Ионноплазменный метод повышения износостойкости инструмента и деталей машин

ify">     Рис. 1. - Схема устройства катодного распыления диодного типа:

     1 – высоковольтный ввод; 2 – экран  катода; 3 – катод; 4 – подложка;

     5 – анод; 6 – натекатель для  рабочего газа; 7 – патрубок к  откачной

     системе; 8 – протяженность катодной области  разряда. 

     Для тлеющего разряда характерно наличие  двух резко различающихся областей: небольшой по протяженности катодной области, в которой сосредоточено падение потенциала значительной величины, называемое катодным падением потенциала, и области столба разряда, представляющего собой плазму с хорошей электропроводностью, а потому сравнительно малым перепадом потенциала на нем. Катодная область состоит из следующих участков: 1 – первого катодного темного пространства; 2 – первого катодного свечения; 3 – второго темного катодного пространства; 4 – катодного тлеющего свечения; 5 – фарадеева темного пространства. Для поддержания тлеющего разряда необходимы лишь его катодные участки (1 – 4), обеспечивающие ионизацию газа. Столб разряда и фарадеево темное пространство играют пассивную роль проводника с хорошей электропроводностью, соединяющего катодную область с анодом. Весьма характерным для тлеющего разряда является то, что при уменьшении расстояния между анодом и катодом уменьшается лишь протяженность столба разряда, пока он не исчезает совсем. Катодные участки разряда при этом не изменяются.

     В качестве рабочего газа обычно используют аргон. В процессе ионного распыления в диодной системе катод выполняет  две функции: является источником электронов для поддержания тлеющего разряда  и источником распыляемого материала. Рабочее напряжение в такой системе 1 – 3 кВ и давление до ~ 10 Па. Высокое  напряжение и относительно высокое  давление являются причиной основных недостатков диодной системы. Высокое  напряжение определяет интенсивный  нагрев подложки и пленки в результате бомбардировки высокоэнергетическими  вторичными электронами и образование  радиационных дефектов в формируемых  структурах, а относительно высокое  давление в системе повышает вероятность  загрязнения пленки. В диодных  системах достигаются относительно малые скорости распыления мишеней (0,02 – 0,03 мкм/мин). 

     

2. Триодные  устройства ионно-плазменного  нанесения

 

     В триодных устройствах ионно-плазменного  нанесения распыляемая мишень, на которую подается отрицательный (относительно плазмы) потенциал, является третьим  электродом, а не катодом, т.е. триодная система содержит три независимо управляемых электрода: катод, анод и распыляемую мишень (рис. 2). Подложка располагается напротив мишени. 

     

     Рис. 2. - Схема триодного устройства ионно-плазменного  нанесения:

     1 – мишень из распыляемого материала; 2 – анод; 3 –подложка;

     4 – магниты; 5 – термокатод. 

     Ионы  инертного газа, участвующие в  разряде между анодом и катодом, вытягиваются из плазмы, увлекаются сильным  ускоряющим электрическим полем  к мишени и бомбардируют ее. Это  позволяет широко варьировать режим  бомбардировки мишени изменением ускоряющего  напряжения. На мишень можно подавать как постоянное отрицательное напряжение для распыления проводящих материалов, так и ВЧ-напряжение для распыления диэлектриков. Для увеличения разрядного тока и, следовательно, плотности тока ионов используется термокатод (в  установках реактивного ионно-плазменного  нанесения термокатод не используется). Удержание плазмы в ограниченном пространстве вакуумной камеры осуществляется с помощью магнитного поля. Давление в триодных системах внутри камеры составляет 5·10^-2 – 10^-1 Па. Скорость распыления мишени можно регулировать в широких пределах в диапазоне 0,02 – 0,3 мкм/мин. 

 

     

3. Устройства высокочастотного распыления

 

     Диодная высокочастотная распылительная система  содержит два электрода: заземленный  анод и мишень (катод), на которую  подают напряжение от ВЧ-генератора. ВЧ-распыление значительно расширяет возможности  тонкопленочной технологии, позволяя получать высококачественные пленки не только металлов, сплавов и полупроводников, но и пленки диэлектриков путем распыления мишеней из диэлектрических материалов. 

     

     Рис. 3. - Форма суммарного напряжения и  его составляющих на

     поверхности мишени:

     1 – высокочастотная составляющая; 2 – напряжение, возникающее за

     счет  ионного тока на мишень; 3 – отрицательное  смещение,

     возникающее за счет электронного тока на мишень; 4 – суммарное

     напряжение  на поверхности мишени 

     ВЧ-распыление диэлектрической мишени происходит благодаря возникновению на ней  отрицательного (относительно плазмы) смещения. Механизм возникновения отрицательного смещения связан с тем, что при  подаче ВЧ-напряжения на помещенную в  плазму мишень на ее поверхность начинают попеременно поступать электронный  и ионный токи. В первый момент после  подачи ВЧ-напряжения его постоянная составляющая на поверхности диэлектрической  мишени равна нулю. В этом случае электронный ток в положительный полупериод ВЧ-напряжения значительно превосходит ионный ток в отрицательный полупериод, что объясняется значительно большей подвижностью электронов по сравнению с ионами. Таким образом на поверхности мишени накапливается отрицательный заряд и, следовательно, растет отрицательное напряжение смещения до тех пор, пока средние значения электронного и ионного токов не сравняются.

     Отрицательное смещение определяет энергию ионов  и, следовательно, эффективность распыления мишени. Поэтому необходимо, чтобы  положительный заряд на поверхности  мишени, приобретенный за счет ионного  тока, не был бы большим, поскольку  это вызывает уменьшение отрицательного смещения. Действие положительного заряда компенсирует электронный ток на мишень, восстанавливая напряжение отрицательного смещения. Очевидно, что чем длительнее период ВЧ-колебаний, тем больший  положительный заряд приобретает  мишень и тем сильнее уменьшается  отрицательное смещение. Для устранения этого явления период ВЧ-колебаний  должен быть достаточно малым. 

     

4. Магнетронные  распылительные системы

 

     Магнетронные  распылительные системы (МРС) получили свое название от СВЧ приборов –  магнетронов, хотя, кроме наличия  скрещенных электрического и магнитного полей, ничего общего с ними не имеют.

     МРС относятся к системам распыления диодного типа. Основными элементами устройства являются катод-мишень, анод и магнитная система (рис. 4). Силовые  линии магнитного поля замыкаются между  полюсами магнитной системы. 

 

     

     Рис. 4. - Схема магнетронной распылительной системы с плоской

     мишенью:

     1 – катод-мишень; 2 – магнитная  система; 3 – источник питания;

     4 – анод; 5 – траектория движения  электрона; 6 – зона распыления;

     7 – силовая линия магнитного  поля 

     При подаче постоянного напряжения между  мишенью (отрицательный потенциал) и анодом (положительный или нулевой  потенциал) возникает неоднородное электрическое поле и в рабочем  газе возбуждается аномальный тлеющий  разряд. Наличие замкнутого магнитного поля у распыляемой поверхности  мишени позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени. Поверхность мишени, расположенная  между местами входа и выхода силовых линий магнитного поля, интенсивно распыляется и имеет вид замкнутой  дорожки, геометрия которой определяется формой полюсов магнитной системы. Электроны, эмитированные с катода под действием ионной бомбардировки, захватываются магнитным полем  и совершают сложное циклоидальное  движение по замкнутым траекториям  вблизи поверхности мишени. Электроны  оказываются как бы в ловушке, создаваемой с одной стороны  магнитным полем, возвращающим электроны  на катод, а с другой стороны –  поверхностью мишени, отталкивающей  электроны. В этой ловушке электроны  циклируют до тех пор, пока не произойдет несколько ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа, в результате которых электрон потеряет полученную от электрического поля энергию. Таким  образом, большая часть энергии  электрона, прежде чем он попадет  на анод, используется на ионизацию и возбуждение атомов рабочего газа, что значительно увеличивает эффективность процесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации положительных ионов у поверхности мишени. Это в свою очередь обусловливает увеличение интенсивности ионной бомбардировки мишени и значительный рост скорости распыления, а следовательно, и скорости осаждения пленки.

     Следует отметить, что плазма разряда существует только в области магнитной ловушки  в непосредственной близости от мишени и ее форма определяется геометрией и величиной магнитного поля.

     Основные  рабочие характеристики МРС –  напряжение на электродах, ток разряда, плотность тока на мишени и удельная мощность, величина индукции магнитного поля и рабочее давление.

     Высокая степень ионизации и высокая  плотность ионного тока в МРС  позволяют работать при более  низком напряжении (0,3 – 0,8 кВ) и более  низком давлении (10^-2 – 1 Па) по сравнению с диодными распылительными системами на постоянном токе. Важнейшим параметром, во многом определяющим характер разряда в МРС, являются геометрия и величина магнитного поля, индукция которого у поверхности мишени 0,03 – 0,1 Т.

     Высокая плотность ионного тока (на 2 порядка  выше, чем в обычных диодных  распылительных системах) и большая  удельная мощность, рассеиваемая на мишени, резко увеличивает скорость распыления в МРС. Необходимая скорость осаждения  пленки в МРС с достаточной  точностью может поддерживаться за счет постоянства таких параметров процесса, как ток разряда или  подводимая мощность. Как показывает практика, для обеспечения воспроизводимости  и стабильности процесса нанесения  пленки ток разряда необходимо поддерживать с точностью ± 2%, а при стабилизации процесса по мощности разряда точность ее поддержания составляет ± 20 Вт в  диапазоне регулирования от 0 до 10 кВт. При этом рабочее давление должно быть постоянным (отклонение не должно превышать ± 5%). Увеличение скорости распыления с одновременным снижением  давления рабочего газа позволяет существенно снизить степень загрязнения пленок газовыми включениями.

     В МРС обеспечивается сравнительно низкая температура подложки, поскольку  высокоэнергетические вторичные электроны  с мишени, которые являются основным источником нагрева подложки, захватываются  магнитной ловушкой и не бомбардируют подложку. Источниками нагрева подложки в этих системах служат энергия конденсации  распыленных атомов, кинетическая энергия  осаждаемых атомов, энергия отраженных от мишени нейтрализованных ионов, а  также излучение плазмы.

     Основными достоинством МРС является универсальность. В МРС можно осуществлять распыление на постоянном токе, ВЧ-распыление, а  также процессы реактивного ионно-плазменного  нанесения пленок.

     Преимущества  МРС перед распылительными системами  без магнитного поля:

     - высокая скорость осаждения пленок (до нескольких мкм/мин) и возможность  ее регулирования в широких  пределах;

     - высокая чистота пленок;

     - более низкое радиационное и  тепловое воздействие на подложку  и осаждаемую пленку;

     - возможность выбором геометрии  мишени обеспечить условия нанесения  равномерных по толщине пленок  на неподвижные подложки. 

     

5. Ионно-лучевое  распыление

 

     В данном методе для распыления используется пучок частиц высокой энергии. Для  создания таких потоков частиц с  контролируемой энергией разработаны  системы ионных пушек.

     Технология  ионно-лучевого распыления заключается  в бомбардировке мишени заданного  состава пучком ионов с энергией до 5000 эВ с последующим осаждением распыленного материала на подложку. При этом стехиометрия формируемого покрытия идентична мишени. Эта современная технология предназначена для нанесения прецизионных нанослойных покрытий с высокой плотностью и низкой шероховатостью.

     В устройствах ионно-лучевого распыления разделены функции узлов ионизатора рабочего газа и источника распыленного материала. Мишень и подложка в таких  устройствах находятся вне плазмы.

     Область газового разряда отделена от узла мишени по вакуумным условиям. Напуск рабочего газа производится в камеру ионного источника, а его откачка  осуществляется через анодную диафрагму  малого сечения, так что перепад  давлений между областями составляет около полутора порядков. С границы  проникающей из анода плазмы ускоряющим электродом вытягивается пучок ионов, направляемый на мишень. Распыленные  частицы материала мишени вследствие низкого давления в пространстве мишень-подложка достигают подложки без соударений с атомами газа и сохраняют свою энергию до конденсации  на подложке.

     Однако  для осаждения тонких пленок диэлектрических  и композиционных материалов известные  источники ионно-лучевого распыления не обеспечивают высокую производительность, не позволяют обрабатывать подложки большого диаметра, а также имеют  низкую надежность и сложную конструкцию. Поэтому для осаждения таких  пленок в основном используются методы ВЧ- или реактивного магнетронного  распыления.