Опишите особенности нанесения покрытий из металлических и керамических мишеней методами магнетронного напыления и катодно-дугового испарения

Материалы для нанесения покрытий: Магнетронное распыление

Существует группа методов, в которых поток частиц осаждаемого материала образуется при бомбардировке материала заряженными частицами без перевода его в состояние расплава. Бомбардируемый материал называется мишенью. Один из наиболее распространённых – магнетронное распыление.

Принцип действия магнетронных распылительных систем (МРС) основан на зажигании в вакууме аномального тлеющего разряда при давлении рабочего газа 0,05÷10 Па. Обычно в качестве рабочего газа используется аргон (инертные газы).

На распыляемый материал подаётся отрицательный потенциал, он выполняет роль катода. U=0,1÷5 кВ.

Ионы плазмы при отталкивании электронов мишенью проникают в неё на определённую глубину, передают свою энергию частицам материала мишени. В случае кристаллического материала происходит смещение атомов из положения равновесия. Происходит распыление мишени за счёт выбивания атомов, молекул, кластеров.

Выход атомов и молекул происходит с глубины до 10 нм (≈10 атомных слоёв). Доля положительных или отрицательных заряженных ионов не превышает 1%.

Для начала процесса энергия ионов должна превышать некоторое пороговое значение, которое зависит от энергии связи между атомами в материале от типа бомбардирующих ионов.

Для большинства материалов пороговое значение находится в интервале 1÷100 эВ. Интенсивность распыления увеличивается при увеличении энергии ионов.

Коэффициент распыления характеризуется числом атомов, выбитых с поверхности мишени одним ионом:

Δm - изменение массы материала (потеря);

j- ионный ток;

τ - время;

K - коэффициент, зависящий от выбора единицы измерения;

A- массовое число атомов;

S_i- 0,5÷20

Скорость распыления, [мкг/мкА]

Скорость распыления зависит от энергии бомбардировки ионов.

При достижении пороговой энергии (E_п=100кэВ) происходит скачок S_i → рост → затухание. Процесс затухания связан с тем, что большую часть своей энергии ионы рассеивают внутри материала.

Чем легче бомбардирующие ионы, тем меньшую энергию им требуется сообщить при проникновении в мишень.

Наибольший S_i имеют материалы, заполненные d-оболочками, такие как Ag, Au, Cu. Наибольший S_i достигается ионами при использовании заполненных p-оболочек (инертные газы).

S_i сильно зависит от ориентиров монокристаллов и текстурированности материала. Коэффициент S_i увеличивается при уменьшении угла падения ионов.

Температура мишени не оказывает влияния на распыление, т.к. чтобы активировать ионы им не нужен дополнительный нагрев.

При увеличении давления S_i уменьшается, т.к. меньшая доля ионов попадает на мишень, т.к. увеличивается число столкновений и рассеивающихся ионов на атомы газа. Также происходит обратная диффузия выбитых атомов с поверхности мишени с повышением давления.

Пример: если испарять Cu при Т=1500К, то Е_атом=0,3эВ. В то же время если производить распыление Cu ионами криптона с Е=1кэВ, то энергия атомов будет составлять 9эВ. Обычная энергия частиц: 1-10эВ (выше, чем в случае термического испарения).

Процесс имеет достоинства:

· Возможность нанесения многокомпонентных веществ без изменения хим.состава, причём необязательно, чтобы компоненты имели одинаковые коэффициенты распыления (S_i). При этом не нарушается соотношение элементов покрытия. При большой разнице в S_i в первые минуты распыления ударяются атомы с большим коэффициентом распыления и на поверхности образуется изменённый слой обеднёнными этими элементами. Вследствие обеднения скорость распыления вещества замедляется, процесс стабилизируется, состав и толщина сохраняются. Он выполняет роль автоматического регулятора скорости распыления различных компонентов сплавов и соединений.

· Отсутствие капельной фазы в потоке напыляемого материала. Ухудшаются свойства покрытия при неконтролируемом выбросе потока капель частиц (фазы).

1. – мишень (К)

2. – магнитная система

3. – источник питания

4. – анод

5. – траектория движения электрона

6. – зона распыления

7 – силовая линия МП.

МРС получили своё название от сверхвысокочастотных приборов n-типа, магнетронных устройств. Хотя кроме скрещенных электрического и магнитного полей ничего общего с ним не имеют.

Высокая скорость распределения, характерная для МРС достигается увеличением плотности ионного тока за счёт локализации плазмы и распыляемой поверхности с помощью сильного поперечного магнитного поля.

Силовые линии магнитного поля замыкаются между полюсами магнитной системы. Поверхность мишени, расположенной между местами входа и выхода силовых линий магнитного поля интенсивно распределяются и имеют вид замкнутой дорожки.

Геометрия этой зоны распыления определяется формой полюсов магнитной системы. Имитированные с катода под магнитным полем, им сообщается сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям у поверхности мишени. Внутри зоны м/у мишенью и магнитными линиями происходит несколько ионизирующих столкновений ē с атомами газов (движение → ионизация атмосферы рабочего газа). Таким образом, большая часть энергии электрона, прежде чем он попадает на анод, используется на ионизацию возбуждения, что значительно увеличивает ионизацию газа.

Степень ионизации в МРС приближается к 100%. Эффективность ионизации увеличивается, что приводит к возрастанию концентрации ионов у поверхности мишени → это увеличивает интенсивность ионной бомбардировки мишени → повышается скорость распыления → повышается скорость осаждения

Спецификой МРС является отсутствие бомбардировки подложки высокоэнергетическими вторичными электронами. Вторичные электроны захватываются магнитной ловушкой.

бомбардировкой КИБ

Метод заключается в зажигании в вакууме сильноточного дугового разряда, в котором распыляемый мат-л служит одним из электродов.

1)если мишень является катодом, то реализуется так называемое осаждение с холодным катодом, дуга горит в парах катода;мишень(К) охлаждается,реализуется схема с холодным катодом (КИБ); это наиболее распространенный вариант.

2)дуга горит в системе А-К-мишень, но мишень не охлаждается, происходит разогрев катода до высоких темпер-р, дуга горит в парах катода, в рез-те возникает дуговой разряд с термоэлектронной эмиссией.

3)если мишень является анодом, то метод называется осаждение с горячим катодом.

При горении дуг. разряда происходит перемещение катодного пятна по пов-ти мишени. В области катодного пятна происходит процесс испарения и распыления мат-ла. Испарение - за счет локального нагрева в катодном пятне, а распыление – за счёт бомбардировки.

Основная часть продуктов эрозии состоит из паровой фазы. Также в потоке присутствуют твердые (осколочной фазы) и/или жидкие частицы с размером 0,1-100мкм (капельной фазы).

При прохождении атомарного потока мат-ла через плазму дуги происходит его ионизация. Перенос осуществляется с высокой скоростью. Все составляющие потока конденсируются на подложке(атомы, иониз.атомы, частицы ж. и тв. фазы).

Характеристики6 Р=10^-5-10¹ Па, высокие энергии частиц 0,1-10эВ, =>самая max энергия частиц=>метод эффективный! Высокий коэф-т ионизации (доля ионов в потоке)=20-90%, скорость роста покрытий до 1-3 мкм/мин.

Причины возникновения капельной фазы:

-поглощение газов расплавом металла,

-неравномерность структуры.

Характеристики разряда: U_р=20-50В, U_х.х.(источника питания)=60-80В, I=200-300А.

Для зажигания (инициирования) разряда исп-ся специальные устройства, например:

-вспомогательный электрод, который замыкается на катод и инициируется разряд;

-плавкие вставки(тонкая проволока между А и К,подается напряжение,проволока сгорает, инициируется дуга); -дополнительный источник плазмы(независимый).

Торцевой плазменный Холловский ускоритель.

 

 

Мишени

При вакуумных методах напыления покрытий путем распыления исходные материалы используют в виде мишеней. Мишень представляет собой компактное изделие, форма и размер которого зависят от размера рабочей камеры и схемы рабочего процесса. По своей структуре мишени разделяются на сплошные, многослойные и составные. Сплошные мишени используют в основном для нанесения чисто металлических покрытий, многослойные — при распылении диэлектриков, составные — для получения многокомпонентных покрытий. Типичными материалами для изготовления мишеней являются алюминий, хром, медь, тантал, титан, нихром, нитрид кремния, диоксид кремния, алюминий—кремний, титан—вольфрам и др. Способ нанесения керамического покрытия включает размещение изделия в камере распыления, вакуумирование камеры, подачу в камеру смеси кислорода и инертного газа и формирование керамического покрытия на изделии в две стадии. При этом на первой стадии осуществляют нагрев изделия до температуры 500-1000°С, совмещая его с обработкой поверхности изделия пучком ускоренных ионов инертного газа. На второй стадии осуществляют обработку поверхности изделия пучком ускоренных ионов инертного газа, совмещенную с магнетронным распылением мишени. После формирования керамического покрытия проводят термообработку изделия.

Однако надо отметить, что керамические материалы могут быть непроводящими и мишени из чистого металла будут пылиться лучше в случае обоих методов. Также для керамических мишеней необходимо охлаждение так как существует вероятность растрескивания.