 |
5.4. Вакуумно-конденсаційне нанесення
|
|
|
|
5. 4. Вакуумно-конденсаційне нанесення
покриття іонним розпиленням
Іонне розпилення (sputtering) як метод отримання покриття полягає в бомбардуванні позитивними іонами твердої мішені (катода) з матеріалу, що наноситься, з послідуючим осадженням розпилених часток на поверхні деталей. Дуже часто цей процес називають катодним розпиленням.
Джерелом позитивних іонів є плазма тліючого розряду (постійного або високочастотного), яка горить у середовищі робочого газу при невисокому тиску у камері (1... 10-1 Па)
Робочим газом може бути або інертний газ (наприклад, аргон), або, при реакційному напиленні, активні гази: азот, оксид вуглецю тощо.
Іонні розпилюючі системи, які використовуються зараз, можна поділити на дві основні групи:
1. Плазмоіонні, в яких мішень знаходиться у газорозрядній плазмі, яка створюється тліючим дуговим або високочастотним розрядом, а розпилення відбувається за рахунок бомбардування мішені іонами, добутими з плазми.
2. З автономним іонним джерелом без фокусування або з фокусуванням іонних струменів, які бомбардують мішень.
Плазмоіонні системи класифікуються:
- по кількості електродів: діодні, триодні тощо;
- по виду напруги, що використовується: постійна, високочастотна;
- по наявності або відсутності потенціалу на виробі, що напилюється: зі зміщенням або без зміщення.
Якщо розпилюваний матерал (мішень) є діелектриком, або високоомним напівпровідником, то замість постійного використовують високочастотний струм.
Використання іонного струменю від автономного джерела дозволяє отримати більші швидкості розпилення при більшому вакуумі, ніж у плаз-моіонних системах і послідовно розпилювати декілька мішеней. У системах з іонним джерелом потік позитивно заряджених часток отримують за рахунок формування іонів у плазмі газового розряду, їх екстракції з плазми, прискорення та фокусування у системах іонної оптики.
|
|
|
Серед плазмоіонних способів на практиці отримали поширення діодні, триодні та магнетронні системи.
Діодна схема іонного розпилення подана на рис. 5. 7.
Розпилений матеріал у вигляді диска або пластини, товщиною декілька міліметрів та розміром поверхні, близької до площі поверхні виробу, який напилюється, закріплюють на водоохолоджуваному катоді, до якого підводять від'ємний потенціал джерела живлення.
Другий електрод - анод, який розміщують на відстані декілька сантиметрів від катода. У деяких випадках анод може бути опорою для закріплення виробу. На анод подається позитивний потенціал джерела живлення. Разом з камерою він знаходиться під потенціалом землі. Для полегшення ініціювання тліючого розряду використовують допоміжний анод 7.
Умови існування тліючого розряду при діодній схемі ускладнені. Тому процес здійснюється при максимально високому тиску робочого газу, який допускається 1... 10 Па, та підвищеній напрузі джерела електроживлення 5... 10 кВ. Щільність іонного струму не перевищує 1, 1... 1, 5 мА/см2. Швидкість розпилення катода та конденсації досить мала 0, 2... 2 нм/с. При діодній схемі утворюються вторинні високоенергетичні електрони (3... 5 кВ), які бомбардують поверхню напилення, сприяючи неконтрольованому перегріванню виробу.
Рис. 5. 7. Діодна схема напилення покриттів іонним розпиленням:
1 - матеріал (катод), що розпилюється; 2 - тліючий розряд; 3 - натікач; 4 - потік часток, що напилюються; 5 - виріб; 6 - покриття; 7 - анод
Для напилення діелектриків використовують високочасне катодне розпилення.
У процесі іонного бомбардування на поверхні діелектрика, який розпилюється, накопичується позитивний заряд. Внаслідок цього щільність потоку іонів та їх енергія суттєво зменшується і розпилення практично припиняється. Високочастотна схема катодного розпилення дозволяє у позитивні напівперіоди нейтралізувати позитивні заряди, а у негативні напівперіоди відбувається розпилення матеріалу катода.
|
|
|
Діодну схему катодного розпилення, в основному, використовують для напилення тонких плівок при виробництві інтегральних схем. Для напилення захисного покриття вона малоефективна.
Для підвищення ефективності розпилення запропоновано тріодну схему іонного катодного розпилення (рис. 5. 8).
Рис. 5. 8. Схема тріодного напилення покриття іонним розпиленням:
1 - матеріал-катод, що розпилюється; 2 - тліючий розряд; 3 - натікач; 4 – потік часток;
5 - виріб; 6 - покриття; 7 - гарячий катод; 8 - анод; 9 - магнітна катушка
Гарячий катод є додатковим джерелом для електронів. Для збудження розряду між гарячим катодом і анодом подають високу (1, 0... 2, 0 кВ) напругу. Найбільша ефективність іонізації газу досягається за рахунок надання електронам складного руху завдяки магнітній котушці. Магнітне поле, що діє на тліючий розряд, змінює характер руху електронів. На більш тяжкі іони магнітне поле діє слабше.
В основному використовують поздовжнє магнітне поле, паралельне електричному полю в темному катодному просторі. Під дією магнітного поля електрони здійснюють більш складний рух навколо магнітних ліній, наприклад, по спіралі. Збільшується ефективна довжина шляху електронів і тому збільшується ступінь іонізації робочого газу.
Допоміжний катод, анод і катушка утворюють генератор плазми, незалежно від розпилюваного матеріалу та напилюваного виробу.
Виріб, який напилюється, розташовується навколо плазми або занурюють у нього. Напруга, що подається на розпилюваний матеріал (катод) не впливає на розряд, який утворює плазму. Це дозволяє регулювати прискорюючу напругу не доводячи її до високих рівнів.
На розпилюваний матеріал (холодний катод) подається від'ємний потенціал напругою 0, 7... 1, 0 кВ. Створюються умови прискорення іонів з області гарячого катода у напряму розпилюваного матеріалу. На анод подається позитивне зміщення відносно напилюваного виробу. Це запобігає переміщенню електронів до виробу і знижує можливість перегрівання виробу.
|
|
|
Тріодна схема процесу розпилення катода деякою мірою усуває недоліки діодної схеми. Процес здійснюють при більш низькому тиску робочого газу 10-1 Па і нижче. Продуктивність процесу збільшується.
Основним недоліком розглянутих систем іонного розпилення є відносно низькі швидкості осадження покриття (50... 3000 А°/хв) і мала ступінь іонізації потоку часток, що осаджуються. Тому для отримання якісного покриття необхідно підтримувати температуру поверхні, на яку осаджується покриття у межах 400... 500 °С та подання на неї від'ємного потенціалу.
Подальше підвищення щільності іонного струму та швидкості розпилення забезпечують магнетронні системи.
Магнетронна схема напилення покриття катодним розпиленням наведена на рис. 5. 9.
Під матеріалом, що розпилюється (катодом), встановлюють постійні магніти. Силові лінії у вигляді дуги замикаються між полюсами N-S, утворюючи неоднорідне магнітне поле. Над катодом розміщують кільцевий анод. Коли подають постійну напругу 300... 1000 B, між катодом і анодом утворюється електричне поле напруженістю E і виникає тліючий розряд.
Силові лінії електричного поля перпендикулярні поверхні катода та магнітним силовим лініям В. Завдяки схрещеному магнітному та електричному полям електрони від катода переміщуються по циклоїді. У площині, паралельній площині електрода, створюється область замкненого дрейфу. Відбувається багатократне зіткнення електронів з молекулами робочого газу, завдяки чому підвищується ступінь його іонізації і зростає концентрація бомбардуючих іонів поблизу матеріалу, який розпилюється.
Зона інтенсивного розпилення має вигляд замкненої доріжки, розмір і форма якої визначається геометрією системи.
Рис. 5. 9. Магнетронна схема напилення покриття іонним розпиленням:
1 - розпилюваний матеріал (катод); 2 - тліючий розряд; 3 - натікач;
4 - потік часток; 5 - виріб; 6 - покриття; 7 - анод; 8 - постійні магніти
|
|
|
У кільцеподібній зоні ступінь іонізації робочого газу наближається до 100%. Це дозволяє досягти щільності іонного струму 10... 20 мА/см2. Завдяки цьому швидкість розпилення наближається до електронно-променевого випаровування або термічної сублімації катода дугою низького тиску.
Межа швидкості розпилення визначається теплопровідністю розпилюваного матеріалу, умовами його охолодження. Водяне охолодження матеріалу катода запобігає його високому нагріванню та плавленню. Процес здійснюється при тиску 10-1... 10-2 Па.
Магнетронні системи з різними просторовими формами мішені дозволяють напиляти покриття на складні поверхні виробів. Наприклад, зовнішні та внутрішні поверхні циліндричних виробів.
Основні робочі характеристики магнетронних розпилювальних систем це:
- напруга на електродах;
- струм розряду;
- щільність струму на мішені та питома потужність;
- величина індукції магнітного поля та робочий струм.
Від величини та стабільності перелічених параметрів, які взаємно пов'язані між собою, залежить стабільність розряду та відтворення процесу нанесення покриття.
Струм розряду залежить від багатьох факторів: робочої напруги, робочого газу та його тиску, індукції магнітного поля, конфигурації магнетронної системи, матеріалу, що розпилюється і визначається потужністю джерела живлення.
У практиці напилення використовують струм у межах 100-1500 мА (0, 1-50 мА/см2) та напругу розряду 500-1500 В.
Найбільша ефективність напилення досягається при тріодній або магнетронній схемі напилення. Процес здійснюється на малій напрузі та високій щільності струму. Тому продуктивність процесу в основному визначається величиною струму, а не напруги.
Із збільшенням тиску робочого газу в камері підвищується концентрація іонів у розряді, а тому і щільність струму. Якщо збільшення тиску мале, то залежність близька до лінійної. Збільшенням тиску в камері до визначених меж можна підвищити продуктивність напилення без збільшення потужності джерела живлення. При високому тиску відбувається зворотня дифузія атомів на поверхню розпилення, і продуктивність зменшується. Наприклад, при Рк = 13, 3 Па тільки 10% атомів виходить за межі темного катодного простору.
Суттєво впливає тиск робочого газу на стабільність розряду, а також на формування покриття. З підвищенням тиску збільшується стабільність розряду. Але підвищення тиску не сприяє повному переносу часток на поверхню напилення. Відбувається втрата енергії часток та їх розсіювання в об'ємі камери. Залежно від способу іонного розпилення процес відбувається при тиску Рк = 10... 10-2 Па.
|
|
|
Дуже впливає на процес розпилення вид робочого газу. Максимальне розпилення викликають іони елементів, у яких заповнені d-оболонки (Сu, Ті, Аg та ін. ) або р-оболонки (Аr, Кr та ін. ) В основному, в якості робочого газу використовують аргон як найбільш доступний та економічний. Використовуються інші інертні гази. Чим важче газ, тим ефективніше процес розпилення.
Дистанцію напилення вибирають мінімальною. Вона знаходиться в межах 40... 150 мм. Завдяки цьому коефіцієнт використання маси наближається до 100%. У міру зменшення відстані іонний струм падає, і швидкість розпилення знижується.
Коефіцієнт розпилення матеріалу мало залежить від його температури. Але при іонному бомбардуванні на катоді виділяється біля 75% потужності розряду. Для того, щоб уникнути небажаного підплавлення поверхні, розпилюваний матеріал інтенсивно охолоджують. Це дозволяє значно підвищити щільність струму, і відповідно, швидкість розпилення.
На показники ефективності процесу суттєво впливають конструктивні фактори устаткування. Прикладом цього може бути введення гарячого катода та магнітної системи в двоелектродну схему, що значно інтенсифікує процес розпилення, знижує нагрівання анода та зменшує небезпеку перегрівання виробу, що напилюється.
При використанні оптимальних параметрів режиму напилення можна утворити потоки часток з такими показниками.
Щільність потоку напилюваних часток знаходиться у широких межах. Найбільша щільність 1020... 1022 част/(см2 
с) досягається при магнетронній схемі і близька до щільності при електронно-променевому випаровуванні та дуговому напиленні випаровуванням і сублімацією матеріалу катода. Для діодної схеми розпилення щільність потоку менша - 1014... 1016част/(см2·с).
Від способу напилення також залежить ступінь іонізації. Діодна та тріодна схеми забезпечують ступінь іонізації, яка наближається до 1%. Магнетронна схема дозволяє збільшити ступінь іонізації розпилених атомів до 20% і більше.
Енергія розпилених атомів на багато разів вища енергії атомів, які випаровуються.
Середня енергія розпилених атомів залежить від енергії бомбардуючих іонів Е, властивостей розпилюваного матеріалу, кута вильоту і може досягати значення 200 еВ i більше.
Основною перевагою методу нанесення покриття іонним катодним розпиленням є можливість отримання високоякісного покриття з металів, сплавів (у тому числі багатокомпонентного складу), хімічних сполук (при введенні у газорозрядну плазму реакційних газів); висока адгезія покриття до основи; збереження стехіометричного складу та рівномірності плівки по товщині на великій площі основи і висока чистота поверхні покриття, яка у більшості випадків не вимагає додаткової механічної обробки.
До недоліків методу відноситься:
- низький ККД процесу (приблизно 1%), тому що більша частина енергії витрачається на нагрівання матеріалу, що розпилюється;
- недостатня ступінь іонізації потоку розпилених часток, особливо при діодній та тріодній схемах розпилення.
Великі можливості є в удосконаленні магнетронної схеми розпилення. Перспективними є способи розпилення пучком прискорених іонів, які отримують в окремих камерах; іонно-кластерний метод, де конденсується іонізований потік багатоатомних часток (кластерів) та інші.
Покриття, отримані іонним (катодним) розпиленням, використовуються для нанесення тонкого захисного покриття на прецизіонних деталях машин та приладів, таких як опори з газовим змащенням, на підшипниках ковзання та качення для приладів, підвищення стійкості ріжучого інструменту.
|
|
|
