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).