Метод магнетронного напыления покрытий с ионным ассистированием

ФГАОУ ВПО «КАЗАНСКИЙ(ПРИВОЛЖСКИЙ)

ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

УДК 643.6./7

№ гос. регистрации

Инв. №

УТВЕРЖДАЮ

Доцент,к.т.н. кафедры ВиПИ

___________ Д.И.Исрафилов

«_____» ____________ 2012г.

Курсовая работа

на тему:

«Метод магнетронного напыления покрытий с ионным ассистированием»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Набережные Челны 

2012 

Список исполнителей

Исполнитель темы  Шайхулов Р.Ф.

 

Оглавление

Введение 4

Физические основы вакуумного напыления 6

Закономерности образования и роста вакуумных покрытий 7

Классификация методов нанесения вакуумных покрытий 9

Метод магнетронного напыления покрытий с ионным ассистированием 11

Ионная очистка 14

Подбор насоса для получения вакуума 18

Заключение 23

Литература 24

 

 

Введение

Технологии, связанные  с нанесением тонкопленочных покрытий, являются одними из наиболее актуальных направлений получения новых  материалов, в том числе наноструктурных. Хорошим примером важности применения тонкопленочных покрытий являются полупроводниковая, оптическая промышленности и водородные технологии в энергетике. Высокие  темпы развития этих наукоемких отраслей требуют непрерывного повышения  качества и эксплуатационных свойств  покрытий. Реализация этих требований напрямую зависит от достижений в  разработке и конструировании оборудования и совершенствования технологий получения тонких пленок.

В настоящее время  наиболее перспективными методами нанесения  покрытий являются вакуумно-плазменные методы. Это обусловлено их экологической  безопасностью, высокой чистотой технологических  процессов и качеством продукции. Также известно, что в ионизованном или возбужденном состоянии атомы  и молекулы легче взаимодействуют  друг с другом, делая процесс нанесения  покрытий более эффективным.

Проблемой существующих методов нанесения покрытий является либо высокая стоимость оборудования и небольшие скорости осаждения  покрытий, как в случае СВЧ разрядов, плохая однородность наносимых покрытий, как при использовании дугового распыления, либо небольшие площади  обрабатываемых поверхностей как при  лазерной абляции, либо низкая адгезия, как при термическом испарении. Магнетронные распылительные системы (МРС) в какой-то степени лишены этих недостатков. Использующийся в МРС  дрейфовый ток электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях  дает возможность получать протяженные  потоки достаточно плотной плазмы с  контролируемыми в широком диапазоне  характеристиками. МРС были изобретены еще в 70-х годах прошлого столетия, однако их конструкции совершенствуются до сих пор.

Расширить возможности  метода позволило совместное использование  МРС и источников ионов, которые  генерируют направленные потоки ионов  рабочих (как инертных, так и химически активных) газов, ускоренных до определенной энергии. Что в свою очередь позволяет применять их для чистки поверхности подложек и воздействия ионным потоком на покрытие в процессе его роста для изменения его структуры.

 

 Физические основы вакуумного напыления

Процесс нанесения вакуумных  покрытий предполагает реализацию следующих  основных стадий:

- образование газовой  фазы (генерация паров, летучих  продуктов);

-перенос атомов, частиц вещества от источника газовой фазы до покрываемой поверхности;

- взаимодействие частиц  газовой фазы с поверхностью  и образование покрытия.

Все известные методы нанесения  покрытий отличаются способами генерации  газовой фазы, режимами и условиями  массопереноса и пленкообразования.

Необходимым условием получения  качественных покрытий является создание в рабочей камере высокого вакуума, что позволяет:

1. Исключить процесс окисления при нагреве металла до высоких температур.

2. Исключить химическое  взаимодействие атомов паровой  фазы с молекулами остаточных  газов. Это реализуется при  условии, когда длина свободного  пробега молекул газа больше  характерного размера вакуумной  камеры ( ).

3. Благодаря вакууму устраняется  теплообмен за счет теплопроводности  газов и конвекции.

4. Использование вакуума  позволяет производить высокоэффективную  очистку поверхности, удалять  адсорбированные газовые слои. Основные  методы очистки поверхности заключаются  в ее нагреве до температуры  250..300 0С, при которой происходит  удаление адсорбированных молекул  влаги, органических загрязнений  и т. д., и ионной обработке  поверхности.

При вакуумном нанесении  покрытия предъявляются следующие  требования к материалу подложек, на поверхности которых оно формируется:

1. Подложка в процессе  нанесения покрытия не должна  выделять в вакууме летучие  продукты. Часто при металлизации, в частности, полимерных материалов  для уменьшения газовыделения  поверхность подложки покрывают  антидиффузионным слоем, который  препятствует выделению летучих  материалов в вакуум из объема  материала.

2. Сохранение размеров  и геометрической формы при  тепловом воздействии, которое  имеет место при формировании  покрытия. Данное условие особенно  важно для материала подложки, имеющего низкую термостойкость.

Закономерности  образования и роста вакуумных  покрытий

Элементарные процессы, протекающие  на поверхности при образовании  вакуумных покрытий, в значительной степени зависят от условий и  режимов формирования тонкопленочной системы. В случае осаждения покрытия в вакууме из газового потока кинетика роста покрытий, их структура и  свойства зависят от следующих основных параметров:

1. Давления остаточных  газов в вакуумной камере. Достаточно  обосновано эмпирическое правило:  чем выше давление в камере, тем ниже качество покрытия.

2. Плотности потока падающих  на поверхность атомов j. При возрастании j, как правило, происходит более интенсивное зародышеобразование конденсированной фазы и повышается сплошность покрытия, увеличивается его адгезионная прочность и коррозионная стойкость.

3. Температуры поверхности  подложки. При ее повышении формируется  покрытие с более равновесной  структурой. Однако при этом снижается  его сплошность и скорость  осаждения. Изменение температуры  покрытия после его нанесения  может быть причиной полиморфных  превращений, которые, в общем  случае, оказывают сложное влияние  на их структуру и свойства.

4. Степени ионизации и  энергии падающих атомов. Повышение  степени ионизации и энергии  падающих атомов до определенного  предельного значения способствуют повышению качества осаждаемого покрытия. При больших значениях энергии атомов, взаимодействующих с поверхностью и участвующих в процессах роста пленки, возможно образование в ней структурных дефектов и даже, при определенных режимах, – травление растущего покрытия.

Процесс осаждения вакуумных  покрытий является многофакторным и  достаточно сложным. Рассмотрим основные стадии и механизмы роста покрытий при их осаждении из газового потока.

Пусть на поверхность твердого тела, находящегося в вакууме, действует  поток частиц с плотностью j (на практике, в технологии осаждения покрытий используются потоки с j~10¹⁰..10²⁰ ат./(с*м²)). При взаимодействии отдельного атома с поверхностью протекают следующие относительно элементарные процессы:

1. Энергообмен (аккомодация)  с поверхностными атомами подложки. В зависимости от условий энергообмена, природы взаимодействующих атомов  возможны две взаимоисключающие  друг друга ситуации:

а) атом упруго отразился;

б) атом закрепился на поверхности  — перешел в адсорбированное  состояние.

Для характеристики термической  аккомодации используют коэффициент  аккомодации ат, который определяет долю энергии, переданной атомам поверхности  при взаимодействии. Считается, что  всегда при реализующихся на практике условиях и режимах осаждения  ат< 1.

Установлено, что практически  полный энергообмен между атомами  на поверхности происходит за время, равное двум периодам согласованных  колебаний адсорбированного атома (адатома) и атома подложки; tт≈2τ0 (τ0 — период колебаний атомов в решетке, τ0~10-12..10-13 с).

Расчеты показывают, что  если массы атома подложки и атома, взаимодействующего с поверхностью, примерно равны, то аккомодация практически  всегда полная, и в итоге атом закрепляется (адсорбируется) на поверхности. Если взаимодействующий с поверхностью атом имеет массу меньшую атома подложки, то аккомодация всегда неполная (ат < 1).

2. Поверхностная диффузия. В зависимости от условий формирования  покрытий, адсорбированный атом  в процессе диффузии может  либо закрепиться на зародыше  конденсированной фазы (устойчивой  металлической частице), либо же  через некоторое время τа, называемое  временем жизни в адсорбированном  состоянии, перейти в газовую  фазу (в десорбированное состояние). Поверхностная диффузия характеризуется  длиной диффузионного пробега  , которая равна расстоянию, проходимому атомом на поверхности за время его жизни в адсорбированном состоянии τa (a – расстояние между соседними адсорбционными узлами поверхности; D – коэффициент поверхностной диффузии; Еa и Еd – энергия активации процессов адсорбции и поверхностной диффузии соответственно; k – постоянная Больцмана).

Образование покрытия происходит в результате взаимодействия адсорбированных  атомов между собой и с атомами  подложки. Следует различать следующие, протекающие последовательно стадии роста покрытия:

- образование адсорбционной  фазы;

- зародышеобразование конденсированной  фазы;

- рост зародышей;

- взаимодействие зародышей  между собой и их слияние  (коалесценция);

- образование сплошного  покрытия и его дальнейший  рост. Каждая из этих стадий  характеризуется особенностями  структурного состояния, и кинетика  их протекания оказывает влияние  на свойства формируемых покрытий.

Классификация методов нанесения вакуумных  покрытий

Выделяют следующие методы:

1. Испарение:

- резистивное;

- индукционное;

- электронно-лучевое;

- лазерное;

- электродуговое.

2. Ионное распыление (ионно-лучевое).
3. Плазменное распыление:

- катодное;

- магнетронное;

- высокочастотное;

- в несамостоятельном  газовом разряде.

 

Метод магнетронного  напыления покрытий с ионным ассистированием

На сегодняшний  день магнетронные распылительные системы  широко используются в технологиях  нанесения покрытий вакуумно-плазменными  методами. Действие МРС основано на распылении поверхности катода-мишени ускоренными ионами, образующимися  в плазме тлеющего разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, и формировании потоков атомов материала  мишени в направлении поверхности, на которую осаждается покрытие.

Основными элементами МРС (рис.1) являются катод-мишень 1, анод 2 и магнитная система 3. При подаче постоянного напряжения между электродами  МРС инициируется аномальный тлеющий  разряд. Наличие замкнутого магнитного поля у распыляемой поверхности  позволяет локализовать плазму разряда  непосредственно у мишени. Электроны, образующиеся в результате вторичной  ионно-электронной эмиссии, захватываются  магнитным полем и движутся по замкнутым траекториям у поверхности  мишени. Они оказываются в ловушке, создаваемой с одной стороны  магнитным полем, удерживающим электроны  у поверхности катода, а с другой стороны – тормозящим электрическим  полем, отталкивающим их. В результате эффективного удержания электронов и их интенсивной энергетической релаксации, значительно возрастает концентрация положительных ионов  у поверхности катода. Что в  свою очередь обусловливает увеличение интенсивности ионной бомбардировки  поверхности мишени и плотности  потока распылённых атомов. Наиболее интенсивно распыляется поверхность  мишени в области сильного магнитного поля. Эта часть поверхности имеет  вид замкнутой дорожки, геометрия  которой определяется формой полюсов  магнитной системы [1].

Рис. 1. – Схема  магнетронной распылительной системы  с плоской мишенью: 1 – катод-мишень; 2 – анод; 3 – магнитная система; 4 – силовая линия магнитного поля; 5 – траектория движения электронов; 6 - зона наибольшей эрозии поверхности  катода.

Основные рабочие  характеристики магнетронных распылительных систем – напряжение горения разряда, ток разряда, плотность тока на мишени, удельная мощность, величина индукции магнитного поля и рабочее давление. От величины и стабильности перечисленных  параметров, которые взаимно связаны  между собой, зависят стабильность разряда и воспроизводимость  характеристик формируемых на образцах тонких пленок [2].

Существенное влияние  на качество формируемых покрытий, их адгезию к основе оказывает  состояние поверхности образцов. Как правило, на поверхности образцов существует оксидный слой, который  ухудшает адгезию покрытия. Технологический  цикл нанесения покрытий включает в  себя этап чистки поверхности образцов. С этой целью используют направленные потоки ионов инертных газов, генерируемых источниками ионов. Кроме того, ускоренными  ионами можно воздействовать на обрабатываемую поверхность в процессе роста  плёнки (ионное ассистирование), что  позволяет изменять структуру, а, следовательно, и свойства покрытия. Улучшается микроструктура, в частности увеличивается плотность и однородность, размельчается столбчатая структура, исчезает сквозная пористость, что приводит к улучшению износо-, усталостной и коррозионной стойкости изделий с покрытиями [3].