Лекція 16. Створення атомарних, молекулярних та іонних потоків розпиленням твердого матеріалу без його переходу в рідкій стан. Реактивне випаровування і розпилення

Випаровування металів і сплавів.

Утворення вакуумних покриттів визначається послідовним проходженням складних фізико-хімічних процесів, а саме:

- випаровуванням чи розпиленням вихідного матеріалу покриття;

- напрямленим масоперенесенням у вигляді потоку атомів чи іонів матеріалу покриття на поверхню основи;

- співударом потоку з поверхнею і подальшою адсорбцією чи десорбцією атомів чи іонів на ній;

- поверхневою дифузією атомів до місць найкращого утворення зародків покриття;

- міграцією і коалесценцією зародків та утворенням острівців; зрощенням острівців у суцільну плівку; ростом суцільної плівки і утворенням покриття необхідної товщини.

Ці процеси залежать від ступеня вакууму в камері напилення, який визначається співвідношенням між відстанню L від випарника до поверхні і середньою довжиною вільного пробігу атомів l. Якщо l < L, то такий вакуум називають низьким, якщо l = L – середнім і якщо l > L – високим.

У низькому вакуумі траєкторія руху кожного атома має вигляд ламаної лінії внаслідок багатократного зіткнення з молекулами довколишнього газу. Потік пари перемішується, що дає змогу наносити в такому паровому середовищі покриття, рівномірні за товщиною.

У високому вакуумі рух атомів здійснюється по прямих лініях, незалежно один від одного і без зіткнень до конденсації і утворення покриття.

Форма і товщина покриття визначаються формою і густиною потоку випаровуваних атомів.

У середньому вакуумі спостерігаються явища, характерні для низького і високого вакуумів.

Згідно з кінетичною теорією газів, середня довжина вільного пробігу молекул прямо пропорційна температурі (Т) й обернено пропорційна тиску (Р) газу:

(1)

де k – стала Больцмана; d – ефективний діаметр молекули (за припущенням, що вони є пружними кульками).

При тиску р = 133×10^-1 Па середня довжина вільного пробігу молекул становить приблизно 500 см, і рух атомів можна вважати прямолінійним. Подальше зниження тиску збільшує довжину вільного пробігу до десятків метрів, і випаровування відбувається у вигляді молекулярних потоків без зіткнення і розсіяння атомів.

Для отримання однорідного покриття сплави з суттєво різним парціальним тиском компонентів випаровують з окремих незалежних джерел (рис. 20).

Випаровування таких сполук, як оксиди, карбіди, бориди, силіциди, нітриди, супроводжується зміною типу вихідних молекул. Для більшості тугоплавких сполук характерна дисоціація вихідних молекул з утворенням газоподібних продуктів.

Створення атомарних, молекулярних та іонних потоків при нанесенні вакуумних покриттів здійснюється також розпиленням твердого матеріалу без його переведення в рідкий стан. Для розпилення застосовують іонне бомбардування, оскільки іони легко довести до необхідної швидкості.

Бомбардувальний іон вибиває атоми з вузлів кристалічної ґратки внаслідок передачі імпульсу. Атоми, розміщені на поверхні матеріалу, одразу переходять у газоподібний стан, а атоми, які знаходяться на деякій відстані від поверхні, передають імпульс іншим атомам ґратки, викликаючи каскад зіткнень (рис. 21).

Особливості зіткнення падаючого іона залежать від його енергії. Енергії іонів поділяють таким чином (рис. 22): високі – коли іон пролітає поблизу ядра, і взаємодія зводиться до кулонівського відштовхування; проміжні – коли виявляється екранувальна дія електронних оболонок; малі – коли відбувається незначне проникнення в електронні оболонки.

Для початку процесу розпилення достатньо певного мінімального значення енергії іона, яка має назву порогової.

Інтенсивність розпилення характеризується коефіцієнтом розпилення як відношення кількості розпилених атомів N _a до кількості бомбардувальних іонів N _i:

(12)

чи кількістю атомів речовини, вибитих одним іоном.

Залежність коефіцієнта розпилення від енергії іонів має кілька зон (рис. 23).

Зона І відповідає допороговим значенням енергії іонів і не фіксується сучасними методами вимірювань. У зоні II розпилєння починається з дуже малою швидкістю, але коефіцієнт розпилення різко зростає при невеликому підвищенні енергії іонів. У зоні III коефіцієнт розпилення збільшується приблизно лінійно з підвищенням енергії іонів. У зоні IV він продовжує збільшуватися з підвищенням енергії іонів, але з меншою швидкістю порівняно із зоною III. Це пояснюється більш глибоким проникненням іонів у матеріал, перешкоджає виходу вибитих атомів, оскільки вони вибиваються з глибоких шарів. Зона V характеризується пологим максимумом, у межах якого коефіцієнт розпилення практично не змінюється, а при подальшому підвищенні енергії іонів – починає зменшуватися внаслідок збільшення глибини проникнення бомбардувальних іонів.

При фіксованій енергії бомбардувального іона коефіцієнт розпиленнязалежить від атомного номера і структури електронних оболонок розпилюваного матеріалу.

Коефіцієнт розпилення залежить від енергії, маси і кута падіння іонів. Основними параметрами, що характеризують зіткнення іонів з кристалічною ґраткою, є переріз зіткнення іона з атомами кристалічної ґратки s_г, при якому атому передається енергія, вища, ніж необхідна для зміщення атома з його нормального положення в ґратці E_а, і середня енергія Е, яка передається зміщеному атому.

Реакційне випаровування і розпилення. Деякі покриття отримують за допомогою реакцій між атомами парового потоку металу і атомами спеціально поданих у камеру хімічно активних газів. Такий процес називають реакційним.

Для реакційного напилення покриттів необхідно знати, при якому тиску робочого газу буде забезпечено синтез потрібної сполуки. Для практичних завдань це можна вирішити таким чином.

Кількість атомів металу, що досягли поверхні напилення за одиницю часу, можна виразити через швидкість осадження (атом./(см²×с)) без врахування розсіяння газоподібними молекулами у вигляді:

(13)

де N _A – число Авогадро; r - густина матеріалу, г/см³; w _k – швидкість конденсації металу, см/с; M _Me – молекулярна (атомна) маса металу.

Кількість молекул газу, які стикаються з поверхнею напилення (моль/(см²×с)обчислюється за формулою:

(14)

де р _г – парціальний тиск газу, Па; М _г – молекулярна маса газу; Т _г – температура газу, звичайно Т _г = 300 °С.

Реакцію між атомами металу і газу можна стимулювати їх іонізацією. В іонізованому вигляді компоненти легше утворюють необхідні сполуки.

Вищі тиски газів у камері при реакційному напиленні порівняно з прямим випаровуванням або з розпиленням матеріалу підвищують імовірність зіткнення і дифузійного розсіяння конденсованих атомів та іонів.

Дата добавления: 2014-01-04