Метод магнетронного напыления покрытий с ионным ассистированием

Метод магнетронного распыления с ионным ассистированием позволяет:

• Получать покрытия практически из любых металлов, сплавов, полупроводников и диэлектриков без нарушения исходного соотношения компонентов распыляемой мишени;
• Наносить покрытия с широким интервалом скоростей напыления: 0,1-100 мкм/ч;
• Получать многокомпонентные и многослойные покрытия, отличающиеся высоким качеством и однородностью;
• Наносить покрытия в среде химически активных газов (N2, O2, CH4, СО, SO2 и др.) и получать соединения на основе оксидов, нитридов, карбидов, сульфидов металлов и др. соединений, в т.ч. и тех, которые невозможно получить методами обычного термического испарения;
• Производить обработку изделий с целью их ионной очистки и активации перед нанесением покрытий в одном техническом цикле с нанесением покрытий.
• Наносить тонкопленочные проводящие, изолирующие покрытия на электронные компоненты; просветляющие, отражающие, защитные покрытия на детали оптических систем и приборов; упрочняющие, стойкие к коррозии и защитно-декоративные покрытия на металлы, диэлектрические материалы, стекло, пластмассы в производстве изделий различного назначения, включая товары народного потребления.
• Обеспечить полную экологическую безопасность (отсутствие: жидких стоков, газообразных выбросов, транспортировки и хранения ядовитых реагентов)

Но  есть ряд недостатков:

• Окисление и загрязнение поверхности мишени при замене рабочего газа или вскрытии вакуумной камеры. Поэтому подготовка магнетрона к работе предполагает предварительную очистку мишени плазмой собственного разряда.
• Нанесение покрытий не только на образцы, но и на элементы вакуумной камеры, экраны и т.д. При осаждении различных типов пленок на одной установке требуется механическая чистка запыляемых элементов.
• Трудности, связанные с равномерным нанесением покрытий на изделия сложной формы. Для обработки образцов с множеством теневых областей чаще используют другие методы.
• Небольшой коэффициент использования мишени. Распылению подвергается только узкая кольцеобразная область мишени. Данную проблему решают путем модификации магнитных систем, что значительно усложняет конструкцию установки, или подбора оптимальной формы мишени, что делает процесс её изготовления более сложным.

Ионная  очистка

Очистка поверхности  от различного рода загрязнений и  окислов имеет важное значение при  нанесении разнообразных покрытий. Существующие классические методы очистки  поверхности - химические, гальванические, пескоструйные, которые не в полной мере удовлетворяют современным  требованиям по качеству результата. Ионная очистка поверхности позволяет  получать атомночистую поверхность, благодаря  чему улучшается адгезия наносимого покрытия с подложкой.

Данный метод  очистки осуществляется следующим  образом. Ионный источник формирует  направленный поток ионов инертного  газа, ускоренных до высокой энергии. Они бомбардируют подложку, вызывая  её распыление [6].

Распыление наблюдается  при энергии ионов Ei выше энергия связи атомов обрабатываемого материала в твердом теле E0 (пороговая энергия). Значения E0 для различных элементов колеблются от единиц до нескольких десятков эВ. При энергиях меньше пороговой распыление отсутствует.

Коэффициент S является количественной характеристикой распыления и равен числу атомов, выбитых  одним ионом. Вблизи порога S очень  мал (10–5 атомов/ион), а при оптимальных  условиях может достигать нескольких десятков. На величину S влияют как параметры  бомбардирующих ионов — их энергия, масса, угол падения на образец, так  и свойства распыляемого вещества —  чистота поверхности, температура, кристаллическая структура, масса  атомов вещества. Энергии распылённых  частиц колеблются от нескольких долей  эВ до величин порядка энергии  первичных ионов. Средние энергии  распыляемых частиц составляют обычно десятки эВ и зависят от свойств  материала мишени и характеристик  ионного пучка [7].

Согласно теории Зигмунда [4] для аморфных и поликристаллических  материалов для энергий ионов  до 1 кэВ коэффициент распыления определяется следующим выражением:

,

где Mi и Ma- атомные массы ионов и атомов распыляемого материала, г/моль;

Ei - энергия падающих ионов, эВ;

Esub - энергия сублимации атомов подложки, эВ;

α - безразмерный параметр, зависящий от Mi/Ma.

Рис.2. Зависимость  коэффициента α от отношения массы  атома распыляемого материала Ma к  массе иона Mi [4] .

Зависимость параметра  α от отношения Mi/Ma при нормальном падении пучка ионов показана на рис 2.

В табл. 1 приведены  значения коэффициентов распыления для некоторых металлов.

Табл.1. Значения коэффициента распыления [9].

Распыляемое вещество	Коэффициент распыления S, атом/ион
	при Еi=600 эВ		при Еi =1 кэВ
	Аr	Кr	Аr	Кr
Сu	2,3	2,8	3,2	3,4
Fe	1,3	1,2	1,4	1,4
Мо	0,9	1,1	1,1	1,2
Ni	1,5	1,5	2,1	1,7

Зависимость коэффициента распыления от энергий бомбардирующих ионов (рис.3) имеет максимум при значениях  энергии порядка 101-103эВ. Уменьшение коэффициента распыления при повышенных энергиях ионов связано с большой  глубиной проникновения частиц в  твердое тело и меньшим выделением энергии в поверхностном слое.

Рис.3. Зависимость коэффициента распыления Си от энергии бомбардирующих ионов Кr+ [8].

 

Подбор  насоса для получения вакуума

Для форвакуумной откачки используем пластинчато-роторный насос 2НВР-90Д. Он предназначен для откачки из герметичных объёмов воздуха, неагрессивных к материалам конструкции насоса и рабочей жидкости пожаровзрывобезопасных  нетоксичных газов, паров и парогазовых смесей, предварительно очищенных от капельной влаги и механических загрязнений, от атмосферного давления до предельного остаточного. Насос широко используется в электронной, радиотехнической, химической и других отраслях промышленности для получения низкого и среднего вакуума как самостоятельно. так и в качестве насоса предварительного разрежения при работе с высоковакуумными насосами.

 

Технические характеристики
Быстрота действия в диапазоне  давлений на входе от атмосферного до 0.26 кПа (2мм рт. ст.),м3/ч л/с	90(25)
Предельное остаточное давление кПа, (мм рт.ст.), не более, при применении масла:  ВМ-1С ТУ 38.101 1187-88 парциальное без газобалласта полное без газобалластаста полное с газобалластом	1х10-5(7,5х10-5)  6,7х10-4(5х10-3)   6,7х10-3(5,0х10-2)
ВМ-6 ТУ 38.401-58-3-90 парциальное без газобалласта полное без газобалластаста полное с газобалластом	2,7х10-5(2,0х10-4)   1,3х10-3(1х10-2)   7,9х10-3(6,0х10-2)
Наибольшее рабочее давление, кПа (мм рт. ст.)	1,33(10)
Объём откачиваемого сосуда, м, не более	12
Наибольшее давление паров  воды на входе насоса, кПа (мм рт. ст.)	2,66(20)
Количество рабочей жидкости, заливаемой в насос, л	6
Расход охлаждающей воды. л/мин	-
Габаритные размеры, мм, не более: длина ширина высота	340  130**  191**
Масса, кг, не более***	100

 

 

l	H	H1	H2	S	l1	l2	S1	S2	D	Dyвх	D1	d	d1	Dyвс
831	400	373	132	290	476	228	212	10	55	25	110	М6	М8	70

 

Рис. 4. Монтажный  чертеж пластинчато-роторного насоса 2НВР-90Д

 

Для достижения предельного давления (4,27·10-7 Торр) используем турбомолекулярный насос ТМН-500 (быстродействие 500л/с).

 Проточная часть насоса состоит из чередующихся между собой роторных и статорных рабочих колес 3 дискового типа. Статорные колеса представляют собой зеркальное отражение роторных; для упрощения монтажа насоса статорные колеса разрезаны по диаметру. У первых 25 колес (со стороны всасывания) угол наклона пазов 30", а последующих 14 ... 15°. Изменение угла а на клона необходимо для увеличения отношения давлений насоса.

В качестве первого рабочего колеса в насосе использовано статорное  колесо, что несколько снижает  его быстроту действия. В данном случае первое колесо выполняет функции  экранной сетки.

Центральная часть вала ротора и рабочие колеса насоса изготовлены  из алюминиевого сплава, корпус насоса и другие детали, расположенные в  высоковакуумной части, — из стали  Х18Н10Т.

Основные параметры характеристики насоса ТМН-200: быстрота действия по азоту — 250 дм³/с, предельное остаточное давление — 10^-7 Па.

На рис. дан монтажный чертеж насоса ТМН-500. Двухпо- точный насос 1, отличающийся развитой всасывающей полостью большой проводимости, установлен на основании 7 с помощью четырех амортизаторов 6. Проточная часть насоса состоит из черадующихся между собой роторных и статорных колес дискового типа. Роторные колеса напрессованы на вал, который вращается на двух шарикоподшипниках, имеющих текстолитовые сепараторы. Шарикоподшипники в сборе со сферическими кольцами смонтированы на специальных упругих металлических рессорах.

 

Рис. 5. Монтажный  чертеж турбомолекулярного насоса ТМН-500

 

Заключение

Тонкие пленки широко используются в технике в качестве износо-, коррозионностойких, антифрикционных, защитно-декоративных и др. покрытий. Широкое применение они нашли  в оптике (поляризационные фильтры, светоделители, просветляющие и  др. покрытия) и в электронной  промышленности при производстве приборов и интегральных микросхем (омические  контакты, токоведущие дорожки, изготовление конденсаторов, устройства на магнитных  пленках, полупроводниковые эпитаксиальные пленки).

 

Литература

1. Свадковский И.В. «Направления развития магнетронных распылительных систем». – Минск, БГУИР, 2007.
2. Данилин Б.С., Сырчин В.К., Магнетронные распылительные системы, М.: Радио и связь, 1982.
3. Берлин Е., Двинин С., Сейдман Л., Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких пленок, М.: Техносфера, 2007.
4. Жуков В.В., Кривобоков В.П., Янин С.Н., Распыление мишени магнетронного диода в присутствии внешнего ионного пучка, Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 4.
5. Никоненко В.А., Математическое моделирование технологических процессов: Моделирование в среде MathCAD. Практикум, под ред, Кузнецова Г.Д., М.: МИСиС, 2001.
6. Майссел Л., Глэнг Р., Технология тонких пленок. Справочник, пер, с англ, под ред,, Елинсона М.И., Смолко Г.Г., М.: Советское радио, 1977.