузионный насос. (со скоростью откачки ≈ 10 л/сек на литр откачиваемого объема) так, чтобы образовавшиеся газы могли удаляться быстро и давление могло поддерживаться около 10^-4 мм. рт. ст.

В металлических вакуумных системах нельзя заземлять катоды, так как при таком включении в случае увеличения давления возникнет газовый разряд со стенок камеры. Катодное свечение полностью покрывает внутреннюю поверхность металлической вакуумной камеры при давлении выше 10 мм рт. ст. и напряжении 5000 в. Анод, т. е. тигель и соединенные с ним проводники, может быть заземлен только при питании накала от специального низковольтного трансформатора с высокой изоляцией вторичной обмотки. Эта изоляция должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать разность потенциалов между вторичной обмоткой и землей, т. е. ее электрическая прочность должна обеспечивать надежную работу при утроенном значении максимального анодного напряжения, так как внезапное возникновение в вакуумной камере дугового разряда может привести к очень высоким переходным напряжениям. Высоковольтный ввод в камеру должен быть зашунтирован разрядником для ограничения напряжения в случае возникновения дуги.

Электронный ток и ионизация. Электронный ток, текущий от накаленного катода к аноду, ограничивается или эмиссией источника, т. е. поток электронов равен полной эмиссии катода при данной температуре, или отрицательным пространственным зарядом, обусловленным взаимным отталкиванием электронов. Ниже температуры насыщения ток, ограниченный пространственным зарядом дается соотношением

где К — постоянная, зависящая от формы электродов.

В случае плоскопараллельных электродов

a·см^-2

где d — расстояние между электродами по нормали

в сантиметрах.

Рассмотрим простой источник электронов в виде плоской вольфрамовой спирали, расположенной над тиглем, содержащим испаряемое вещество (рис. 2.5). Если напряжение между электродами равно 1кв, а плотность электронного тока должна быть 0.1 а/см, то расстояние между катодом и анодом должно равняться 8,6 мм (в предположении параллельности электродов и отсутствии краевого эффекта).

При напряжении 5 000 в и плотности тока 0,02 а/см т.е. при такой же мощности бомбардирующего электронного потока, расстояние между электродами возрастает до 64 мм. В большинстве испарительных установок остаточное давление весьма редко достаточно мало для осуществления режима ограничения электронного тока, пространственным зарядом (т. е. давления 10^-6 мм. рт. ст.), так что пространственный заряд частично нейтрализуется положительными ионами, возникающими при ионизации остаточного газа. Поэтому расстояние между электродами при данном напряжении и плотности тока может быть сделано больше вычисленного.

При бомбардировке паров электронами существует определенная вероятность ионизации молекул паров. Образовавшиеся при этом положительные ноны будут стремиться нейтрализовать отрицательный пространственный заряд. далее, при большой скорости испарения может возникнуть значительный ионный ток, текущий к катоду. Ионизация молекул пара электронами известна.

2.2.4.1. Некоторые типичные испарители

В простом устройстве, изображенном на рис. 2.5, управление процессом испарения может быть затруднено флуктуациями электронного тока, вызываемыми выбросами газов из испаряемого материала. Кроме того, атомы пара поступают на поверхность катода; это обычно не влияет на эмиссию накаленного вольфрама, поскольку атомы быстро испаряются. Иногда, например, при испарении алюминия, отмечается кажущееся увеличение электронного тока в начале испарения. Это может происходить в результате ионизации атомов пара и возникновении ионного тока по направлению к катоду или в результате возрастания электронной эмиссии при попадании атомов алюминия на поверхность вольфрама. Показано, что испарение алюминия с вольфрамового нагревателя сопровождается уменьшением электронной эмиссии с вольфрама по мере испарения. Нестабильность в работе электронного нагревателя может быть значительно снижена использованием закрытого излучателя и фокусировкой электронов на поверхность испаряемого вещества. Обычно достаточна грубая фокусировка, которая может быть достигнута с помощью одного полого цилиндра, расположенного вблизи нити накала. Фокусирующий электрод может быть сделан из молибденовой или танталовой ленты. Ниже описан источник электронов, который может быть применен для испарения сублимирующихся мёталлов. Этот испаритель, показанный на рис. 2.6; состоит из угольного анода в форме диска с большим количеством маленьких отверстий, на которых удерживаются частицы испаряемого металла. Электроны, испускаемые плоской вольфрамовой спиралью, ускоряются напряжением 21 кв (при мощности 2 квт). В этом источнике большинство электронов проходит сквозь отверстия в аноде и бомбардирует непосредственно частицы металла. Установка была использована для получения толстых слоев бериллия, наносимых на стеклянный цилиндр, установленный внутри охлаждаемого водой медного цилиндра, расположенного над анодом.

В устройствах, основанных на принципе нагрева электронной бомбардировкой, применяются

электронные пушки. В качестве источника электронов обычно используют катод из вольфрамовой проволоки, поскольку этот материал сохраняет форму при высоких температурах, необходимых для получения значительной электронной эмиссии. Электроны, эмитированные из катода, необходимо ускорять до потенциала в несколько кВ. Испарители, в которых ускоряющее поле прикладывается между катодом и испаряемым веществом, называются испарителями с испаряемым анодом. Энергия электронов в пучках достаточна для ионизации остаточных газов или молекул испаряемого вещества. Эти процессы обуславливают потери энергии электронами пучка и расфокусировку последнего. Для уменьшения этих эффектов давление в вакуумной камере должно быть ниже 8×10^-3 Па. Для осаждения оптических покрытий используются электронные пушки с изгибом траектории электронного луча. Использование искривленных траекторий электронов позволяет эффективно разделить на малом расстоянии электронную пушку и источник паров. На рис. 2.7 схематически изображена электронная пушка с искривленной траекторией луча. Искривление траектории луча осуществляется за счет помещения электронного пучка в постоянное магнитное поле, подстройка положения луча на мишени происходит путем изменения тока накала, который определяет скорость эмитированных электронов.

В таких пушках для увеличения электронного эмиссионного тока используется относительно большая площадь удлиненного катода. Это позволяет без снижения мощности пушки использовать рабочее напряжение до 12 кВ. Для защиты от ионов испаряемого материала и от разрушения ионной бомбардировкой катод экранирован. В данной конструкции испарителя испаряемое вещество находится в охлаждаемой водой медной подставке (тигле). В зависимости от тепловых контактов между подставкой и испаряемым веществом, величины подводимой мощности для данных конструкций электронных пушек температура нагрева вещества может составить 3500°С, что позволяет испарять как тугоплавкие металлы, так и оксиды.