Азаренков Н.А. - Наноматериалы (1051240), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Такой метод в литературе часто обозначают как PLD (Pulsed LaserDeposition). К примеру, так получают пленки Y2O3 – ZrO2 на кремнии дляэлектроники [35], слоистые композиты, состоящие из покрытия Sm – Feтолщиной 20 нм, подслоя Та толщиной 100 нм и кремниевой подложки[36], магнитные пленки Ni со средним размером кристаллитов 40 нм [37].Катодное распыление.
Принципиальная схема установки приведенана рис. 6.6.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 которых 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.
Катодное распыление используют в основном для получения слоев из металлических материалов.95Рис. 6.6. 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 [38]Магнетронное распыление. Схема установки приведена на рис.
6.7.Рис. 6.7. Схема магнетронной системы ионного распыления с плоским катодом:1 – изолятор; 2 – магнитопровод; 3 – система водоохлаждения;4 – корпус катодного узла; 5 – постоянный магнит; 6 – стенка вакуумнойкамеры; 7 – силовые линии магнитного поля; 8 – кольцевой водоохлаждаемыйанод; 9 – зона эрозии распыляемого катода [31]Основными элементами являются плоский катод, изготовленный изнапыляемого материала, анод, устанавливаемый по периметру катода,магнитная система (обычно на основе постоянных магнитов) и системаводоохлаждения.
Силовые линии магнитного поля, замыкаясь между полюсами, пересекаются с линиями электрического поля. Принцип действияустановки основан на торможении электронов в скрещенных электрических и магнитных полях. Известно, что на заряд, движущийся в электромагнитном поле, действует сила Лоренца, направление которой, по прави96лу сложения сил, зависит от направления ее составляющих. При этомчасть силы Лоренца, обусловленная действием магнитного поля, не совершает работы, а лишь искривляет траекторию движения частицы, заставляя ее двигаться по окружности в плоскости, перпендикулярной Е иB.
Таким образом, в магнетронных устройствах при одновременном действии электрических и магнитных полей изменяется траектория движенияэлектрона. Электроны, эмитированные катодом и образующиеся в результате ионизации, под действием замкнутого магнитного поля локализуютсянепосредственно над поверхностью распыляемого материала. Они как быпопадают в ловушку, образуемую, с одной стороны, действием магнитного поля, заставляющего двигаться электроны по циклоидальной траектории вблизи поверхности, с другой – отталкиванием их электрическим полем катода по направлению к аноду. Вероятность и количество столкновения электронов с молекулами аргона и их ионизация резко возрастают.Из-за неоднородности действия электрических и магнитных полей в прикатодной зоне интенсивность ионизации в различных участках различна.Максимальное значение наблюдается в области, где линии индукции магнитного поля перпендикулярны вектору напряженности электрическогополя, минимальное – где их направление совпадает.
Локализация плазмыв прикатодном пространстве позволила получить большую плотностьионного тока при меньших рабочих давлениях, и, соответственно, обеспечить высокие скорости распыления.Магнетронные устройства относятся к низковольтным системамионного распыления. Напряжение источника питания постоянного тока непревышает 1000 – 1500 В. При подаче отрицательного потенциала на катод между электродами возбуждается аномальный тлеющий разряд в среде аргона.
Наличие магнитной ловушки обеспечивает при одних и тех жедавлениях газа возникновение разряда при более низких напряжениях посравнению с диодными системами. Напряжение разряда составляет 300 –700 В. Магнетрон может работать в диапазонах давления рабочего газа от10 –2 до 1 Па и выше. Давление газа и индукция магнитного поля оказывают значительные влияния на характеристики разряда. Понижение давления обуславливает повышение рабочих напряжений.
В то же время длякаждой магнетронной системы существует некоторый интервал значений,обычно 10 –1 – 1 Па, в котором колебание давления не оказывает существенного влияния на изменение параметров разряда. Воздействие магнитного поля аналогично действию газовой среды. Поэтому низкие рабочиедавления в магнетронах обеспечивают увеличение индукции магнитногополя, величина которой у поверхности катода составляет 0,03 – 0,1 Тл.Повышение удельной мощности способствует стабилизации разряда в области низких давлений.Преимущества метода [31]:97– высокая скорость распыления при низких рабочих напряжениях (600 –800 В) и при небольших давлениях рабочего газа (5⋅10 –1 – 10 Па);– отсутствие перегрева подложки;– малая степень загрязнения пленок;– возможность получения равномерных по толщине пленок на большейплощади подложекНа рис.
6.8 в качестве примера приведены фотоснимки электронноймикроскопии рельефа поверхности и поперечного скола ZnO-образцов,полученных магнетронным распылением. Плотноупакованные кристаллыZnO в слои параллельны плоскости подложки (рис. 6.8а) и обладаютотносительно невысокой величиной шероховатости поверхности(рис. 6.8б). Фотографии микрорельефа поверхности и поперечного сколаисследованных образцов, а также данные их рентгенофазового анализаподтверждают факт высокого оптического качества кристаллическихZnO-пленок.Вакуумно-дуговое осаждение.
Метод основан на создании с помощью вакуумной дуги потока высокоионизированной металлической плазмы испаряемого материала [29]. Подача на подложку высокого отрицательного потенциала обеспечивает эффективную очистку путем распыления ее поверхности ионами осаждаемого материала, активацию, диффузию атомов в подложку. Это обеспечивает высокую адгезию материалапокрытия к подложке по сравнению с магнетронным методом. Напуск реакционного газа в вакуумную камеру позволяет получать покрытия на основе соединений, обладающие высокими физико-механическими свойствами.
Существенным отличием вакуумно-дугового метода от магнетронного является наличие в плазменном потоке капель испаряемого материала, что влияет на структуры покрытий, вводя в нее дополнительные искажения, границы, поры. Для уменьшения капельной составляющей созданцелый ряд плазменных фильтров.Рис. 6.8. Фотографии микрорельефа (х50000) ZnO-пленки, полученноймагнетронным распылением: а – вертикальных сечений; б – поверхности [39]98Очередным шагом в развитии вакуумно-дуговой технологии является осаждение покрытий с плазменной ионной имплантацией в процессенанесения [42]. Метод плазменной ионной имплантации при осажденииреализуется при следующей типичной электрической схеме приложения кподложке постоянного отрицательного потенциала и однополярного отрицательного импульсного потенциала с изменяемой частотой и амплитудой(рис.
6.9).На рис. 6.10 показана типичная временная зависимость комбинированного потенциала, позаимствованная из работы [40]. При этом потенциалобрабатываемого объекта является суперпозицией постоянного отрицательного потенциала и отрицательного импульсного потенциала.Первым и пока самым главным достижением новой технологии сталосущественное снижение температуры синтеза TiN покрытий до 100 –150° C.
Благодаря этому стало возможным наносить покрытия нитрида титана на все типы конструкционных и инструментальных сталей, включая и темарки, которые имеют низкие температуры отпуска.Метод (Рlasma-Based Ion Implantation and Deposition или PBII&D)обеспечивает самую высокую адгезию из всех ныне известных PVD способов осаждения. Высокая адгезия обеспечивается за счет формирования тонкого переходного слоя между подложкой и поверхностью, а не промежуточного слоя, как было ранее.Рис. 6.9.
Схема включения постоянного отрицательногои импульсного потенциалаНовый метод позволяет эффективно управлять в покрытиях величиной сжимающих напряжений в условиях низкотемпературного синтеза.Ионная имплантация даже при относительно небольших энергиях (0,5 –5 кэВ) может эффективно использоваться для уменьшения внутренних напряжений, которые находятся в зависимости от произведения амплитудыимпульсов на частоту их следования. Увеличивая значение этого произведе99ния можно уменьшить внутренние напряжения в покрытиях TiN до уровня1 ГПа. При подаче, в процессе осаждения покрытия постоянного отрицательного смещения 75 В, отрицательных импульсов амплитудой 5 кВ длительностью 1 – 3 мкс частотой следования 1 – 2 кГц, были получены TiNпокрытия с микротвердостью 21 ГПа и внутренними напряжениями 0,9 –2,9 ГПа.Рис. 6.10.
Временная зависимость суперпозиции постоянногои импульсного потенциалов [40]Для увеличения износостойкости изделий важной характеристикойпокрытия является его твердость. Анализ процессов, происходящих в покрытии при ионной имплантации в процессе его осаждения, указывает навозможность получения сверхтвердых TiN покрытий при температурахподложки около 100° С.Для нанесения покрытий в условиях ионной бомбардировки (имплантации) был создан технологический комплекс [41] на базе вакуумнодугового метода (рис. 6.11). Для дополнительной химической активациимолекулярного газа при подаче в вакуумную камеру его пропускали черезцилиндрическую кварцевую разрядную камеру, в которой с помощью ВЧгенератора генерируются периодически повторяющиеся искровые разряды, обеспечивающие появление ударной волны, которая сжимает и нагревает газ по оси разрядной камеры, в результате чего происходит диссоциация молекулярного газа.После диссоциации молекулярного газа атомарный газ, выходя изразрядной трубки, адиабатически расширяется в технологическом объемебез рекомбинации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
