Термоионные системы осаждения

Текст:

МИНОБРНАУКИ РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

им. В.И.Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ»

Кафедра электронных приборов и устройств

Реферат на тему:

«Термоионные системы осаждения»

Выполнил:

Сапаргалиев А.С

Группа 8203.

Проверил: Барченко В.Т

Санкт-Петербург

2012г.

Оглавление

Введение. 3

Влияние режимов нанесения на структурные характеристики покрытий. 4

Получение тонких пленок распылением материалов ионной бомбардировкой (РИБ). 5

Ионно-лучевое распыление. 7

Влияние режимов нанесения на характеристики покрытий. 8

Ионно-плазменное распыление. 8

Диодное распыление. 9

Метод генерации потока осаждаемого вещества термическим испарением (МТИ). 10

Резистивное испарение. 11

Электронно-лучевое испарение. 12

Способ активации испаряемых потоков веществ с помощью электрического разряда. 13

Влияние режимов нанесения на структурные характеристики покрытий. 15

Способ испарения материалов в вакууме с помощью электрического разряда. 15

Список литературы.. 23

Введение

Одним из наиболее распространенных методов получения интенсивной термоионной плазмы является электронно-лучевое испарение с внешней инжекцией электронного пучка [1]. Его недостатком является то, что электронная пушка и тигель с испаряемым веществом во избежание электрического пробоя пушки вследствие повышения давления при испарении должны быть разнесены в пространстве. Но поскольку мощность испарителя, как правило, составляет 1...10 кВт и более, то для транспортировки такого интенсивного электронного пучка от пушки к тиглю необходима высокая энергия пучка (10 кэВ и выше). Такие энергии существенно превышают энергию максимума сечения ионизации, что заметно снижает эффективность ионизации и, как следствие, долю ионов в общем потоке материала.

В основе методов ионного осаждения тонких пленок D4 лежит сочетание двух процессов:

1) Генерации плазмы исходного вещества с помощью одного из типов электрического разряда или ВЧ-индуктора

2) Ускорения ионов или всей квазинейтральной плазмы с последующей конденсацией на поверхности подложки(детали)

Исходное вещество получают с помощью одного из методов термического испарения D0(термоионный метод D40); из газовой смеси, содержащей компоненты осаждаемой пленки(ионно-плазменный D41 и ионно-лучевой D42 методы); с помощью дугового разряда D3, который используется как первая ступень плазменного ускорителя(плазмотронный метод D43).

Основными достоинствами метода ионного нанесения тонких пленок являются регулируемая в широких пределах энергия осаждаемых частиц Е (оптимальной считается энергия Е=100эВ) и высокая скорость осаждения, а главным недостатками – сложность реализации и распыление конструкционных материалов, а следовательно, и загрязнение плазмы и получаемой пленки.

Влияние режимов нанесения на структурные характеристики покрытий.

Качество, свойства и структура покрытия в значительной степени зависят от параметров газофазового осаждения. Наиболее существенную роль играет температура на границе раздела конденсата и инструментального материала. От температуры зависят структура покрытия, прочность его адгезии с твердым сплавом. Кроме того, взаимная диффузия повышает прочность сцепления покрытия и твердого сплава и, в свою очередь, зависит от кристаллохимического сродства осаждаемого покрытия и твердого сплава. Однако если на границе покрытие – твердый сплав за счет экстракции элемента из твердого сплава (углерод, кислород и др.) образуются устойчивые хрупкие соединения типа W₃CO₃C (h-фаза), прочность сцепления покрытия и твердость сплава снижаются:

(x - 1) Ti + x WC + y Co ® (x - 2) TiC + W₃CO₃C.(1)

Рост h-фазы происходит в основном в начальной стадии осаждения покрытия и заканчивается одновременно с завершением зародышеобразования, поэтому по мере уменьшения минимальной толщины покрытия, при которой образуется его полная сплошность , снижается и общая толщина h-фазы.

Композиции твердый сплав – покрытие имеют низкопеременные значения остаточных напряжений в объеме покрытия. Наличие переходный зоны (h-фазы) благоприятно сказывается на характере изменения остаточного напряжения на границе раздела твердый сплав – покрытие, так как снижается градиент напряжений и наблюдается достаточно плавный переход напряжения на границе.

На свойства и параметры покрытия (микротвердость, толщину, фазовый состав, структуру) оказывает влияние концентрация реагентов газовой смеси, давление смеси и скорость ее подачи, исходная чистота компонентов смеси. Особенно вредно присутствие вредных реагентов типа O₂, H₂O, N₂, которые приводят к охрупчиванию покрытия, снижают прочности адгезии с твердым сплавом, резкому изменению физико-химических и теплофизических свойств покрытий. Поэтому к чистоте компонентов газовой смеси предъявляются повышенные требования.

Получение тонких пленок распылением материалов ионной бомбардировкой (РИБ)

Ионное распыление (ИР) – метод вакуумного напыления, в котором осаждаемый атомарный поток получают в результате бомбардировки ускоренными ионами поверхности исходного напыляемого материала и последующей инжекции распыленных атомов в паровую фазу.

Характер взаимодействия бомбардирующих ионов с поверхностью твердого тела определяется их энергией. При энергиях меньших 5 эВ, взаимодействие ограничивается физически и химически адсорбированными слоями, вызывая их десорбцию и обуславливая протекание различных химических реакций. При кинетических энергиях, превышающих энергию связи атомов в кристаллической решетке, бомбардировка вызывает разрушение приповерхностного слоя и выброс атомов в паровую фазу (распыление). Минимальная энергия ионов, приводящая к выбиванию атомов с поверхности, называется пороговой энергией распыления. Значение ее находится в интервале энергий от 15 до 30 эВ.

Характеристикой процесса ИР служит коэффициент распыления, определяемый количеством атомов, выбитых с бомбардируемой поверхности падающим ионом. При возрастании энергии бомбардирующих ионов свыше 100 эВ коэффициент распыления резко увеличивается и в области 5-10 кэВ выходит на насыщение. Дальнейшее повышение кинетической энергии свыше 100 кэВ приводит к снижению распыления, вызванному радиационными эффектами и внедрениями ионов в кристаллическую решетку. Диапазон энергий бомбардирующих ионов, представляющих интерес при получении покрытий, находится в пределах от 300 до 5000 эВ. Распыление вызывается, в основном, передачей импульса энергии от бомбардирующей частицы атомам кристаллической решетки в результате серии последовательных столкновений. Передача импульса от падающих ионов происходит в первых атомных слоях решетки, например, при бомбардировке поверхности поликристаллической меди ионами аргона с энергией 1000 эВ глубина проникновения равнялась трем атомным слоям.

Энергия распыления атомов значительно превышает кинетическую энергию испаренных атомов и составляет 0,1-100 эВ. Распыление сопровождается эмиссией вторичных электронов, которые ускоряются в электрическом поле, вызывая дополнительную ионизацию.

Коэффициент распыления определяется энергией и направлением падения ионов, природой взаимодействующих материалов, кристаллографической структурой и атомным строением бомбардируемой поверхности.

Наибольшее распространение в качестве источника бомбардирующих ионов получил инертный газ аргон, имеющий массу, достаточную для распыления, и характеризующийся относительно малой стоимостью.

Влияние температурных условий незначительно. Распыление металлов в твердом и расплавленном состояниях практически не различается. Исключение составляет область температур, при которых переход атомов в паровую фазу путем испарения становится существенным и превышает распыление. С увеличением угла падения ионов (относительно нормали к поверхности) эффективность распыления возрастает.

В установках ВН поток распыленных атомов создается либо в результате бомбардировки ионами плазмы разряда поверхности исходного напыляемого материала, находящегося под отрицательным потенциалом или являющегося катодом тлеющего разряда (ионно-плазменное распыление, разновидностями которого являются катодное, магнетронное распыления), либо за счет бомбардировки ускоренными ионами, эмитированных автономным источником (ионно-лучевое распыление). В зависимости от схемы распылительного устройства напыление при давлении остаточных газов от 10 до 10^-2 Па.

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 (рис.1).

Рис. 1. Ионно-лучевое распыление:

1 – напуск рабочего газа; 2 – термоэлектронный катод; 3 – анод; 4 – магнитная

система; 5 – ускоряющий электрод; 6 – пучок ионов; 7 – распыляемый материал;

8 – подложкодержатель; 9 – присоединение к вакуумной системе;

а – ионная пушка; б – схема напыления.

Низковольтный разряд (40-80 В) возбуждается в среде аргона. Наличие термоэлектронного катода обеспечивает стабильность разряда в широком интервале давлений от 100 до 10^-1 Па. Магнитное поле, создаваемое в области цилиндрического анода, изменяет траекторию электронов, увеличивая вероятность столкновения с молекулами газа. Система фокусировки и ускорения позволяет получать практически моноэнергетические пучки ионов с энергией от 100 до 3000 эВ и плотностью тока от 0,1 до 20 мА/см². Есть сведенья о получении пучков аргона с плотностью тока до 26 мА/см² при ускоряющем напряжении 1000 В. Получение пучков низкоэнергетических ионов с высокой плотностью тока ограничено. Для нейтрализации потока ионов, с целью распыления диэлектрических материалов, в пушку устанавливают источник низкоэнергетических электронов.

Влияние режимов нанесения на характеристики покрытий.

Покрытие TiCN было нанесено по средствам ионно-лучивого распыления. Период решетки данного покрытия зависит от соотношения между количеством азота и углеводородной смеси в реакционном газе. Из рис.3 видно, что период решетки максимален и равен 4.325 Å, когда реактивный газ содержит только углеводородную смесь, и минимальный период – 4.261 Å, когда реактивный газ содержит только азот.

Рис. 2.Изменение периода решетки фазы TiCN в зависимости от объемной концентрации азота в реактивной газовой смеси в процессе конденсации.

Ионно-плазменное распыление

Принципиальная схема установки приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Схема установки для нанесения покрытий катодным распылением:

1 – камера; 2 – катод; 3 – заземленный экран; 4 – заслонка; 5 – подложка;

6 – заземленный анод; 7 – резистивный нагреватель подложки.

Метод осуществляется следующим образом. Вакуумный объем, содержащий анод и катод, откачивают до давления 10^-4 Па, после чего производят напуск инертного газа (обычно это Ar при давлении 1-10 Па).Для зажигания тлеющего разряда между катодом и анодом подается высокое напряжение 1-10 кВ. Положительные ионы инертного газа, источником которого является плазма тлеющего разряда, ускоряются в электрическом поле и бомбардируют катод, вызывая его распыление. Распыленные атомы попадают на подложку и оседают в виде тонкой пленки.

Преимущества метода катодного распыления в следующем:

· безынерционность процесса

· низкие температуры процесса

· возможность получения пленок тугоплавких металлов и сплавов (в том числе и многокомпонентных)

· сохранение стехиометрического исходного материала при напылении

· возможность получения равномерных по толщине пленок

Метод имеет недостатки:

· низкая скорость осаждения (0.3-1 нм/с)

· загрязнение пленок рабочим газом вследствие проведения процесса при высоких давлениях

· низкая степень ионизации осаждаемого вещества

Данный метод может быть осуществлен и по другой схеме – диодная схема распыления.

Диодное распыление

Диодная установка для напыления состоит из двух плоских электродов, расположенных параллельно и отстоящих друг от друга на расстоянии 5-15 см. Катод изготавливают из напыляемого материала. Он электрически изолирован и соединен с отрицательным полюсом высоковольтного выпрямителя. Анод, он же и подложкодержатель, обычно находится под потенциалом земли. Камера предварительно вакуумируется до 10^-3 Па и на катод подается потенциал 3-5 кВ. При определенном напряжении, которое зависит от геометрии электродов, расстояния между ними и давления газа, происходит пробой и возбуждается в аргоне тлеющий разряд постоянного тока. Положительные ионы, ускоренные в прикатодной области, бомбардируют и распыляют поверхность катода - напыляемого материала. Поток распыленных атомов осаждается на подложке в виде тонких пленок. Незначительные скорости осаждения (0,01 мкм/мин), обусловлены низкой плотностью ионного тока на катоде и невысокий вакуум ограничивают применение метода. Кроме того, эмитированные катодом и ускоренные в электрическом поле (2-5 кэВ) электроны интенсивно бомбардируют анод и размещенные на нем подложки, вызывая их перегрев и радиационные дефекты в структуре.

Метод генерации потока осаждаемого вещества термическим испарением (МТИ).

Метод МТИ заключен в нагреве исходных материалов с помощью какого-либо источника энергии (резистивный нагрев, электронный луч, электрический разряд и т.п.) до температуры испарения, испарения и конденсации паров на поверхности твердого тела в виде тонких пленок и покрытий.

В результате испарения или сублимации вещества переходят в паровую фазу. Пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твердым телом, называется насыщенным. Испарение обусловлено тем, что кинетическая энергия молекул или атомов в поверхностном слое твердого тела или жидкости настолько превышает их среднюю в объеме при данной температуре, что они отрываются и распространяются в свободное пространство. Энергия атомов определяется температурой испарителя и составляет 0,1-0,3 эВ.

При одной и той же температуре различные металлы характеризуются различными значениями давления насыщенного пара, что значительно ограничивает применение МТИ при получении покрытий из сплавов.

Разработаны технологические приемы, обеспечивающие получение покрытий стехиометрического состава путем изменения исходного состава с целью компенсации разницы в упругостях пара, испарение дозированных количеств вещества, взрывообразное испарение и испарение из нескольких тиглей.

Упругость паров практически не зависит от давления окружающего газа. Оно определяет диффузию пара из пограничного слоя над испарителем и, соответственно, скорость испарения. При малых давлениях в камере (P £ 10^-2 Па), когда средняя длинна свободного пробега молекул превышает ее характерные размеры, влиянием остаточного газа можно пренебречь и тогда, согласно кинетической теории газов и уравнению Герца-Кнудсена, скорость испарения по массе будет определяться с помощью уравнения Ленгмюра.

Резистивное испарение

Нагрев резистивным способом обеспечивается за счет тепла, выделяемого при прохождении электрического тока непосредственно через напыляемый материал или через испаритель, в котором он помещается. Конструктивно резистивные испарители подразделяются на проволочные, ленточные и тигельные. Первые изготавливают из проволоки тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, ниобий) диаметром 0,5-1,5 мм путем придания ей формы, способом удержания металла в расплавленном состоянии. При изготовлении ленточных используют тонкие листы тугоплавких металлов толщиной 0,1-0,5 м, которых создают специальные углубления для размещения испаряемых металлов. Для испарения больших количеств материалов разработаны тигельные испарители. Тигель изготавливают из тугоплавких металлов, керамических материалов и графита. Материалы испарителя должны удовлетворять следующим требованиям:

· давление пара материала при температуре испарения должно быть пренебрежимо мало по сравнению с упругостью пара напыляемого вещества

· материал испарителя должен хороше смачиваться расплавленным напыляемым металлом с целью обеспечения хорошего теплового контакта и равномерного потока пара

· химическое взаимодействие между контактирующими материалами, обуславливающее загрязнение покрытий и разрушение испарителей, должно отсутствовать

Способ применяется при испарении материалов, температура нагрева которых не превышает 1500 °С [5].

Электронно-лучевое испарение

Принципиальная схема электронно-лучевого испарения в вакууме дана на рис. 4.

Рис. 4.Принципиальная схема применения электронно-лучевого нагрева при вакуумном напылении:

1 – прикатодный, формирующий электрод; 2 – термоэлектронный катод;

3 – анод; 4 – поток электронов; 5 – система магнитной фокусировки;

6 – узел электромагнитного пучка на 90°; 7 – водоохлажденный тигель;

8 – поток пара; 9 – заслонка; 10 – подложкодержатель;

11 – система вакуумирования

Ускоренный пучок электронов с помощью отклоняющей системы непосредственно направляется на поверхность испаряемого материала. При столкновении с частицами окружающей среды электроны могут терять свою энергию и изменять направление движения. Число столкновений определяется концентрацией частиц, протяженностью электронного потока и его сечением. Для исключения газовыделений в процессе нагрева необходимо применять высокочистые исходные материалы.

Электронная пушка – устройство для создания, ускорения и фокусировки пучка электронов – состоит из катодного узла и системы фокусировки, обеспечивающей направленность потока (рис.5). Последняя, включает прикатодный фокусирующий электрод, ускоряющий анод и устройство магнитной фокусировки.

Рис. 5.Схема плоско-лучевой электронной пушки:

1 – катодный узел; 2 – проволочный термоэлектронный катод; 3 – анод;

4 – ускоренный пучок электронов; 5 – устройство магнитного поворота

электронов; 6 – водоохлаждаемый медный тигель; 7 – охлаждаемая ловушка

для отраженных электронов.

Способ активации испаряемых потоков веществ с помощью электрического разряда

Принципиальная схема “ионного осаждения” представлена на рисунке 6.

Рис. 6. Схема установки “ионного осаждения”:

1 – тлеющий разряд; 2 – катодная зона; 3 – подложки;

4 – подложкодержатель, отрицательное напряжение смещения 1-5 кВ;

5 – высоковольтный выпрямитель; 6 – тигель; 7 – испаритель;

8 – напуск аргона.

Анодом тлеющего разряда служит тигель с испаряемым материалом, который обычно находится под потенциалом земли. Процесс выполняется следующим образом. Камера предварительно вакуумируется до давления не выше 10^-4 Па. При закрытой заслонке напыляемый материал расплавляется и производится его дегазация. Затем испаритель отключается, на подложку подается отрицательный потенциал смещения 2-5 кВ, и в камеру напускают рабочий газ аргон. При давлении 10^-1-1 Па, в зависимости от геометрии устройства и межэлектродных расстояний, между подложкой и испаряемым материалом возбуждается тлеющий разряд. Поверхность подложки в результате бомбардировки ускоренными ионами и возбужденными атомами аргона распыляется. В некоторых случаях, с целью повышения эффективности удаления примесей, в состав аргона вводят химически активный газ, образующий с ними летучие соединения. Производится очистка поверхности подложки от оксидных соединений.

При достижении равновесного минимального тока на подложке, не отключая тлеющий разряд, начинается напыление. Испарение ведется в условиях тлеющего разряда. На поверхности подложки протекают два конкурирующих процесса: распыление и осаждение. На начальных стадиях, когда подложка находится под высоким потенциалом (3-5 кВ), скорость распыления выше. Затем потенциал уменьшается и идет осаждение покрытия при бомбардировке растущего слоя энергетическими частицами. Напыление возможно, как в тлеющем разряде, так и в отсутствии. В последнем случае напуск аргона прекращается, и процесс ведется аналогично классическому способу термовакуумного напыления. При напылении покрытий на диэлектрические материалы используют высокочастотный разряд, либо при разряде в постоянном токе вблизи них устанавливается сетка, изготавливаемая из напыляемого или другого инертного материала., на которую подается высокий отрицательный потенциал.

На начальных стадиях роста поверхность подложки и растущий слой подвергаются интенсивной бомбардировке ионами, ускоренными в темном катодном пространстве, и возбужденными частицами. Основной вклад при этом вносится возбужденными нейтральными частицами, составляющими 90% всей энергии потока. Энергия частиц колеблется от значений, определяемых ее температурой нагрева, до энергий ионов, ускоренных в поле подложки.

Воздействие энергетических частиц обуславливает десорбцию газов, распыление приповерхностного слоя, рост дефектов кристаллической решетки, изменение морфологии поверхности и структур роста тонких пленок и покрытий. Все это обуславливает напыление высокочастотных прочносцепленных покрытий. Кроме того покрытия, осажденные данным способом, характеризуются достаточно высокой равномерностью по толщине при напылении на поверхности со сложной геометрией.

Влияние режимов нанесения на структурные характеристики покрытий

Улучшая свойства покрытий, способ ионного осаждения сохраняет преимущества в условиях газового рассеяния; обеспечивает получение слоев, равномерных по толщине, на поверхностях сложной формы. На рисунке 7 приведены зависимости скоростей осаждения различных материалов на переднюю и обратную поверхность подложки от давления аргона.

Рис. 7.Влияние давления аргона (Р_Ar) на скорости “ионного осаждения” (V_oc)

золота (сплошная линия) и коррозионностойкой стали (пунктирная линия)

на переднюю (1,3) и обратную (2,4) поверхности плоской подложки.

Способ испарения материалов в вакууме с помощью электрического разряда

В основу разрядного устройства была положена конструкция электронно-лучевой пушки с кольцевым термоэлектронным катодом – наличие электрического ускоряющего поля в зоне испарения и небольшое давление пара для возбуждения разряда (рис.8).

Рис. 8.Схема установки вакуумного напыления с применением разрядного испарителя анодной формы:

1 – источник накала катода; 2 – источник питания разряда; 3 – высоковольтный

выпрямитель; 4 – подложка; 5 – заслонка; 6 – система электростатической

фокусировки; 7 – магнит; 8 – термоэлектронный катод; 9 – тигель с испаряемым

материалом; 10 – система вакуумирования.

Под действием электрического поля ускоренный поток электронов бомбардирует поверхность исходного напыляемого металла, находящегося под потенциалом анода, обеспечивая нагрев его и испарение. С увеличением мощности давление паров в межэлектродном пространстве растет. Одновременно в результате столкновений с электронами происходит возбуждение и ионизация испаренных атомов. При некоторой скорости испарения, значение которой определяется природой напыляемого материала и конструктивными параметрами устройства, между катодом и анодом возбуждается разряд. Возникновение разряда сопровождается ярким свечением вытекающего потока пара с характерным цветом для каждого испаряемого металла. Разряд является несамостоятельным, так как термоэлектронная эмиссия катода достигается за счет накала его от дополнительного источника. Регулируемый ток термоэлектронов значительно облегчает управление процессом испарения. Устойчивость разряда и его параметры зависят как от физических условий горения, так и от характеристики источника питания.

При испарении металлов используют высоковольтный (напряжение 200-700 В, ток от 1 до 10 А) и низковольтный (напряжение 30-70 В, ток до 100 А) разряды. Степень ионизации осажденных атомов , в зависимости от режима разряда, в первом случае изменяется в интервале от 2 до 30%, во втором – приближается к 100%. Возбуждение низковольтного дугового разряда обеспечивается напуском аргона в пространство между электродами и начальным возникновением разряда в среде газа. По мере нагрева и испарения напыляемого материала натекание аргона постепенно перекрывается, и разряд горит только в парах металла. Вакуум при напылении с помощью разрядов анодной формы не хуже 10^-3 Па.

Испарение металлов с помощью данного разряда обусловило значительное повышение энергии осажденных атомов и таким образом позволило активно влиять на процессы зарождения и роста покрытий. Поток пара, ускоренный в электрическом поле подложки, не только очищает ее поверхность, удаляя адсорбированные слои газа, но и изменяет кристаллографическую структуру приповерхностного слоя, производя его распыление. Стабильность разряда и возможности широкого и тонкого регулирования энергией и плотностью потока осаждающихся атомов позволяют использовать этот способ не только при получении металлических покрытий и покрытий из соединений, но и при диффузионном насыщении.

Термоионное нанесение покрытий

Термоионное нанесение покрытий широко применяется при изготовлении интегральных микросхем, магнитных пленок, оптических и износостойких слоев. Осаждение пленок в условиях, когда материал поступает на подложку в виде атомов и ионов позволяет в широких пределах изменять композиционный состав покрытия и его структуру. Ионная бомбардировка в ряде случаев способствует снижению внутренних напряжений, возникающих в процессе формирования пленки. К настоящему времени разработаны несколько методов получения пара рабочего вещества с последующей ионизацией тем или иным типом газового разряда.

Более простыми и надежными при сравнимой эффективности осаждения являются плазменные электронно-лучевые системы, в которых формирование электронного пучка происходит непосредственно у поверхности испаряемого вещества. В таких системах эмиттером электронов служит не катод электронной пушки, а окружающая тигель поверхность плазмы. Ускорение же электронного потока происходит электрическим полем приповерхностного слоя, которое возникает за счет разности потенциалов между плазмой и тиглем. При этом неотъемлемым элементом плазменных электронно-лучевых систем является внешний источник плазмы, основанный на каком-либо типе газового разряда.

Преимуществом плазменных систем является то, что в них практически исключен пробой пушки, поскольку формирование потока происходит в пушке с плазменным эмиттером, т.е., в отсутствие твердотельного отрицательного электрода, на котором, как правило и развивается пробой. Кроме того, ускоряющий промежуток вследствие большой электропроводности плазмы автоматически уменьшает свои размеры с ростом тока при повышении давления, что обеспечивает эффективный проход через него заряженных частиц. Вторая важная особенность - это отсутствие пространства транспортировки между пушкой и тиглем, что делает систему некритичной к энергии пучка и позволяет в широких пределах варьировать ею, делая ее наиболее оптимальной с точки зрения максимальной эффективности ионизации рабочего пара. Мощность нагрева испаряемого вещества в плазменных системах в широких пределах регулируется величиной электронного тока за счет изменения плотности и температуры плазмы.

Схема термоионной системы нанесения покрытий

Схема эксперимента представлена на рис.9а. Основу системы составляет термоэмиссионный электронный источник 1 (ТЭИ), формирующий первичную плазму для электронного эмиттера и стыкуемый с рабочей камерой 2, в которую помещается тигель с испаряемым веществом 3 и водоохлаждаемый подложкодержатель 4. Рабочая камера откачивается посредством высоковакуумного агрегата 5 (ВВА) на основе диффузионного насоса до давления 5.10-6 мм рт.ст. Питание ТЭИ осуществляется посредством системы питания 6 (СП), а напряжение на тигель подается через вакуумный ввод от источника питания 7 (ИП).

Схема ТЭИ показана на рис.9б. ТЭИ представляет собой охлаждаемую водой газоразрядную трубку 1, стыкуемую торцом с рабочей камерой. В противоположном конце трубки расположен термокатод прямого накала 2 (ТК), окруженный сбоку охранным электродом 3, экранирующим термокатод от радиального электрического поля. Вдоль трубки посредством катушки 4 создается продольное магнитное поле с колоколообразным профилем распределения напряженности. Накал катода ТК осуществляется через водоохлаждаемый коаксиальный токоввод 5 постоянным током (Uн ~ 10 В, Iн = 0...40 А). Возбуждение разряда осуществляется приложением постоянного напряжения (Uр = 0...400 В, Iр = 0...5 А) между термокатодом и разрядной трубкой. При этом трубка находится под потенциалом земли, а на катод подается отрицательное напряжение. Продольное магнитное поле введено с целью увеличения времени жизни электронов в системе для повышения эффективности ионизации при пониженном рабочем давлении.

Рис. 9. а) схема плазменно-лучевой системы нанесения покрытий

б) схема термоэмиссионного ионного источника

Для снижения давления в рабочей камере напуск газа осуществлялся в прикатодную область. Разрядная трубка в этом случае играла роль вакуумного сопротивления. Ее длина и диаметр выбирались таким образом, чтобы обеспечить десятикратный перепад давления между прикатодной областью рк и рабочей камерой рр (рк/рр>10). Расчет проводился исходя из реальной скорости откачки высоковакуумного агрегата в 400 л/с.

Выбор пучково-плазменного разряда в качестве плазмообразующего устройства был сделан по двум причинам: в таком разряде сравнительно легко получить разрядные токи в 1...10 А при относительно небольших разрядных напряжениях (50...500 В), и параметры плазмы позволяют формировать электронные токи с плотностью в несколько сотен мА/см2.

Процесс образования ионного потока на обрабатываемую подложку происходит следующим образом. Пушкой создается первичный пучок электронов с энергиями порядка нескольких сотен эВ. Атомы рабочего газа в разрядном промежутке ионизируются первичными электронами, создавая плотную газоразрядную плазму. К тиглю с испаряемым веществом прикладывается положительный потенциал, необходимый для создания положительного смещения у. поверхности тигля. При этом ток разряда Ip превосходит токонесущую способность плазмы Ia вблизи поверхности тигля [3]:

(1)

где Sa - собирающая поверхность тигля, jmax(r) ds - максимальная плотность тока, кото-рый может перенести плазма в данной точке.

Величина потенциала положительного смещения тигля Uт (а, равно, энергия электронного потока) выбиралась в пределах 0,5...1,0 кВ. При мощности нагрева тигля Pт=1...2 кВт, ток на него Iт лежит в пределах 1...4 А. При рабочей поверхности тигля Sт~10 см2 плотность электронного тока изменяется в диапазоне 0,1...0,4 А/см2.

В целом, для реализации плазменного электронно-лучевого испарения необходимо, чтобы, во-первых,

Iт = Pт / Uт < D Iр, (2)

где D Iр=Ip - Ia1, Ip - общий ток разряда, Ia1 - электронный ток на все прочие (кроме тигля) электроды, и, во-вторых, параметры плазмы вблизи тигля были таковы, чтобы

∫ jmax(r) ds < D Iр (3)

Если приведенные условия выполняются, то при подаче положительного смещения на тигель, испаряемое вещество разогревается с образованием потоков ионов и нейтрального пара на обрабатываемую поверхность.

Процесс осаждения покрытий осуществлялся как при заземленном, так и при изолированном подложкодержателе. В случае изолированного подложкодержателя его поверхность за счет непрерывного потока на нее электронов первичного пучка ТЭИ заряжается отрицательно и начинает притягивать к себе ионы плазмы, тем самым, формируя ионный поток. Характерное распределение потенциала приведено на рис.10а. (Кривая 1 соответствует случаю заземленного подложкодержателя, кривая 2 - изолированного.) Энергия такого ионного потока определяется разностью между потенциалом плазмы и потенциалом поверхности, а ток ионного потока - параметрами плазмы. Здесь ситуация аналогична случаю одиночного ленгмюровского зонда, находящегося под плавающим потенциалом. Формирование ионного потока на изолированную поверхность посредством первичного электронного пучка использовалось для предварительной ионной очистки обрабатываемого образца и при синтезе покрытий на основе сложных химических соединений.

Рис.10. а) продольное распределение потенциала между термокатодом и подложкодержателем

б) распределение потенциала у поверхности тигля

Характерное распределение потенциала после приложения к тиглю положительного смещения представлено на рис.10б. Здесь, кривая 1 соответствует моменту разогрева тигля. Необходимо отметить, что падение потенциала в данном случае происходит в слое отрицательного объемного заряда электронов, ускоряемых в сторону тигля. По мере разогрева испаряемого вещества начинает повышаться давление пара у поверхности, что ведет к уменьшению длины свободного пробега электронов и появлению генерации заряженных частиц в приповерхностном слое. Рождающиеся в результате ионизации пара рабочего вещества ионы ускоряются навстречу электронам, появляется биполярный ток в слое. Как только скорость генерации заряженных частиц у поверхности достигнет такой величины, что между слоем пространственного заряда и облучаемой поверхностью возникнет слой плазмы, первоначальный одиночный слой объемного заряда превратится в двойной слой (ДС) со встречным ускорением электронов и ионов и соотношением между плотностями электронного и ионного токов, определяемым выражением Ленгмюра

(4)

Здесь ji - плотность ионного тока , втекающего из приповерхностной плазмы в слой, je - плотность электронного тока, поставляемого в слой первичной фоновой плазмой, me и mi- масса электрона и иона соответственно. Соотношение дано для случая однократно ионизованных ионов. Распределению потенциала с ДС на рис.10б соответствует кривая 2.

По мере развития процесса ионизации, плотная приповерхностная плазма за счет своего газокинетического давления будет «отжимать» ДС от поверхности. Отход слоя сопровождается двумя эффектами: увеличением внешней поверхности слоя и снижением интенсивности разогрева тигля вследствие появления плазменной прослойки, эффективно тормозящей электронный пучок за счет коллективного взаимодействия. Динамика распределения потенциала соответствующая отходу ДС дается кривой 3. Рост внешней поверхности ДС ведет к увеличению тока на тигель, и в случае, когда поверхность слоя достигает такой величины, что нарушается соотношение, исчезают условия образования ДС. С разрушением ДС прекращается ускорение электронов и, как следствие, заканчивается разогрев и испарение вещества, а также его интенсивная ионизация и образование плотной приповерхностной плазмы. После распада плотной плазменной оболочки вновь восстанавливаются условия возникновения положительного смещения потенциала у тигля, с повторным возникновением которого динамика процессов начинается разворачиваться сначала. В периодическом появлении и исчезновении ДС проявляется стабилизирующий механизм подержания разряда в плазменном электронно-лучевом испарителе.

Возможен и другой механизм стабилизации процесса формирования термоионного потока. В случае, когда скорость генерации частиц в приповерхностной плазме вследствие отхода ДС будет падать быстрее, чем увеличение его внешней собирающей поверхности, возможна ситуация, когда плотность периферийной области плазменной оболочки, на фронте которой находится ДС, сравняется с плотностью первичной фоновой плазмы. Если при этом по-прежнему будут выполняться условия существования ДС, то положение слоя будет застабилизировано на этом уровне. (Стабилизация положения слоя является следствием необходимости выполнения условия (2)).

Список литературы:

1. П.А. Лучников. Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики. Вестник науки Сибири. 2011. № 1 (1)

2. «Нанесение тонких пленок в вакууме». Технологии в электронной промышленности, №3. 2007

3. Российское вакуумное общество. Авторы: Кучеренко Е.Т. Тема: Кольцевой испаритель для получения пленок высокоомных диэлектриков методом термоионного осаждения

4. А.Ф. Целуйко, Н.Н. Юнаков, «МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ТЕРМОИОННОМУ ФОРМИРОВАНИЮ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ТИТАНА». Харьков, 2000.

5. Эйзнера А.Б. Методы получения защитных покрытий. Белорусский государственный университет. Минск 2002.