Графитовый тигель для вакуумного напыления алюминия

Графитовый тигель для вакуумного напыления алюминия. Введение

Графитовые тигли обычно используются для вакуумного напыления алюминия из-за их высокой температуры плавления, хорошей теплопроводности и химической инертности по отношению к расплавленному алюминию.

Почему графит?

Высокая температура плавления: графит имеет очень высокую температуру плавления (около 3650 °C или 6600 °F), намного превышающую температуру плавления алюминия (660 °C или 1220 °F). Это позволяет ему удерживать расплавленный алюминий без плавления или деформации.

Теплопроводность: хорошая теплопроводность графита помогает обеспечить равномерный нагрев алюминия, что приводит к более равномерной скорости испарения.

Химическая инертность: графит, как правило, инертен по отношению к расплавленному алюминию, то есть он не будет реагировать с алюминием и загрязнять покрытие. Хотя может быть некоторое поглощение углерода, оно, как правило, минимально и управляемо при использовании графита надлежащих марок.

Обрабатываемость: графит относительно легко поддается обработке в сложные формы, что позволяет создавать индивидуальные конструкции тиглей, оптимизированные для конкретных систем испарения.

Экономичность: по сравнению с некоторыми альтернативными материалами тиглей, графит, как правило, является более экономически эффективным вариантом.

Снижает газовыделение: графит хорошего качества, должным образом прокаленный перед использованием, сводит к минимуму газовыделение в процессе испарения, что обеспечивает более чистый вакуум и более высокое качество пленок.

Факторы, которые следует учитывать при выборе графитового тигля:

Марка графита:

Чистота: Крайне важно. Используйте графит высокой чистоты, чтобы минимизировать загрязнение алюминиевой пленки. Ищите сорта с очень низким содержанием золы (в идеале менее 10 ppm) и минимальным содержанием металлических примесей.

Размер зерна: Более мелкие размеры зерна обеспечивают более гладкую поверхность, снижая вероятность просачивания расплавленного алюминия в графит и разбрызгивания.

Плотность: Графит с более высокой плотностью, как правило, прочнее и менее пористый, что помогает предотвратить проникновение расплавленного алюминия в материал тигля.

Прочность: Тигель должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать термические напряжения во время циклов нагрева и охлаждения. Учитывайте толщину стенок и опорную конструкцию.

Конструкция тигля

Форма: распространенные формы включают коническую, цилиндрическую и лодкообразную. Оптимальная форма зависит от конкретной системы испарения, количества испаряемого алюминия и желаемых характеристик испарения.

Размер: выберите размер, соответствующий объему испаряемого алюминия и размерам вашей вакуумной камеры. Обеспечьте достаточное пространство вокруг тигля для нагрева и потока газа.

Толщина стенки: более толстая стенка обеспечивает большую механическую прочность и тепловую инерцию, но также может увеличить время нагрева. Оптимизируйте для конкретного применения.

Крышка (опционально): крышка может помочь уменьшить разбрызгивание и предотвратить выплескивание алюминия из тигля. Она также может помочь улучшить равномерность скорости испарения алюминия.

Метод нагрева

Резистивный нагрев: графитовые тигли можно нагревать напрямую, пропуская через них электрический ток. Это эффективно, но требует тщательного контроля тока и напряжения.

Индуктивный нагрев: для нагрева тигля можно использовать радиочастотный (РЧ) индукционный нагрев. Этот метод бесконтактный и обеспечивает хороший контроль температуры.

Электронно-лучевой нагрев: электронный луч можно сфокусировать на алюминии внутри тигля, чтобы испарить его. Графит в основном содержит Al и не нагревается напрямую.

Поддержка тигля

Тигель должен быть надлежащим образом закреплен в вакуумной камере. Рассмотрите возможность использования керамической или графитовой опорной конструкции, чтобы предотвратить наклон или падение тигля. Опора должна быть теплоизолирующей, чтобы минимизировать потери тепла из тигля.

Дегазация

Перед использованием нового графитового тигля его необходимо прокалить в вакуумной печи, чтобы удалить адсорбированные газы и летучие загрязняющие вещества. Этот процесс может включать нагревание тигля до высокой температуры (например, 1000°C или выше) в течение нескольких часов в условиях высокого вакуума.

Срок службы тигля

Graphite crucibles have a finite lifespan. They can degrade over time due to thermal cycling, reaction with the evaporated material, and mechanical stress. Monitor the crucible for signs of wear and tear, such as cracking or deformation, and replace it when necessary.

Типичная процедура

Выбор тигля: выберите тигель из высокочистого графита подходящей марки, размера и формы.

Прокалка: прокалите тигель в вакуумной печи для удаления загрязнений.

Загрузка: осторожно загрузите алюминиевый материал в тигель.

Настройка вакуумной камеры: поместите тигель в вакуумную камеру, обеспечив надлежащую поддержку и электрические соединения (при использовании резистивного нагрева).

Вакуумирование: откачайте вакуумную камеру до нужного давления.

Нагрев: нагрейте тигель до температуры выше точки плавления алюминия.

Испарение: дайте алюминию испариться и осесть на подложке.

Охлаждение: после испарения дайте тиглю и подложке остыть.

Выгрузка: проветрите вакуумную камеру и удалите покрытую подложку.

Осмотр: осмотрите тигель на предмет повреждений и замените его при необходимости.

Распространенные проблемы и решения

Разбрызгивание: расплавленный алюминий иногда может разбрызгиваться из тигля, что приводит к дефектам покрытия. Чтобы свести разбрызгивание к минимуму:

Используйте тигель из высокочистого графита с мелким размером зерна.

Убедитесь, что алюминий сухой и не содержит загрязнений.

Используйте тигель с крышкой или кожухом.

Медленно увеличивайте скорость нагрева.

Тщательно контролируйте давление вакуума.

Загрязнение: примеси в графитовом тигле могут загрязнять алюминиевую пленку.

Используйте тигель из высокочистого графита.

Тщательно прокалите тигель перед использованием.

Регулярно очищайте тигель.

Растрескивание тигля: термическое напряжение может привести к трещине тигля.

Используйте графитовый тигель с хорошей стойкостью к тепловому удару.

Медленно увеличивайте скорость нагрева и охлаждения.

Убедитесь, что тигель надежно закреплен.

Легирование алюминия: в зависимости от конкретной марки графита, при очень высоких температурах и длительном воздействии некоторое количество углерода может раствориться в алюминии. Обычно это минимально при правильном выборе марки и оптимизированных процессах.