Металлизация в вакууме

В настоящее время вакуум находит широкое применение для нанесения тонких металлических пленок на различные поверхности. Наиболее простым способом нанесения тонких пленок является осаждение паров металла за счет конденсации на предна вначенной к ‘Покрытию поверхности.

Таким способом, например, стекло можно покрывать пленками алюминия, магния, меди, серебра, золота, платины, железа, никеля, хрома и других металлов.

Устройство для испарения ‘металлов в вакууме показано на рис. 55. Оно состоит из металлической камеры с латунным экраном 2 и съемной крышкой 1. Внутри камеры находится нагревательный элемент 4 в виде вольфрамовой спирали, к которой подводится электрический ток. Испаряемый металл в виде небольших кусочков помещается в нагревательный элемент. В том случае, если испаряемый металл плохо смачивает вольфрамовую нить, его иногда наносят на нее электролитическим способом.

камеры на расстоянии нескольких сантиметров от нагревательного элемента, съемная крышка герметично закрывается и камера откачивается до давления порядка нескольких микрон. После этого подается напряжение на нагревательный элемент и производится кратковременный прогрев испаряемого металла до температуры плавления. Эта операция необходима для удаления растворенных в металле газов, особенно в случае серебра, которое легко поглощает кислород. Начало плавления металла и выход из него растворенных газов могут быть обнаружены по колебанию тока накала спирали нагревательного элемента, а также по возрастанию давления в рабочем объеме камеры.

Сразу же после удаления выделившихся газов снова включается нагревательный элемент и металл доводится до такой температуры, при которой он начинает интенсивно испаряться; при этом давление в рабочем объеме быстро нарастает и ток снова выключается.

Для того чтобы пленка металла проч’но держалась на поверхности стекла, последняя должна быть тщательно очищена от следов жира и различного рода загрязнений. Недопустимо также присутствие воды в рабочем объеме установки, так как в этом случае покрытие становится хрупким и цвет его изменяется вследствие образования окислов металлов. Присутствие масляных паров также ухудшает качество покрытия.

Удаление поверхностных загрязнений и поглощенного стеклом газа производится путем нагревания стекла в вакууме при температуре 400—500° за счет помещения стеклянных деталей в нагревательный элемент в виде спирали из нихромовой проволоки. Поверхность стекла может очищаться также путем бомбардировки ионами. В этом случае стеклянные детали помещаются вблизи электродов, между которыми поддерживается электрический разряд при давлении 10^-1 — 10^-2 мм рт. ст.

Испаряющийся металл конденсируется не только на поверхностях обрабатываемого предмета, но и на внутренней поверхности рабочей камеры, если не принять специальные меры для предотвращения этого явления. Осаждение металла на внутренних поверхностях рабочей камеры недопустимо, так как в этом случае стенки камеры поглощают значительное количество газов, что существенно затрудняет процесс откачки и достижение требуемого рабочего разрежения’ при последующих циклах нанесения покрытий. Наличие в камере съемного латунного экрана предотвращает непосредственное попадание испаряющих молекул металла на стенки камеры, а с самого экрана они могут по мере надобности удаляться химическим способом; в случае необходимости экран вообще может быть заменен.

Для испарения металла можно пропускать электрический ток непосредственно через ленту или проволоку из испаряемого металла или же использовать в качестве нагревательного элемента проволоку или спираль из тугоплавкого металла (вольфрам, молибден), на которой укрепляется кусок испаряемого металла. При нагреве металл, плавясь, превращается в каплю, которая затем постепенно испаряется.

Поскольку некоторые металлы (например хром) при расплавлении в вакууме не пристают к поверхности вольфрамовой спирали, то их предварительно расплавляют в атмосфере водорода, где они приходят в тесное соприкосновение с вольфрамовой нитью Другие металлы (например никель, железо, алюминий, платина) способны в расплавленном состоянии разъедать вольфрам, в силу чего приходится употреблять более прочную нить, которая получается путем окручивания вместе трех или четырех вольфрамовых проволок с одной проволокой из того металла, который должен испаряться. Такая витая проволока долго не перегорает и с нее не скатываются капли расплавленного металла. Поскольку вольфрам плохо смачивается в вакууме серебром и медью, то для испарения этих металлов в качестве нагревательного элемента часто используются молибденовые нити.

Кроме того, испаряемый металл иногда помещают в корытце, чашечку или небольшой тигелек из другого тугоплавкого металла со значительно более высокой температурой плавления, который в свою очередь нагревается либо электрическим током,’ либо индукционными токами от генератора высокой частоты.

Тонкие металлические пленки можно наносить не только путем испарения металла и конденсации его в вакууме, но также с помощью катодного распыления.

Сущность катодного распыления состоит в том, что под действием электрического разряда в разреженном газе возникает явление переноса частиц металла с отрицательного электрода на какую-либо поверхность, помещаемую в области разряда, благо-даря чему поверхность покрывается очень тонким слоем металла.

Устройство для металлизации путем катодного распыления изображено на рис. 56. Стеклянный предмет 11, который требуется металлизировать, устанавливается на алюминиевом анодном диске 10. Над металлизируемым предметом находится катод 12 из распыляемого металла, прикрепленный к пустотелому катодному стержню. В процессе распыления катодный стержень охлаждается проточной водой.

Давление, при котором производится катодное распыление, обычно составляет 10^-1 мм рт. ст. и регулируется с помощью на-текателя.

Форма катода чаще всего выбирается такой, чтобы она соответствовала форме покрываемой металлом поверхности. Так, например, для металлизации внутренней поверхности трубки в качестве катода употребляют проволоку, располагая ее вдоль оси трубки. Для металлизации наружной поверхности трубки применяют катоды в виде полых цилиндров

Скорость катодного распыления пропорциональна приложенному между электродами напряжению, силе разрядного тока и обратно пропорциональна давлению.

Наиболее легко подвергаются катодному распылению такие металлы, как золото, серебро и платина; для получения пленок меди, железа и никеля требуется вдвое больше времени, а легкие металлы, например алюминий и магний, осаждаются путем катодного распыления настолько медленно, что оно вообще редко

применяется для получения пленок этих металлов. По этой же причине анод чаще всего делается из алюминия, который очень слабо распыляется.

Для того чтобы не происходило загрязнение пленок другими находящимися внутри установки металлами, нельзя допускать, чтобы разряд достигал этих металлов.