Ионноплазменный метод повышения износостойкости инструмента и деталей машин

     СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ

2. ИОННОЕ ОСАЖДЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

3. РЕАКТИВНОЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ НАНЕСЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

4. РАЗНОВИДНОСТИ ПРОЦЕССА ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ ПЛЕНОК

4.1 УСТРОЙСТВА КАТОДНОГО РАСПЫЛЕНИЯ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ

4.2 ТРИОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ

4.3 УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАСПЫЛЕНИЯ

4.4 МАГНЕТРОННЫЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

4.5 ИОННО-ЛУЧЕВОЕ РАСПЫЛЕНИЕ

5. ИОННО-ЛУЧЕВОЕ ОСАЖДЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК

5.1 ОСАЖДЕНИЕ  ТОНКИХ ПЛЕНОК ИЗ ИОННЫХ ПУЧКОВ

5.2 РЕАКТИВНЫЙ  ИОННО-ЛУЧЕВОЙ СИНТЕЗ ТОНКИХ ПЛЕНОК

6. ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

 

      ВВЕДЕНИЕ 

     Получение высококачественных тонких пленок металлов, диэлектриков и полупроводников  является одной из актуальных задач  технологии изготовления различных  элементов микроэлектроники.

     До 70-х годов XX века для получения  тонких пленок использовался в основном термовакуумный метод (испарение и  конденсация вещества в высоком  вакууме), который характеризуется  простотой и высокими скоростями осаждения, но не обеспечивает достаточной  воспроизводимости свойств пленок в особенности при осаждении  веществ сложного состава. Кроме  того, в процессе испарения материалов (особенно с низкой теплопроводностью) может происходить вылет крупных  частиц, что является причиной появления  поверхностных дефектов и нарушения  непрерывности пленочного покрытия.

     Расширение  номенклатуры материалов, используемых при получении элементов микроэлектроники, и тенденция перехода к непрерывным  технологическим процессам вызвали  интенсивное развитие ионно-плазменных процессов осаждения тонкопленочных слоев.

     Существующие  в настоящее время методы осаждения  тонких пленок с использованием низкотемпературной плазмы и ионного луча дают возможность  получать пленки различных материалов (в том числе тугоплавких и  многокомпонентного состава), которые  практически невозможно получить термовакуумным методом. Ионно-плазменные методы осаждения  пленок дают возможность создания установок  и линий непрерывного действия и  позволяют осуществить полную автоматизацию  всего цикла получения покрытия. Развитие ионно-плазменных процессов  получения тонких пленок идет в направлении  повышения качества пленок (снижение загрязнений и радиационных дефектов) и повышения производительности процессов.

     В основе метода положен принцип осаждения  частиц (атомов, ионов, кластеров) на поверхности  изделий в вакууме из плазмы, генерируемой тем или иным способом. При этом объемные свойства обрабатываемых изделий  не нарушаются, а изменяются свойства поверхности, придавая ей требуемые  функциональные характеристики.

     В отличие от других способов получения  покрытий (гальванический, лакокрасочный) данный метод выгодно отличается экологической чистотой и возможностью получения широкого спектра покрытий различных как по составу, так  и структуре.

     Вакуумно  ионно-плазменный метод относится  к области высоких технологий и находит самое широкое применение в современном производстве. 

 

     

1. ХАРАКТЕРИСТИКА  ПРОЦЕССА ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ

 

     В процессах ионно-плазменного нанесения  осаждаемый на подложку материал получают путем распыления твердотельной  мишени энергетическими ионами. Одним  из важнейших отличий ионно-плазменного  нанесения от термовакуумного является высокая энергия распыленных  частиц (3-5 эВ) по сравнению с испаренными (0,15 эВ при Т_исп 2000 К), что позволяет осаждающимся частицам частично внедряться в подложку, обеспечивая высокую адгезию пленки к подложке. Кроме того, ионно-плазменное нанесение обладает еще целым рядом достоинств:

• возможность получения пленок тугоплавких и неплавящихся материалов, поскольку процесс распыления не требует расплавления материала;
• сохранение стехиометрического состава пленок при осаждении многокомпонентных материалов;
• высокая энергия осаждаемых частиц обеспечивает снижение минимальной температуры эпитаксиального роста;
• возможность получения пленок различных соединений (например, окислов или нитридов) при введении в газоразрядную плазму химически активных (реактивных) газов;
• возможность очистки подложки и растущей пленки ионной бомбардировкой до, в процессе и после окончания процесса нанесения.

     В ионно-плазменном процессе распыляемая  мишень и подложка находятся непосредственно  в газоразрядной плазме. Поэтому  формирование пленок в процессе ионно-плазменного  нанесения протекает в сложных  условиях из-за сравнительно высокого рабочего давления (до 10 Па), неопределенности энергии ионов и распыленных частиц.

     При ионно-лучевом нанесении распыляемая  мишень и подложка находятся вне  плазмы. Распыление мишени осуществляется пучком ионов, направляемым на мишень из автономного источника. Поскольку  в этом случае на мишень и подложку не воздействуют другие частицы и  излучение плазмы, то ионно-лучевое  нанесение можно рассматривать  как некую идеализацию ионно-плазменного  нанесения.

     Для того чтобы проанализировать ионно-плазменный процесс нанесения пленок целесообразно  разделить его на три основных этапа:

• распыление материала мишени,
• перенос распыленного материала в пространстве мишень – подложка,
• осаждение материала на подложке.

 

 

     

2. ИОННОЕ  ОСАЖДЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

 

     Ионным  осаждением называется процесс, в котором  осаждение материала сопровождается бомбардировкой ионами инертного газа или ионами осаждаемого материала. Таким образом на поверхности  подложки протекают два противоположно направленных процесса: осаждение пленки материала и бомбардировка ее ионами.

     В результате ионной бомбардировки происходит распыление и активация поверхности  подложки и осаждаемой пленки, что  повышает плотность центров конденсации  частиц осаждаемого материала, т.е. ионная бомбардировка влияет на процесс  зародышеобразования и кинетику роста пленки. Кроме того при ионной бомбардировке происходит разогрев подложки и осаждаемой пленки. Распыление и разогрев способствуют увеличению десорбции загрязняющих пленку атомов и молекул газа.

     Ионно-плазменное нанесение с ионной бомбардировкой подложки обеспечивается подачей на нее отрицательного электрического потенциала (до 200–300 В). Ионная бомбардировка  может производиться до начала, во время и после окончания процесса нанесения.

     Различают два способа ионного осаждения  материала.

     Первый, когда материал и бомбардирующие ионы поступают на подложку одновременно – так называемый постоянный режим  ионного осаждения.

     Второй, когда потоки ионов и материала  или, по крайней мере, один из них  поступают на подложку периодически – чередующийся режим ионного  осаждения.

     Свойства  пленок, получаемых в обоих видах  ионного осаждения практически  не отличаются. В то же время чередующийся режим позволяет получать большие  скорости осаждения на больших по размеру поверхностях подложек, т.е. этот режим обеспечивает большую  производительность.

     Основными параметрами, характеризующими процесс  ионного осаждения, являются энергия  ионов и отношение J_i / J_a, где J_i и J_a – потоки ионов и атомов на поверхности подложки. Энергетика процесса конденсации материала, следовательно, кинетика роста пленки может регулироваться в широких пределах изменением отношения J_i / J_a и энергии ионов. 

 

     

3. РЕАКТИВНОЕ  ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ НАНЕСЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

 

     Реактивное  ионно-плазменное нанесение предусматривает  использование химически активных (реактивных) газов, способных вступать в химическое взаимодействие с материалом распыляемой мишени, для направленного  изменения состава получаемых пленок. Для получения пленки заданного  состава используется эффект повышения  химической активности молекул реактивного  газа в электрическом разряде  и энергетической активации поверхности  осаждаемой пленки. Реактивным ионно-плазменным нанесением получают пленки окислов (реактивный газ кислород), нитридов (газ азот), карбидов (газ метан). Заменой реактивного  газа и регулированием его парциального давления можно изменять состав получаемых пленок.

     На  каком этапе процесса нанесения  происходит образование химического  соединения из атомов распыляемого материала  и реактивного газа в значительной степени определяется интенсивностью распыления мишени, скоростью осаждения, парциальным давлением реактивного  газа, геометрией устройства распыления, а также температурой подложки.

     Для различных материалов в различной  степени существует вероятность  того, что формирование соединения будет происходить на распыляемой  мишени. В этом случае будет распыляться  не чистый материал, а его соединение. Например, при ионно-плазменном нанесении  окислов металлов существует некоторое  критическое давление кислорода, при превышении которого происходит окисление распыляемой мишени. При давлении кислорода выше критического скорость окисления превышает скорость распыления материала мишени. Критическое давление соответствует резкому падению скорости распыления, поскольку коэффициенты распыления окислов, как правило меньше, чем чистых металлов. Это определяется более высокой энергией связи атомов в окислах. Так, у титана энергия связи Тi – Тi равна 4,9 эВ, а энергия связи Тi – О 6,8 эВ. У алюминия энергии связи Al – Al и Al – О равны соответственно 3,2 и 19,2 эВ. Аналогичные зависимости наблюдаются и при использовании азота в качестве реактивного газа, причем реактивность молекулярного азота проявляется лишь в условиях плазмы.

     Образование соединения на мишени в процессе реактивного  распыления не означает, что образовавшееся соединение затем переносится на подложку в сформированном виде. Обычно при распылении происходит фрагментация соединения на атомы. Перенос материала  в виде молекул возможен только для  соединений, молекулы которых имеют  очень прочные связи. Образование  химического соединения на поверхности  мишени не происходит, если скорость распыления высока, так как в этом случае материал мишени распыляется прежде, чем произойдет образование соединения.

     Вероятность формирования химического соединения на этапе переноса распыленного материала  в пространстве мишень – подложка очень мала вследствие низкой плотности  потока распыленного материала и  относительно низкой плотности молекул  реактивного газа.

     Экспериментальные данные позволяют сделать вывод, что в большинстве случаев  протекание химических реакций наиболее вероятно непосредственно на подложке. Например, процесс окисления на подложке будет происходить всегда, даже при  давлениях кислорода ниже критического для данного материала, так как  на подложку поступает распыленный  материал и активированные молекулы реактивного газа, а процесс распыления не происходит или незначителен.

     Стехиометрия  пленок, получаемых при реактивном ионно-плазменном нанесении, зависит  от относительной концентрации реактивного  газа в смеси с инертным и от температуры подложки. Поиск условий  нанесения соединений осуществляется экспериментально при умеренных скоростях осаждения и температурах подложки 300–500 К.

 

4. РАЗНОВИДНОСТИ ПРОЦЕССА ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ ПЛЕНОК

 
     

1. Устройства  катодного распыления на постоянном токе

 

     Устройства  ионного распыления на постоянном токе используются только для распыления мишеней из материалов с достаточно высокой электропроводностью (металлов и сплавов).

     В наиболее простом случае ионное распыление производят в тлеющем разряде  инертного газа с помощью диодной  системы (катодное распыление), где  мишень из распыляемого материала является катодом, а держатель подложки –  заземленным анодом (рис. 1).