Ионное распыление поверхности металлов

Термин «ионное осаждение» применим ко всем процессам осаждения, в которых поверхность подложки бомбардируется ионами, обладающими энергией, достаточной для создания изменений в структуре и свойствах переходной зоны и самой пленки. Бомбардировка ускоренными ионами подложки и поверхности растущей пленки сопровождается развитием целого ряда физических явлений (распылением, образование точечных и линейных несовершенств кристаллической решетки, ускорением диффузии, локальным нагревом), которые вызывают изменения в структуре и свойствах пленок по сравнению с пленками, формирующимися без ионной бомбардировки.

Для регулирования структуры и свойств покрытий наибольший интерес представляют следующие особенности ионного осаждения:

– распыление поверхности подложки перед осаждением покрытия. Бомбардировка ионами удаляет поверхностных слой, осуществляет эффективную очистку поверхности и поддерживает ее «чистой» до момента осаждения покрытий;

– ускорение диффузионных процессов в приповерхностных слоях подложки под действием ионной бомбардировки. Чистая поверхность и диффузионная подвижность атомов способствует развитию массопереноса в приграничных зонах поверхности подложки;

– образование переходной зоны толщиной 5-15 мкм за счет высокой энергии конденсирующихся атомов и интенсификации процессов диффузии и химических реакций на начальных стадиях формирования покрытий;

– измельчение зеренной структуры покрытия. Ионная бомбардировка активирует подложку, способствуя зародышеобразованию на первом этапе формирования покрытия. Обработка ионами поверхности растущего покрытия уменьшает ее шероховатость, нарушая направленность столбчатых кристаллов. Эти явления проявляются в образовании равновесной мелкозернистой структуры, повышении плотности и улучшении свойств покрытия.

Ионным распылением (катодным распылением) материалов называется процесс, при котором мишень из распыляемого материала бомбардируется ионами, в результате чего с ее поверхности выбиваются атомы.

Ионное распыление в вакуумно-плазменной технологии может применяться как для получения покрытий, так и для ионной обработки поверхности с целью ее очистки, создания микрорельефа, уменьшения шероховатости поверхности.

Источником ионов может служить как плазма тлеющего разряда /как правило, в среде инертного газа, например, Аr, так и специальные источники ионов/.

Эффективность распыления зависит от плотности ионного потока, энергии ионов материала подложки, состояния поверхности подложки.

Основной количественной характеристикой процесса ионного /катодного/ распыления является коэффициент распыления, S – количество выбитых атомов из поверхности мишени одной частицей. Для объяснения процесса распыления существуют несколько моделей, основанных на двух механизмах:

1) атомы распыляются в результате сильного локального разогрева поверхности мишени самим падающим атомом /модель «горячего пятна»/ либо быстрой вторичной частицей /модель «теплового клина»/;

2) передача импульса падающего иона атомам материала мишени, которые могут передать импульс другим атомам решетки, вызвав тем самым каскад столкновений /модель Зигмунда/.

Модели ионного распыления подробно рассмотрены в монографиях, а также в работе Зигмунда.

Расчеты по соотношениям Зигмунда достаточно точно совпадают с экспериментальными результатами, поэтому остановимся на теоретической модели Зигмунда.

В случае, когда поверхностный атом получит энергию, достаточную для разрыва связи, а импульс направлен перпендикулярно поверхности, атом перейдет в паровую фазу.

Рис. 6.12. Схема механизма распыления мишени:

1 – падающая частица; 2 – распыленная частица

Исходя из предположения, что основной вклад в процесс распыления вносит первое столкновение иона с атомом мишени (рис. 6.12), Зигмундом было получено выражение для коэффициента распыления при энергии бомбардировки ионов не более 1 кэВ

, (6.53)

где (6.54)

u ₀ – энергия поверхности связи распыляемого атома, эВ;

α – зависит от соотношения масс падающего иона и атома мишени, практически α» 0,2.

Соотношение (6.52) для коэффициента распыления справедливо при условии, когда ион сталкивается с мишенью перпендикулярно ее поверхности. Практически это условие выполняется в случае, если мишень находится под отрицательным потенциалом относительно плазмы.

Масса вещества, распыляемая в единицу времени с единицы площади, может быть рассчитана по соотношению

, (6.55)

где j_i – плотность ионного тока на распыляемую поверхность;

A – атомная масса распыляемого материала;

N _A – число Авогадро;

e – заряд электрона.

Рассмотренная теория позволяет объяснить такие факты, как существование пороговой энергии иона, ниже которой распыление не происходит. Энергия распыленных атомов значительно превышает энергию испаренных частиц. Что объясняет уменьшение коэффициента при больших энергиях ионов, и незначительное влияние на коэффициент распыления температуры мишени.

Существуют экспериментальные значения энергии бомбардирующих ионов, в диапазоне которых будет идти распыление. При значениях энергии меньше пороговых распыления не наблюдается. При энергии выше определенного значения /энергии имплантации ионов/ распыление также отсутствует из-за глубокого внедрения бомбардирующего иона в мишень. Вся энергия иона в этом случае расходуется на радиационные повреждения решетки. Коэффициент распыления S зависит от пары металл-газ, энергии ионов, угла падения ионов (рис. 6.13, 6.14).

Рис. 6.13. Зависимость коэффициента распыления S от энергии Е

ионов азота для различных мишений из различных металлов

Рис. 6.14. Зависимость коэффициентов распыления металлов
от угла падения ионов

Теоретическая модель ионной очистки. Одним из основных технологических параметров, определяющих свойства покрытий,, является адгезия. Анализ экспериментальных данных по исследованию адгезии покрытий позволяет сделать следующие выводы. Величина адгезии зависит от материалов покрытия и основы, причем высокая адгезия наблюдается у одноименных материалов и материалов, активных по отношению к кислороду. Решающим фактором для получения покрытий с воспроизводимыми свойствами и высокой адгезией является чистота /вплоть до атомарно чистой/ поверхности основы. Практически любые процессы, ведущие к активации поверхности перед напылением и в процессе напыления, улучшают адгезию покрытия.

Достижение высокой адгезии связано с сильной хемосорбцией, возникающей при формировании промежуточного слоя, допускающего либо непрерывный переход из решетки покрытия в решетку основы, либо допускающего образование непрерывно распределенной фазы вещества на их общей границе.

Исследования показывают[25], что наиболее эффективным методом является очистка в тлеющем разряде.

Необходимо отметить, что в вакуумно-плазменной технологии очистка поверхности проводится в несколько этапов. Наиболее широко применяется следующая последовательность: предварительная очистка в тлеющем разряде и затем ионная очистив ионами того материала, который используется для нанесения покрытия.

Операция ионного травления заключается в бомбардировке деталей ионами с энергией до 1-2 кэВ, создании атомарно чистой поверхности основы, легирования ее атомами тоге материала, который будет использован для нанесения покрытия, создание поверхностного слоя с большим количеством центров сорбции, предварительным нагревом поверхности перед напылением. Однако двухступенчатая очистка имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что при очистке тлевшим разрядом /при давлениях P £ 10^–1Па/ мощности разряда не хватает для эффективного нагрева поверхности. И в процессе очистки ионами конденсирующегося вещества может происходить частичная конденсация покрытия, причем из-за наличия капельной фазы в потоке – довольно значительная.Конденсация происходит на подложке с низкой температурой, что приводит к ухудшению адгезии покрытий. Поэтому необходимо проводить процесс очистки и нагрева подложки в три этапа:

1) очистка тлеющим разрядом при давлениях P £ 10^–1Па;

2) нагрев тлеющим разрядом при давлениях P > 10^–1Па;

3) ионная очистка и нагрев ионами вакуумной дуги.

Остановимся на теоретической модели процесса ионного травления, рассмотренного в работе.

На поверхности любого материала существуют насыщенные газом поверхностные слои толщиной h = 0,03÷0,5 мкм. Для удаления этого слоя необходимо время

, (6.56)

Ионное травление происходит при одновременном протекании процессов распыления атомов поверхности, адсорбции атомов, диффузии j _диф атомов из объема материала детали к поверхности.

Обозначим:

j _ад – плотность адсорбированных атомов;

j _рас – плотность распыленных атомов.

Тогда режим эффективной очистки будет достигаться при условии

(6.57)

Составим уравнение баланса частиц с течением времени

, (6.58)

где n, n _с – текущее и максимальные количества атомов, адсорбированных на поверхности;

α_с – вероятность образования таких соединений.

Так как j _ад и j_i – постоянные величины для данного режима, а j _диф – убывающая функция, – монотонно убывающая функция. Решая (6.8), получим

(6.59) , (6.60)

Таким образом, через время

. (6.61)

Степень загрязнения достигает минимального значения /динамическое равновесие/, равного

, (6.62)

Поверхность конденсации будет динамически чистой, если поток распыленных атомов превышает поток остаточных газов, адсорбируемых на поверхности, т.е.

, (6.63)

, (6.64)

откуда получим

(6.65)

Коэффициент распыления можно представить в виде

, (6.66)

, (6.67)

Так, при очистке ионами Ti с плотностью тока

, U_i = 1 кэВ

прирост £ 1,33·10^–2 Па время очистки (h = 0,5 мкм) составит t» 3 минуты.

Рассмотренная модель позволяет оценить необходимое время ионной очистки, в то же время не дает ответа на вопрос, как изменяется стехиометрический состав поверхностного слоя.

Как правило, мы имеем дело с многокомпонентными сплавами. При рассмотрении вопроса о распылении многокомпонентных сплавов необходимо учитывать изменение стехиометрии поверхности многокомпонентной мишени из-за различия в коэффициентах распыления входящих в нее элементов.

При отработке технологии ионной очистки необходимо учитывать следующее:

– процесс распыления начинается с преимущественного распыления одного из компонентов, что приводит к изменению состава поверхности по сравнению с составом основного материала;

– при достижении равновесных условий состав поверхности и толщина слоя нарушенного состава не изменяются.

Дата добавления: 2017-02-01