71583

ДУГОВОЙ НАГРЕВ ПРИ ТВИ

Лекция

Производство и промышленные технологии

На НМ 5 - анод подается «+» от ИП 2 высокого напряжения - для его ЭЛ нагрева на начальной стадии процесса и от ИП 3 низкого напряжения - для поддержания ДР 6 после его зажигания. Электронный луч не только плавит и испаряет НМ, но и ионизирует поток пара...

Русский

2014-11-09

119 KB

0 чел.

Лекция 2

ДУГОВОЙ НАГРЕВ ПРИ ТВИ

1. Анодная форма дуги (ДР прямой полярности –
фиксация анода на поверхности испаряемого материала - ИМ)

В основу способа положена (рис. а) конструкция ЭЛИ – пушки с кольцевым термокатодом 8 (источник питания ИП 1).

На НМ 5 - анод подается «+» от ИП 2 высокого напряжения - для его ЭЛ нагрева на начальной стадии процесса и от ИП 3 низкого напряжения - для поддержания ДР 6 после его зажигания.

Электронный луч не только плавит и испаряет НМ, но и ионизирует поток пара (на поверхности ИМ возникает свечение), создавая условия для возбуждения несамостоятельного ДР.

Для облегчения зажигания ДР используют напуск в камеру рабочего газа (Ar) через натекатель 12, а затем его напуск прекращают и далее разряд горит только в парах НМ при Рк = 10-3÷10-2 Па, Iд ≈ 150 А, Uд = 30÷70 В (мощ-ть ДР - до 10 кВт).

Способ обеспечивает высокую Gн (как при ЭЛИ) и ni до 100 %, Благодаря последнему появляется возможность ускорять НЧ 11 в направлении к НП 9 с помощью ИП 2 высокого напряжения, «–» которого переключается с термокатода 8 на НП 9 (рис. а).

Так проводят очистку и активацию НП, что позволяет формировать покрытие с высокими сц и без дополнительного нагрева НП.

2. Катодная форма дуги (ДР обратной полярности – фиксация катода на поверхности ИМ)

В камере создается Рк = 10-3÷10 Па. Между ИМ-катодом 1 и медным водоохлаждаемым анодом 2 (рис. б), расстояние между которыми составляет 50÷100 мм, возбуждается ДР 5 с помощью силового ИП 3 (Iкз - до 300 А, Uxx = 60÷80 В).

Для зажигания ДР, который горит в парах НМ - потоке НЧ 12, используют вспомогательные электроды или плавкие вставки. Для стабилизации ДР 5 в пределах катода 1 служит электромагнитная катушка 4.

При средней плотности тока на катоде 1 i = 1÷20 А/см2, в отдельных катодных пятнах ДР i = 105÷107 А/см2 (при частоте их возникновения - того же порядка). Таким образом, ДР самопроизвольно выполняет роль импульсного источника теплоты.

Устойчивость ДР зависит от того, как испаряется НМ при мощностях, выделяемых в отдельных катодных пятнах (107÷108 Вт/см2). Распределение пятен по поверхности катода описывается законом Гаусса, а их перемещение со V = 10-1÷100 м/с носит броуновский характер. Отталкиваясь друг от друга, они движутся к периферии катода. 

Необходимым условием дугового испарения НМ являются большие мощности, выделяемые в катодных пятнах, и высокое давление пара Рn над ними («катодные струи»). Для уменьшения количества конденсированной фазы в потоке НЧ ИМ-катод 1 охлаждают водой 6.

Анодные пятна перемещается по поверхности анода 2 со скоростью ~104 м/с, что в значительной мере предохраняет его от эрозионного разрушения. 

Пары НМ, проходя через ДР, ионизируются до ni = 20÷90 %. Это позволяет ускорять поток ионизированных НЧ 12 по направлению к НП 10 путем подачи на нее «-» потенциала от высоковольтного ИП 7 (с возможностью регулирования напряжения в широких пределах) или за счет электромагнитного воздействия холловских торцевых ускорителей 8.

Особенности технологии. Сначала проводят очистку НП при подаче U на ИП 7 - до нескольких кВ. После этого напряжение понижают до 25÷100 В, после чего начинается конденсация НЧ на НП.

Для получения химических соединений в Пк (нитридов, оксидов, карбидов) через натекатель 9 в рабочую вакуумную камеру 13 при Рк  10-2 Па подают соответствующий активный газ (N2, O2, CO).

В процессе ВН Пв растущего конденсата (формируещегося Пк) непрерывно бомбардируется положительными ионами, что приводит к частичному распылению, увеличению Тнп, активации химических реакций. Поэтому этот способ иногда называют конденсацией с ионной бомбардировкой (КИБ), он реализуется на установках типа «Булат» и применяется для получения износостойких (ИС) Пк на основе карбидов и нитридов тугоплавких металлов, например, нитрида титана.

Параметры потока НЧ при L = 200÷350 мм:
N = 1020÷1021 ч-ц/см2·с, W = 5÷40 эВ, Vч = 103÷105 м/с.

Основное достоинство катодной формы дуги – высокое качество Пк, особенно сц. Основным недостатком способа является образование конденсированной (капельной) фазы в потоке НЧ (до 10 %), которую приходится отделять с помощью специальных устройств (магнитный остров и др.).

ИОННОЕ РАСПЫЛЕНИЕ

ИР – метод напыления в вакууме, реализующийся за счет распыления НМ-катода (распыляемый материал - РМ) под действием бомбардировки ускоренными положительными ионами рабочего газа (поэтому иногда этот процесс называют катодным распылением) и последующей конденсации распыленных атомов НМ на НП в виде Пк.

В качестве рабочего газа чаще всего используют Ar, который подают в предварительно откачанную вакуумную камеру через специальный натекатель до Рк = 10-1÷1 Па. Если дополнительно к рабочему подаются активные газы (N2, O2, CO и т. п.), то говорят о РВН.

Поток бомбардирующих РМ-катод положительных ионов рабочего газа вытягивается чаще всего из плазмы ТР. Одновременно с распылением катода-мишени ионы выбивают из нее вторичные электроны (вторичная ионно-электронная эмиссия - ВИЭЭ), что способствует поддержанию тлеющего разряда.

Продуктами ионного распыления являются, главным образом, нейтральные частицы, и ni потока НЧ составляет всего ~1 %.

Процесс ионного распыления Пв катода-мишени может происходить двумя основными путями:

  1.  механическим выбиванием атомов из поверхностных слоев кристаллической решетки в результате прямой передачи им механического импульса от бомбардирующих ионов (так называемый биллиардный эффект);
  2.  созданием определенных («невыносимых») условий для атома в объеме кристаллической решетки в зоне удара бомбардирующего иона, выталкивающих его из более глубоких слоев кристаллической решетки.

Сам бомбардирующий положительный ион рабочего газа нейтрализуется на катоде и возвращается в объем вакуумной камеры.

Для инициирования процесса ИР необходимо, чтобы энергия бомбардирующего иона Ei была выше некоторого порогового значения Eiп, которое для большинства материалов составляет 15÷30 эВ.

По мере увеличения энергии ионов процесс ИР интенсифицируется: наблюдается выход распыленных атомов из кристаллической решетки с глубины до 8 нм (~20 атомных слоев).

Эффективность ИР оценивается коэффициентом распыления S [атом/ион], который равен отношению числа распыленных атомов Nа к числу ионов Ni, принявших участие в бомбардировке:

S = Nа /Ni.

S также можно выразить через потерю массы РМ m, ионный ток j и продолжительность ИР :

S = k(m/A·j·),

где А – атомная масса рабочего газа (Ar), k – коэффициент пропорциональности.

S определяется, в основном, природой РМ и рабочего газа и энергией бомбардирующих ионов Ei (она должна быть выше пороговой Eiп). На графике зависимости S от Ei можно выделить 5 областей (рис. а).

Область I (<10 эВ) – допороговая, ионного распыления практически нет.

В околопороговой области II (10÷100 эВ) при Ei  Eiп начинается ионное распыление.

В области III (100÷1000 эВ) при Ei > 100 эВ S резко возрастает.

В области IV (1÷10 кэВ), при дальнейшем повышении Ei, S достигает максимума.

В области V (>10 кэВ) S начинает уменьшаться, т. е. ионное распыление тормозится, т. к. большая часть энергии бомбардирующих ионов рассеивается внутри РМ (начинается ионная имплантация).

Наибольший практический интерес представляет область III с Ei =200÷500 эВ.

S также зависит от – угла падения ионов относительно нормали к поверхности РМ-мишени: с увеличением до 60° S повышается до максимума, а затем уменьшается (см.).

По сравнению с ТВИ при ИР энергия НЧ (распыленных атомов) выше в 50÷100 раз.

В целом, на практике ионное распыление можно проводить двумя путями:

1) с использованием тлеющего разряда, функционирующего в среде рабочего газа вакуумной камере, как источника ионов (ионно-плазменное распыление);

2) с применением автономных ионных источников (ионных пушек) в условиях высокого вакуума (ионно-лучевое распыление).

Ионно-плазменное распыление (ИПР)

Существуют различные схемы ИПР: диодная, высокочастотная, триодная, магнетронная

Диодная схема ИПР (рис. б).

РМ-мишень 1 в виде пластины (диска) толщиной несколько миллиметров и поверхностью по возможности близкой по форме к НП укрепляют на водоохлаждаемом катоде 2.

Анод 3 располагают в 3-5 см от катода и вместе с корпусом камеры и экраном заземляют.

Процесс ИПР ведут в ТР (обычно в Ar) при Рк = 1÷10 Па и разности потенциалов между анодом и катодом U = 3÷10 кВ,
при этом
ji = 0,1÷5 мА/см2.

Достоинства диодной схемы:

  1.  большая площадь мишени позволяет получать равномерные по толщине Пк на большой по размерам НП;
  2.  мишень источник НМ работает долго, что облегчает автоматизацию процесса ИПР;
  3.  большая W НЧ обеспечивает хорошую σсц Пк с НП.

Недостатки диодной схемы:

  1.  Vр и соответственно Vн вследствие малой эффективности ионизации рабочего газа (Ar) невелики: Vн = 0,2÷2 нм/с;
  2.  образующиеся вторичные электроны бомбардируют НП, что может приводить к ее перегреву и, следовательно, к необходимости ее охлаждения;
  3.  для поддержания ТР необходимо относительно высокое Рк (до 10 Па) Ar, что повышает вероятность загрязнения Пк остаточными газами;
  4.  при таком высоком Рк из-за малых lсп возникает хаотичный поток НЧ, что приводит к эффекту подпыления при использовании свободных масок.

Диодную схему ИР применяют в основном в производстве интегральных микросхем (ИМС). Для защитных Пк эта схема неэффективна.

Разновидностью диодной схемы является высокочастотное ионное распыление ВЧИР (на стандартной частоте f = 13,56 МГц). Оно применяется для напыления тонких диэлектрических пленок, при этом РМ – диэлектрик располагают на токопроводящем электроде.

Обычные способы катодного ИР на постоянном токе не позволяют напылять Пк из диэлектриков, т. к. на поверхности РМ (диэлектрика) накапливается положительный заряд. В результате этого электрическое поле концентрируется вблизи РМ, а не в разрядном промежутке, и ТР гаснет.

При ВЧИР этот положительный заряд нейтрализуется электронами в положительный полупериод подачи напряжения на электрод («+» на РМ), а диэлектрик распыляется в отрицательный полупериод (рис. в).

Повышение эффективности ионизации атомов рабочего газа (по сравнению с диодной схемой) достигается в триодной схеме ИПР за счет увеличения времени нахождения электронов в межэлектродном (разрядном) промежутке. При этом используется более низковольтный тлеющий разряд. Для этого в схему вводят вспомогательный термокатод 1 (рис. а), который является дополнительным источником электронов. Разряд между ним и анодом 2 возбуждают, прикладывая между ними разность потенциалов 1÷2 кВ, которая после зажигания ТР может быть снижена до 50÷100 В.

Для большей эффективности ионизации атомов рабочего газа электронам придают сложную траекторию движения в межэлектродном промежутке (например, по спирали) с помощью электромагнитной катушки 3, причем, в отличие от электронов, на тяжелые положительные ионы магнитное поле воздействует слабо. В результате этого возрастает эффективный пробег электронов, и повышается ni рабочего газа. Вспомогательный катод 1, анод 2 и катушка 3 составляют так на

зываемый «генератор плазмы».

НП 6 располагают вблизи плазмы или погружают в нее. На РМ (холодный катод) 4 подается отрицательный потенциал 0,7÷1 кВ, который не влияет на разряд и плазму, но вытягивает из нее и ускоряет положительные ионы Ar+ по направлению к РМ-мишени.

В процессе ИР на анод подается положительный потенциал относительно НП, что отводит вторичные электроны от нее и уменьшает опасность ее перегрева.

Хотя процесс ведут при относительно низком Рк  10-1 Па, производительность ИР по сравнению с диодной схемой повышается в несколько раз.

Магнетронная схема ИПР обеспечивает дальнейшее повышение плотности ионного тока ji и, как следствие, производительности распыления.

Типовой источник бомбардирующих ионов рабочего газа – кольцевой планарный магнетрон приведен на рис. б. Под РМ (катодом) 1 в водоохлаждаемом корпусе 5 на магнитопроводе 4 из магнитомягкого материала расположены периферийные 2 и центральный 3 постоянные магниты, которые образуют кольцеобразное магнитное поле . Водяное охлаждение 8 катода 1 предотвращает его перегрев. Над катодом 1 помещают кольцевой анод 6.

При приложении разности потенциалов 300÷700 (до 1000) В между катодом и анодом возбуждается ТР. Силовые линии электрического поля  ортогональны линиям магнитного поля  (скрещивающиеся поля). Электроны под воздействием силы Лоренца (правило левой руки) в скрещивающихся электрическом и магнитном полях движутся по циклоидальным траекториям в прикатодной области (см.). В области их максимальных энергий (скоростей) они ионизируют рабочий газ (Ar), и над поверхностью катода 1 формируется торообразная зона плазмы ТР 7. Из нее по направлению к катоду-мишени вытягиваются и ускоряются ионы Ar+, которые бомбардируют и распыляют мишень. Вторичные электроны «попадают» на анод 6, что практически исключает бомбардировку НП и ее перегрев.

Благодаря сложному циклоидальному движению электронов, ni рабочего газа в области ТР составляет 20 %, что значительно выше, чем для триодной и тем более диодной схемы ИПР, а ji достигает 1020 мА/см2 при Рк = 10–2 Па. Vр приближается к ЭЛИ или дуговому ТВИ, а Vн достигает 100200 нм/с.

Достоинства магнетронной схемы:

1) высокая Gн; 2) низкое Рк; 3) отсутствие нагрева НП вторичными электронами; 4) снижение Uраб в низковольтную область – до 1 кВ;

К недостаткам магнетронной схемы можно отнести то, что ионному распылению подвергается только узкая кольцеобразная зона мишени и поэтому Км = 2540 % (см.).

Современные магнетронные системы со специальными мишенями позволяют напылять в вакууме Пк на НП сложной формы, типа наружных или внутренних цилиндрических. Магнетронные системы широко применяются для нанесения как защитных Пк, так и тонких пленок при производстве всех типов ИМС.

Ионно-лучевое распыление (ИЛР)

ИЛР основано на использовании автономных ионных источников контролируемой энергии для распыления мишени в условиях глубокого вакуума. В рабочей камере нет разряда и, соответственно, нет необходимости повышать Рк.для его поддержания

На рис. в представлена схема ионной пушки, расположенной вне глубоко вакуумированной рабочей камеры. Электроны, эмитируемые термокатодом 1, ускоряются по направлению к аноду 2, ионизируя по пути рабочий газ (Ar). Поле, создаваемое магнитной системой 3, удлиняет их траекторию, увеличивая ni рабочего газа.

Система ускорения и фокусировки 4 позволяет получать моноэнергетический пучок ионов Ar+. При распылении нейтральной мишени, например диэлектрика, для нейтрализации положительного заряда предусматривается источник низкоэнергетических электронов 5.

При ИЛР ji может достигать 30 мА/см2 при Uуск порядка 1000 В. Метод ИЛР применяется в основном для лабораторных исследований, например закономерностей распыления различных материалов.

Некоторые параметры ИР и их влияние
на эффективность процесса ВН

РМ. Максимальные S характерны для атомов с заполненными электронными d-оболочками – это Cu, Ti, Ag и т. д. Мишень-катод должна быть максимально чистой по составу.

Рабочий газ. Максимальные S характерны для атомов рабочего газа с заполненными электронными d-оболочками (Cu+, Ti+, Ag+ и т. д.), а также – p-оболочками (Xe, Kr, Ar, Ne), причем, чем тяжелее ион, тем больше S.

Мощность ТР. С ее увеличением и соответственно ростом ji увеличивается Gн.

Давление. С увеличением Рк растет ji и, до определенных пределов, Gн.

Дистанция напыления. При L = 40÷150 мм Км приближается к 100 % (за исключением магнетронной схемы), с уменьшением L уменьшаются ji и Vр.

Параметры потока НЧ: N = 1014÷1016 (ч-ц/см2с) - для диодной схемы и 1020÷1022 – для магнетронной; ni НЧ для диодной и триодной схемы ~1 %, для магнетронной ~20 %; W НЧ зависит от Ei и может достигать 200 эВ. W НЧ растет при уменьшении угла падения ионов  (см.).

Преимущества ИР: 1) получение Пк из НМ практически без изменения их состава; 2) высокий Км (за исключением магнетронной схемы); 3) высокая Gн при использовании магнетронной схемы; 4) высокая W НЧ; 5) отсутствие конденсированной (капельной) фазы в потоке НЧ.

Недостатки ИР: 1) низкий КПД (~1 %) – большая часть энергии идет на нагрев РМ; 2) недостат-я ni потока НЧ (дуга − до 100 %).

Реактивное вакуумное напыление (РВН)

Пк из некоторых химических соединений не могут быть получены обычным ВН, т. к. происходит их разложение при испарении или распылении. С помощью РВН можно получать такие соединения (оксиды, нитриды, карбиды и др.), подбирая соответствующие НМ и активный рабочий газ (O2, N2, CO и др.).

При РВН в рабочую камеру в процессе испарении или распыления НМ вводят дозированное количество этих активных газов. При этом необходима их тщательная очистка, а также отсутствие натекания извне и газовыделения с внутренних стенок рабочей камере.

Недостаток РВН – возможность осаждения при ИР синтезируемых соединений на катоде-мишени. Чтобы химические реакции проходили только на НП, доля активного газа в рабочем не должна превышать 10 %, остальное – Ar.

Высокое Рк при РВН увеличивает вероятность диффузионного рассеяния НЧ и ионов, и покрытие осаждается даже на «затененных» участках изделия, однако это способствует получению равномерных по толщине покрытий на относительно сложных по форме НП.

Используя Si в качестве РМ, можно получать SiO2 (активный газ - O2) и Si3N4 (активный газ - N2), используя TiTiN (активный газ - N2) и т. д.

Качество покрытий существенно зависит от постоянства процентного содержания активного газа в рабочей смеси. Напуск газов можно производить двумя способами:

  1.  оба газа (Ar и активный газ) напускают из отдельных баллонов, строго контролируя их расход и Р;
  2.  вводят заранее подготовленную смесь газов.

РВН можно проводить с использованием всех ранее рассмотренных методов ВН (ТВИ или ИР).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

63412. ВЫБОР СУБД 404 KB
  Оптимизацию этих расходов можно произвести через правильный выбор СУБД. Выбор СУБД представляет собой сложную многопараметрическую задачу и является одним из важных этапов при создании БД.
63414. Мультиплексирование по времени 162.82 KB
  Принцип временного объединения каналов удобно пояснить с помощью коммутаторов в виде синхронно вращающихся распределителей на передающей и приемной стороне рисунок...
63417. Рынок. Основные проблемы и цели рыночной организации. Функции рынка. Виды рынка 95 KB
  Первоначально рынок рассматривался как базар место рыночной торговли рыночная площадь. Это объясняется тем что появился рынок в период разложения первобытно-общинного общества когда устанавливается более или менее регулярный обмен между общинами.
63419. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ CASE–ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БД 630 KB
  Помимо этого представляется весьма важным для любой компании иметь возможность повторного использования уже существующих элементов архитектуры и дизайна а также ранее созданных и скомпонованных программных и системных наработок включая элементы модели и ранее полученный код.
63420. Механизм саморегулирования рынка. Рыночный механизм и его элементы. Спрос. Факторы изменения спроса 151.5 KB
  Система цен в рыночной экономике играет роль основной организующей силы. Цена - это ориентир для продавца (производителя) и покупателя (потребителя). Растет цена - это сигнал к расширению производства, падает - сигнал к сокращению. В цене находят отражение все три подхода к установлению...