1. Катод. 2. Управляющий электрод. 3. Мишень. 4.Водоохлаждаемый анод. 5. Подложка. 6. Пучок электронов. 7. Магнитная система управления лучом. 8. Водоохлаждаемый тигель.

Ионы остаточных газов, образующиеся при ионизации молекул ускоренными электронами, стекают на специальный электрод 2, находящийся под отрицательным потенциалом. Этот же электрод фокусирует электронный поток на мишень из испаряемого материала. В результате бомбардировки сфокусированным потоком электронов участка мишени 3 этот участок разогревается до высоких температур и происходит испарение материала мишени из зоны нагрева. Главным недостатком этого типа электронно-лучевых испарителей является узкий диапазон управления фокусировкой луча, так как он определяется, в основном, формой фокусирующего электрода 2. Поэтому практически единственным способом управления фокусировкой является изменение величины отрицательного потенциала, подаваемого на электрод 2. Во время работы в зоне облучения из-за испарения материала мишени образуется углубление. Это приводит к расфокусировке луча, изменению температуры поверхности мишени и, как следствие, дестабилизации процесса испарения.

Для улучшения фокусировки электронного потока обычно используют более сложные, чем показанная на Рис.3а системы, включающие постоянные магниты или электромагниты.

Испаритель с ленточным катодом,(Рис.3б)

Магнитная система управления лучом 7 служит для поворота и фокусировки на мишень 5 пучка электронов 6, эмитированных с ленточного вольфрамового термокатода 8. Такое расположение необходимо для того, чтобы исключить попадание испаряемого материала на катод. Загрязнение поверхности катода приводит к изменению его эмиссионных свойств, дестабилизации работы и выходу из строя. Вольфрамовый термокатод устанавливается в паз фокусирующего электрода пушки 7. Массивный медный анод 4 имеет центральное сквозное отверстие и охлаждается проточной водой для исключения сплавления меди с испаряемым веществом. Он закреплен на основании и позволяет загружать мишень диаметром до 35 мм и длиной 75 мм. Мишень подается в зону испарения и поддерживается на заданной высоте автоматически. Максимальная скорость осаждения, например, алюминия на подложку 5 составляет 4,5 мкм/мин. при расстоянии мишень - подложка порядка 210 мм.

Схема универсального электронно-лучевого испарителя показана на Рис.4.Она отличается от схемы Рис.3б тем, что для расширения номенклатуры напыляемых материалов, а также возможности получения сложных многослойных пленок в одном процессе, в установке имеется многопозиционный поворотный держатель 4 с несколькими ячейками для различных мишеней. При необходимости получения многослойной пленки сначала проводится испарение металла из ячейки А, затем держатель поворачивается на одну позицию, проводится испарение из ячейки Б и так далее.

Рис.4. Универсальный электронно-лучевой испаритель.

1.Электронная пушка. 2.Магнитная система управления лучом. 3.Мишень. 4.Поворотный механизм. 5.Ввод электродов.

Основная характеристика работы испарителя - температура поверхности облучаемого участка мишени определяется удельной мощностью пучка, которая в первом приближении зависит согласно формуле

от качества фокусировки пучка (R), энергии электронов, определяемой напряжением на аноде (Ua),а также их количества, определяемого током луча (I_л).

Следует отметить, что величина ускоряющего напряжения не только определяет энергию электронов, но и траекторию их движения в поле постоянного магнита 2.Поэтому с помощью изменения величины ускоряющего напряжения можно перемещать электронный луч по поверхности мишени, что важно как для наладки оборудования, так и для оптимизации качества процесса напыления.

Ток луча I_Л зависит как от качества работы электронной пушки, так и от качества магнитной фокусировки электронного пучка. При оптимальной настройке пушки он зависит, в основном, от тока накала термокатода I_k. Из приведенных выше соображений следует, что основными параметрами, с помощью которых осуществляется управление режимом работы электронно-лучевого испарителя, являются I_k и U_a.

В связи со сложностью и недостаточно высокой точностью вычислений температуры поверхности зоны испарения на практике для определения оптимального режима испарения часто пользуются градуировочными кривыми или таблицами, полученными экспериментально. Они представляют собой зависимости типа V_P=f(U_a) при I_k=const или V_P=f(U_a) при I_k=const, где V_P - скорость напыления выбранного материала.

После экспертной оценки качества пленок, подученных при снятии градуировочных кривых, определяют диапазоны допустимых изменений ускоряющего напряжения и тока накала катода, в которых качество процесса удовлетворяет требованиям технологии. Эти кривые могут быть использованы и при переходе на напыление другого материала. В этом случае необходимо учитывать соотношение равновесных парциальных давлений градуировочного и нового материалов.

Оценка нагрева мишени в зоне действия электронного луча.

Распределение мощности исходного пучка электронов , взаимодействующего с мишенью, можно выразить следующим соотношением

где - мощность, теряемая на нагрев мишени;- средняя мощность, расходуемая на излучение,- мощность, теряемая на ионизацию и возбуждение испаряемых атомов. Вкладиобычно не превышает 1%, поэтому можно считать, что практически вся мощность пучка тратится на нагрев мишени. В зоне действия электронного луча кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию. Эта зона ограничена диаметром луча и глубиной проникновения электронов в мишень.Глубина проникновения электронов в мишень определяется уравнением

где - энергия пучка, кэВ,- плотность материала мишени.

Таким образом, в приповерхностном слое мишени действует объемный источник, передающий тепло за счет теплопроводности к охлаждаемым границам мишени. Математическая модель электронно-лучевого нагрева предполагает, что поток тепла от плоского источника, расположенного на глубине , уменьшается в два раза, так как тепло может распространяться в обе стороны от источника. Если считать, что на поверхности мишени () нет тепловых потерь, обусловленных конвекцией и излучением, то границу можно учесть, добавив воображаемый источник того же знака и интенсивности, но расположенный при. Использование метода зеркального отображения позволяет вычислять профили распределения температуры как для стационарного, так и для движущегося источника. Так, распределение температуры по глубине (z) имеет вид [1]

Очевидно, что учет радиальных потерь еще больше усложнит вычисления. Поэтому на практике рациональнее проводить оценочные расчеты, которые, хотя и менее точны, но значительно проще.

Расчет мощности луча.

Ввиду малости величины по сравнению с толщиной мишени в большинстве практически важных случаев можно в первом приближении считать источник тепла в зоне облучения поверхностным. В нем выделяется мощность

где Ua– ускоряющее напряжение на аноде;Iл – ток луча. Ток луча можно определить из выражения, гдеплотность тока эмиссии катода,- площадь рабочей поверхности катода, равная

где - диаметр проволоки, из которой сделан катод;- длина проволоки. С учетом (4) уравнение (3) примет вид