Метод магнетронного напыления покрытий с ионным ассистированием

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А.М. Горького

 

 

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

 

Кафедра общей и молекулярной физики

 

 

 

 

МЕТОД МАГНЕТРОННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ С ИОННЫМ АССИСТИРОВАНИЕМ

 

 

 

 

 

Допустить к защите:                                                 Курсовая работа:

                                                                    

 

                                                                                          

 

 

 

 

 

 

Научный руководитель:

  

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург

2009

Оглавление.

 

 

 

 

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.

Цель работы:

Провести теоретические и экспериментальные исследования работы магнетронной распылительной системы с ионным ассистированием. Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Изучить теоретические основы магнетронного распыления и ионного ассистирования.
2. Ознакомиться с устройством и принципами работы установки для нанесения покрытий магнетронным методом с ионным ассистированием.
3. Рассчитать распределения толщины покрытия, полученного методом магнетронного распыления, по поверхности протяжённых образцов.
4. Нанести покрытие на протяжённый образец и определить степень его однородности по длине.

 

1. Физические  основы метода.

1.1. 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].

Метод магнетронного распыления с ионным ассистированием позволяет:

• Получать покрытия практически из любых металлов, сплавов, полупроводников и диэлектриков без нарушения исходного соотношения компонентов распыляемой мишени;
• Наносить покрытия с широким интервалом скоростей напыления: 0,1-100 мкм/ч;
• Получать многокомпонентные и многослойные покрытия, отличающиеся  высоким качеством и однородностью;
• Наносить покрытия в среде химически активных газов (N2, O2, CH4, СО, SO2 и др.) и получать соединения на основе оксидов, нитридов, карбидов, сульфидов металлов и др. соединений, в т.ч. и тех, которые невозможно получить методами обычного термического испарения;
• Производить обработку изделий с целью их ионной очистки и активации перед нанесением покрытий в одном техническом цикле с нанесением покрытий.
• Наносить тонкопленочные проводящие, изолирующие покрытия на электронные компоненты; просветляющие, отражающие, защитные покрытия на детали оптических систем и приборов; упрочняющие, стойкие к коррозии и защитно-декоративные покрытия на металлы, диэлектрические материалы, стекло, пластмассы в производстве изделий различного назначения, включая товары народного потребления.
• Обеспечить полную экологическую безопасность (отсутствие: жидких стоков, газообразных выбросов, транспортировки и хранения ядовитых реагентов)

Но есть ряд недостатков:

• Окисление и загрязнение поверхности мишени при замене рабочего газа или вскрытии вакуумной камеры. Поэтому подготовка магнетрона к работе предполагает предварительную очистку мишени плазмой собственного разряда.
• Нанесение покрытий не только на образцы, но и на элементы вакуумной камеры, экраны и т.д. При осаждении различных типов пленок на одной установке требуется механическая чистка запыляемых элементов.
• Трудности, связанные с равномерным нанесением покрытий на изделия сложной формы. Для обработки образцов с множеством теневых областей чаще используют другие методы.
• Небольшой коэффициент использования мишени. Распылению подвергается только узкая кольцеобразная область мишени. Данную проблему решают путем модификации магнитных систем, что значительно усложняет конструкцию установки, или подбора оптимальной формы мишени, что делает процесс её изготовления более сложным.

 

1.2.Ионная очистка.

 

Очистка поверхности от различного рода загрязнений и окислов имеет важное значение при нанесении разнообразных покрытий. Существующие классические методы очистки поверхности - химические, гальванические, пескоструйные, которые не в полной мере удовлетворяют современным требованиям по качеству результата. Ионная очистка поверхности позволяет получать атомночистую поверхность, благодаря чему улучшается адгезия наносимого покрытия с подложкой.

Данный метод очистки осуществляется следующим образом. Ионный источник формирует направленный поток ионов инертного газа, ускоренных  до высокой энергии. Они бомбардируют подложку, вызывая её распыление [6].

Распыление наблюдается при энергии ионов Ei выше энергия связи атомов обрабатываемого материала в твердом теле E0 (пороговая энергия). Значения E0 для различных элементов колеблются от единиц до нескольких десятков эВ.  При энергиях меньше пороговой распыление отсутствует.

Коэффициент S является количественной характеристикой распыления и равен числу атомов, выбитых одним ионом. Вблизи порога S очень мал (10–5 атомов/ион), а при оптимальных условиях может достигать нескольких десятков. На величину S влияют как параметры бомбардирующих ионов — их энергия, масса, угол падения на образец, так и свойства распыляемого вещества — чистота поверхности, температура, кристаллическая структура, масса атомов вещества. Энергии распылённых частиц колеблются от нескольких долей эВ до величин порядка энергии первичных ионов. Средние энергии распыляемых частиц составляют обычно десятки эВ и зависят от свойств материала мишени и характеристик ионного пучка [7].

Согласно теории Зигмунда [4] для аморфных и поликристаллических материалов для энергий ионов до 1 кэВ коэффициент распыления определяется следующим выражением:

,

где Mi и  Ma- атомные массы ионов и атомов распыляемого материала, г/моль;

Ei - энергия падающих ионов, эВ;

Esub - энергия сублимации атомов подложки, эВ;

α - безразмерный параметр, зависящий от Mi/Ma.

Зависимость параметра α от отношения Mi/Ma при нормальном падении пучка ионов показана на рис 2.

 

 

 

 

Рис.2. Зависимость коэффициента α от отношения массы атома распыляемого материала Ma к массе иона Mi [4] .

 

 

 

В табл. 1 приведены значения коэффициентов распыления для некоторых металлов.

 

Табл.1. Значения коэффициента распыления [9].

Распыляемое вещество	Коэффициент распыления S, атом/ион
	при Еi=600 эВ		при Еi =1 кэВ
	Аr	Кr	Аr	Кr
Сu	2,3	2,8	3,2	3,4
Fe	1,3	1,2	1,4	1,4
Мо	0,9	1,1	1,1	1,2
Ni	1,5	1,5	2,1	1,7

 

Зависимость коэффициента распыления от энергий бомбардирующих ионов (рис.3) имеет максимум при значениях энергии порядка 101-103эВ. Уменьшение коэффициента распыления при повышенных энергиях ионов связано с большой глубиной проникновения частиц в твердое тело и меньшим выделением энергии в поверхностном слое.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Зависимость коэффициента распыления Си от энергии бомбардирующих ионов Кr+ [8].