Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Получение металлических пленок и покрытий методами CVD и PVD




В настоящее время существует два основных метода получения пленок и покрытий путем осаждения из газовой фазы: физический (PVD) и химический (CVD). Данные методы основаны на различных явлениях.

При физическом осаждении (PVD) материал покрытия или пленки переходит из твердой фазы в газовую. Данный процесс можно разделить на две большие группы: испарение и распыление. В первом случае переход материала в газовую фазу происходит под воздействием тепловой энергии, выделяющейся за счет резистивного сопротивления (Рисунок 1), индукционного нагрева, электронно-лучевых пучков (Рисунок 2), электрической дуги или лазерного луча.

 

 

Рисунок 1 – Схема установки для термического испарения

 

 

 

Рисунок 2 – Схема установки для испарения электронным пучком

Во втором случае - в результате распыления за счет кинетической энергии столкновения частиц материала - магнетронное распыление (Рисунок 3).

 

Рисунок 3 – Схема установки для магнетронного распыления

Энергия, распределение и плотность потока частиц определяются методом нанесения, параметрами процесса и формой источника частиц. Нанесение покрытий методом PVD проводится при температуре до 450°С, что практически не накладывает ограничения по используемым материалам, на которые наносится покрытие [6].

PVD-процессы проводят в вакууме или в атмосфере рабочего газа при достаточно низком давлении (около 10-2 мбар). Это необходимо для облегчения переноса частиц от источника (мишени) к изделию (подложке) при минимальном количестве столкновений с атомами или молекулами газа. Это же условие определяет обязательность прямого потока частиц. В результате покрытие наносится только на ту часть изделия, которая ориентирована к источнику частиц. Скорость осаждения зависит в этом случае от относительного расположения источника и материала [6].

Для равномерного нанесения покрытия необходимо систематизированное движение материала или применение нескольких, определенным образом расположенных, источников. В то же время, поскольку покрытие наносится только на поверхности "в прямой видимости источника", метод позволяет селективно наносить покрытие только на определенные части поверхности, оставляя другие без нанесенного слоя [6].

Основными факторами, определяющими качество покрытия, нанесенного методом физического осаждения, являются чистота исходных материалов и реакционного газа, а также необходимый уровень вакуума [6].

Получение пленок и покрытий методом химического осаждения (CVD) основано на двух процессах: перехода из твердой фазы в жидкую молекулярного предшественника (исходного материала) под воздействием тепловой энергии и его разложения при высокой температуре с одновременным химическим взаимодействием с газом-реагентом (Рисунок 4, [7]).

 

 

       
   
 
 

 


Рисунок 4 - Схема устройства с автономным двухзонным испарителем для осаждения слоев на плоские образцы: 1 - реактор из нержавеющей стали, 2 - кварцевая лодочка с исходным соединением I, 3 - кварцевая лодочка с исходным соединением II, 4 - контейнер, 5 - прогреваемый трубопровод, 6 - формирователь газового потока, 7-9 – резистивные нагреватели, 10 – подложка, 11 – подложкодержатель, 12 – нагреватель подложки, 13 – соленоид, 14 – подвижные электрические контакты, 15 – узел вращения подложки, 16 – шлюзовое устройство, 17 – камера для 6 образцов, 18 – трубка для подачи газа-реагента

Метод CVD практически не имеет ограничений по химическому составу покрытий. Все присутствующие частицы могут быть осаждены на поверхность материала. Какие покрытия при этом образуются, зависит от комбинации материалов и параметров процесса. Состав покрытия зависит от парциального давления газа и скорости осаждения покрытия [6].

При использовании CVD-метода химические реакции происходят в непосредственной близости или на поверхности обрабатываемого материала.

В противоположность процессам PVD, при которых твердые материалы покрытия переводятся в газообразную фазу испарением или распылением, при CVD-процессе в камеру для нанесения покрытия подается смесь газов, причем для протекания необходимых химических реакций требуется температура до 1100°С. Это условие существенно ограничивает число материалов, на которые можно нанести CVD-покрытие. Но существует разновидность метода CVD, позволяющая снизить температуру нанесения покрытия от комнатной до 400°С, получившая название P-CVD (от слов "плазма" и CVD). Практически метод представляет собой комбинацию двух основных методов, поскольку нанесение покрытий CVD-методом происходит в среде плазмы (как при PVD) [6].

В отличие от PVD-метода процессы CVD происходят при более высоких давлениях: 100–1000 Па. Покрытие наносится на всю поверхность изделия. Отпадает необходимость вращения изделия как при методе PVD [6].

Установки CVD, как правило, имеют достаточно большие габариты. Для предотвращения опасных выбросов газов в атмосферу используется специальная система фильтров. Благодаря высокой температуре нанесения, обеспечивающей частичную диффузию наносимого материала в основу, покрытия CVD характеризуются лучшей адгезией [6].

PVD- и CVD-методы также различаются по виду внутренних напряжений в слое наносимого покрытия. При методе PVD имеют место сжимающие напряжения, а при методе CVD – растягивающие. Растягивающие напряжения улучшают адгезию покрытия и основы, но при этом способствуют формированию пор и трещин. Необходимо также принимать во внимание то обстоятельство, что методы CVD менее чувствительны к качеству подготовки материала перед нанесением на него покрытия, в то время как при методе PVD материал должен подвергаться продолжительной многоступенчатой очистке, иначе нельзя гарантировать свойства покрытия [6].

Таким образом, основные достоинства CVD-метода:

1. Воспроизводимость рельефа поверхности. В этом случае при наличии на поверхности ступенек или канавок толщина пленки практически одинакова как на вертикальных, так и на горизонтальных участках

2. Универсальность - возможность получения пленок практически любого состава.

3. Гибкость процесса – возможность легкого варьирования параметров процесса осаждения, тем самым, изменяя структуру пленок.

4. Возможность нанесения одно- и двухсторонних пленок на детали сложной формы и большой площади.

5. Возможность достижения высоких скоростей осаждения (до нескольких миллиметров в час) при сохранении высокого качества пленки.

6. Хорошая адгезия

7. Малая чувствительность к качеству обработки поверхности материала, на который требуется нанести пленку или покрытие.

8. Сравнительная простота и дешевизна оборудования из-за отсутствия необходимости наведения вакуума.

Помимо достоинств у метода CVD существуют и недостатки:

1. Необходимость высокотемпературного нагрева подложки для проведения пиролитических реакций. Как следствие, не на всякий материал можно нанести пленку или покрытие, а только на тот, температура плавления которого выше необходимой температуры для реализации процесса осаждения.

2. Высокая вероятность возникновения пор и трещин в получаемой пленке из-за наличия растягивающих напряжений.

3. Необходимость синтеза предшественника – исходного материала, который должен удовлетворять следующим требованиям [7]:

А) Соединение должно переходить в газовую фазу без разложения и быть термически устойчивым в течение времени, необходимого для его транспортировки к подложке. Как следствие, температура разложения паров прекурсора должна быть выше температуры парообразования.

Б) Соединение должно обладать высокой летучестью для создания необходимой концентрации газообразного вещества в реакционной зоне.

В) Необходимость полного разложения соединения с образованием газообразных продуктов реакции кроме материала получаемой пленки.

Г) Для увеличения выбора материала подложки и для предотвращения вторичных реакций разложения органических продуктов необходимо стремиться уменьшать температуру разложения исходного соединения.

Д) Пары соединения и продукты реакции разложения должны быть химически инертны по отношению к материалу подложки и установки.

Е) По возможности соединение должно быть нетоксичным и стабильным при хранении.

Ж) Синтез предшественника должен быть экономически целесообразен, то есть необходимо, чтобы соединение получалось с высоким выходом, а исходные реагенты для синтеза были доступны.

Таким образом, главной проблемой метода CVD является синтез предшественника, удовлетворяющего вышеизложенным требованиям.







Дата добавления: 2015-10-01; просмотров: 2736. Нарушение авторских прав


Рекомендуемые страницы:


Studopedia.info - Студопедия - 2014-2019 год . (0.003 сек.) русская версия | украинская версия