Ионноплазменный метод повышения износостойкости инструмента и деталей машин

     СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ

2. ИОННОЕ ОСАЖДЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

3. РЕАКТИВНОЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ НАНЕСЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

4. РАЗНОВИДНОСТИ ПРОЦЕССА ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ ПЛЕНОК

4.1 УСТРОЙСТВА КАТОДНОГО РАСПЫЛЕНИЯ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ

4.2 ТРИОДНЫЕ УСТРОЙСТВА ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ

4.3 УСТРОЙСТВА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАСПЫЛЕНИЯ

4.4 МАГНЕТРОННЫЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

4.5 ИОННО-ЛУЧЕВОЕ РАСПЫЛЕНИЕ

5. ИОННО-ЛУЧЕВОЕ ОСАЖДЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК

5.1 ОСАЖДЕНИЕ  ТОНКИХ ПЛЕНОК ИЗ ИОННЫХ ПУЧКОВ

5.2 РЕАКТИВНЫЙ  ИОННО-ЛУЧЕВОЙ СИНТЕЗ ТОНКИХ ПЛЕНОК

6. ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ НАПЫЛЕНИЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

      ВВЕДЕНИЕ 

     Получение высококачественных тонких пленок металлов, диэлектриков и полупроводников  является одной из актуальных задач  технологии изготовления различных  элементов микроэлектроники.

     До 70-х годов XX века для получения  тонких пленок использовался в основном термовакуумный метод (испарение и  конденсация вещества в высоком  вакууме), который характеризуется  простотой и высокими скоростями осаждения, но не обеспечивает достаточной  воспроизводимости свойств пленок в особенности при осаждении  веществ сложного состава. Кроме  того, в процессе испарения материалов (особенно с низкой теплопроводностью) может происходить вылет крупных  частиц, что является причиной появления  поверхностных дефектов и нарушения  непрерывности пленочного покрытия.

     Расширение  номенклатуры материалов, используемых при получении элементов микроэлектроники, и тенденция перехода к непрерывным  технологическим процессам вызвали  интенсивное развитие ионно-плазменных процессов осаждения тонкопленочных слоев.

     Существующие  в настоящее время методы осаждения  тонких пленок с использованием низкотемпературной плазмы и ионного луча дают возможность  получать пленки различных материалов (в том числе тугоплавких и  многокомпонентного состава), которые  практически невозможно получить термовакуумным методом. Ионно-плазменные методы осаждения  пленок дают возможность создания установок  и линий непрерывного действия и  позволяют осуществить полную автоматизацию  всего цикла получения покрытия. Развитие ионно-плазменных процессов  получения тонких пленок идет в направлении  повышения качества пленок (снижение загрязнений и радиационных дефектов) и повышения производительности процессов.

     В основе метода положен принцип осаждения  частиц (атомов, ионов, кластеров) на поверхности  изделий в вакууме из плазмы, генерируемой тем или иным способом. При этом объемные свойства обрабатываемых изделий  не нарушаются, а изменяются свойства поверхности, придавая ей требуемые  функциональные характеристики.

     В отличие от других способов получения  покрытий (гальванический, лакокрасочный) данный метод выгодно отличается экологической чистотой и возможностью получения широкого спектра покрытий различных как по составу, так  и структуре.

     Вакуумно  ионно-плазменный метод относится  к области высоких технологий и находит самое широкое применение в современном производстве. 

1. ХАРАКТЕРИСТИКА  ПРОЦЕССА ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ

     В процессах ионно-плазменного нанесения  осаждаемый на подложку материал получают путем распыления твердотельной  мишени энергетическими ионами. Одним  из важнейших отличий ионно-плазменного  нанесения от термовакуумного является высокая энергия распыленных  частиц (3-5 эВ) по сравнению с испаренными (0,15 эВ при Т_исп 2000 К), что позволяет осаждающимся частицам частично внедряться в подложку, обеспечивая высокую адгезию пленки к подложке. Кроме того, ионно-плазменное нанесение обладает еще целым рядом достоинств:

• возможность получения пленок тугоплавких и неплавящихся материалов, поскольку процесс распыления не требует расплавления материала;
• сохранение стехиометрического состава пленок при осаждении многокомпонентных материалов;
• высокая энергия осаждаемых частиц обеспечивает снижение минимальной температуры эпитаксиального роста;
• возможность получения пленок различных соединений (например, окислов или нитридов) при введении в газоразрядную плазму химически активных (реактивных) газов;
• возможность очистки подложки и растущей пленки ионной бомбардировкой до, в процессе и после окончания процесса нанесения.

     В ионно-плазменном процессе распыляемая  мишень и подложка находятся непосредственно  в газоразрядной плазме. Поэтому  формирование пленок в процессе ионно-плазменного  нанесения протекает в сложных  условиях из-за сравнительно высокого рабочего давления (до 10 Па), неопределенности энергии ионов и распыленных частиц.

     При ионно-лучевом нанесении распыляемая  мишень и подложка находятся вне  плазмы. Распыление мишени осуществляется пучком ионов, направляемым на мишень из автономного источника. Поскольку  в этом случае на мишень и подложку не воздействуют другие частицы и  излучение плазмы, то ионно-лучевое  нанесение можно рассматривать  как некую идеализацию ионно-плазменного  нанесения.

     Для того чтобы проанализировать ионно-плазменный процесс нанесения пленок целесообразно  разделить его на три основных этапа:

• распыление материала мишени,
• перенос распыленного материала в пространстве мишень – подложка,
• осаждение материала на подложке.

2. ИОННОЕ  ОСАЖДЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

     Ионным  осаждением называется процесс, в котором  осаждение материала сопровождается бомбардировкой ионами инертного газа или ионами осаждаемого материала. Таким образом на поверхности  подложки протекают два противоположно направленных процесса: осаждение пленки материала и бомбардировка ее ионами.

     В результате ионной бомбардировки происходит распыление и активация поверхности  подложки и осаждаемой пленки, что  повышает плотность центров конденсации  частиц осаждаемого материала, т.е. ионная бомбардировка влияет на процесс  зародышеобразования и кинетику роста пленки. Кроме того при ионной бомбардировке происходит разогрев подложки и осаждаемой пленки. Распыление и разогрев способствуют увеличению десорбции загрязняющих пленку атомов и молекул газа.

     Ионно-плазменное нанесение с ионной бомбардировкой подложки обеспечивается подачей на нее отрицательного электрического потенциала (до 200–300 В). Ионная бомбардировка  может производиться до начала, во время и после окончания процесса нанесения.

     Различают два способа ионного осаждения  материала.

     Первый, когда материал и бомбардирующие ионы поступают на подложку одновременно – так называемый постоянный режим  ионного осаждения.

     Второй, когда потоки ионов и материала  или, по крайней мере, один из них  поступают на подложку периодически – чередующийся режим ионного  осаждения.

     Свойства  пленок, получаемых в обоих видах  ионного осаждения практически  не отличаются. В то же время чередующийся режим позволяет получать большие  скорости осаждения на больших по размеру поверхностях подложек, т.е. этот режим обеспечивает большую  производительность.

     Основными параметрами, характеризующими процесс  ионного осаждения, являются энергия  ионов и отношение J_i / J_a, где J_i и J_a – потоки ионов и атомов на поверхности подложки. Энергетика процесса конденсации материала, следовательно, кинетика роста пленки может регулироваться в широких пределах изменением отношения J_i / J_a и энергии ионов. 

3. РЕАКТИВНОЕ  ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ НАНЕСЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

     Реактивное  ионно-плазменное нанесение предусматривает  использование химически активных (реактивных) газов, способных вступать в химическое взаимодействие с материалом распыляемой мишени, для направленного  изменения состава получаемых пленок. Для получения пленки заданного  состава используется эффект повышения  химической активности молекул реактивного  газа в электрическом разряде  и энергетической активации поверхности  осаждаемой пленки. Реактивным ионно-плазменным нанесением получают пленки окислов (реактивный газ кислород), нитридов (газ азот), карбидов (газ метан). Заменой реактивного  газа и регулированием его парциального давления можно изменять состав получаемых пленок.

     На  каком этапе процесса нанесения  происходит образование химического  соединения из атомов распыляемого материала  и реактивного газа в значительной степени определяется интенсивностью распыления мишени, скоростью осаждения, парциальным давлением реактивного  газа, геометрией устройства распыления, а также температурой подложки.

     Для различных материалов в различной  степени существует вероятность  того, что формирование соединения будет происходить на распыляемой  мишени. В этом случае будет распыляться  не чистый материал, а его соединение. Например, при ионно-плазменном нанесении  окислов металлов существует некоторое  критическое давление кислорода, при превышении которого происходит окисление распыляемой мишени. При давлении кислорода выше критического скорость окисления превышает скорость распыления материала мишени. Критическое давление соответствует резкому падению скорости распыления, поскольку коэффициенты распыления окислов, как правило меньше, чем чистых металлов. Это определяется более высокой энергией связи атомов в окислах. Так, у титана энергия связи Тi – Тi равна 4,9 эВ, а энергия связи Тi – О 6,8 эВ. У алюминия энергии связи Al – Al и Al – О равны соответственно 3,2 и 19,2 эВ. Аналогичные зависимости наблюдаются и при использовании азота в качестве реактивного газа, причем реактивность молекулярного азота проявляется лишь в условиях плазмы.

     Образование соединения на мишени в процессе реактивного  распыления не означает, что образовавшееся соединение затем переносится на подложку в сформированном виде. Обычно при распылении происходит фрагментация соединения на атомы. Перенос материала  в виде молекул возможен только для  соединений, молекулы которых имеют  очень прочные связи. Образование  химического соединения на поверхности  мишени не происходит, если скорость распыления высока, так как в этом случае материал мишени распыляется прежде, чем произойдет образование соединения.

     Вероятность формирования химического соединения на этапе переноса распыленного материала  в пространстве мишень – подложка очень мала вследствие низкой плотности  потока распыленного материала и  относительно низкой плотности молекул  реактивного газа.

     Экспериментальные данные позволяют сделать вывод, что в большинстве случаев  протекание химических реакций наиболее вероятно непосредственно на подложке. Например, процесс окисления на подложке будет происходить всегда, даже при  давлениях кислорода ниже критического для данного материала, так как  на подложку поступает распыленный  материал и активированные молекулы реактивного газа, а процесс распыления не происходит или незначителен.

     Стехиометрия  пленок, получаемых при реактивном ионно-плазменном нанесении, зависит  от относительной концентрации реактивного  газа в смеси с инертным и от температуры подложки. Поиск условий  нанесения соединений осуществляется экспериментально при умеренных скоростях осаждения и температурах подложки 300–500 К.

4. РАЗНОВИДНОСТИ ПРОЦЕССА ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ ПЛЕНОК

1. Устройства  катодного распыления на постоянном токе

     Устройства  ионного распыления на постоянном токе используются только для распыления мишеней из материалов с достаточно высокой электропроводностью (металлов и сплавов).

     В наиболее простом случае ионное распыление производят в тлеющем разряде  инертного газа с помощью диодной  системы (катодное распыление), где  мишень из распыляемого материала является катодом, а держатель подложки –  заземленным анодом (рис. 1). 

     1 – высоковольтный ввод; 2 – экран  катода; 3 – катод; 4 – подложка;

     5 – анод; 6 – натекатель для  рабочего газа; 7 – патрубок к  откачной

     системе; 8 – протяженность катодной области  разряда. 

     Для тлеющего разряда характерно наличие  двух резко различающихся областей: небольшой по протяженности катодной области, в которой сосредоточено падение потенциала значительной величины, называемое катодным падением потенциала, и области столба разряда, представляющего собой плазму с хорошей электропроводностью, а потому сравнительно малым перепадом потенциала на нем. Катодная область состоит из следующих участков: 1 – первого катодного темного пространства; 2 – первого катодного свечения; 3 – второго темного катодного пространства; 4 – катодного тлеющего свечения; 5 – фарадеева темного пространства. Для поддержания тлеющего разряда необходимы лишь его катодные участки (1 – 4), обеспечивающие ионизацию газа. Столб разряда и фарадеево темное пространство играют пассивную роль проводника с хорошей электропроводностью, соединяющего катодную область с анодом. Весьма характерным для тлеющего разряда является то, что при уменьшении расстояния между анодом и катодом уменьшается лишь протяженность столба разряда, пока он не исчезает совсем. Катодные участки разряда при этом не изменяются.

     В качестве рабочего газа обычно используют аргон. В процессе ионного распыления в диодной системе катод выполняет  две функции: является источником электронов для поддержания тлеющего разряда  и источником распыляемого материала. Рабочее напряжение в такой системе 1 – 3 кВ и давление до ~ 10 Па. Высокое  напряжение и относительно высокое  давление являются причиной основных недостатков диодной системы. Высокое  напряжение определяет интенсивный  нагрев подложки и пленки в результате бомбардировки высокоэнергетическими  вторичными электронами и образование  радиационных дефектов в формируемых  структурах, а относительно высокое  давление в системе повышает вероятность  загрязнения пленки. В диодных  системах достигаются относительно малые скорости распыления мишеней (0,02 – 0,03 мкм/мин). 

2. Триодные  устройства ионно-плазменного  нанесения

     В триодных устройствах ионно-плазменного  нанесения распыляемая мишень, на которую подается отрицательный (относительно плазмы) потенциал, является третьим  электродом, а не катодом, т.е. триодная система содержит три независимо управляемых электрода: катод, анод и распыляемую мишень (рис. 2). Подложка располагается напротив мишени. 

     Рис. 2. - Схема триодного устройства ионно-плазменного  нанесения:

     1 – мишень из распыляемого материала; 2 – анод; 3 –подложка;

     4 – магниты; 5 – термокатод. 

     Ионы  инертного газа, участвующие в  разряде между анодом и катодом, вытягиваются из плазмы, увлекаются сильным  ускоряющим электрическим полем  к мишени и бомбардируют ее. Это  позволяет широко варьировать режим  бомбардировки мишени изменением ускоряющего  напряжения. На мишень можно подавать как постоянное отрицательное напряжение для распыления проводящих материалов, так и ВЧ-напряжение для распыления диэлектриков. Для увеличения разрядного тока и, следовательно, плотности тока ионов используется термокатод (в  установках реактивного ионно-плазменного  нанесения термокатод не используется). Удержание плазмы в ограниченном пространстве вакуумной камеры осуществляется с помощью магнитного поля. Давление в триодных системах внутри камеры составляет 5·10^-2 – 10^-1 Па. Скорость распыления мишени можно регулировать в широких пределах в диапазоне 0,02 – 0,3 мкм/мин. 

3. Устройства высокочастотного распыления

     Диодная высокочастотная распылительная система  содержит два электрода: заземленный  анод и мишень (катод), на которую  подают напряжение от ВЧ-генератора. ВЧ-распыление значительно расширяет возможности  тонкопленочной технологии, позволяя получать высококачественные пленки не только металлов, сплавов и полупроводников, но и пленки диэлектриков путем распыления мишеней из диэлектрических материалов. 

     Рис. 3. - Форма суммарного напряжения и  его составляющих на

     поверхности мишени:

     1 – высокочастотная составляющая; 2 – напряжение, возникающее за

     счет  ионного тока на мишень; 3 – отрицательное  смещение,

     возникающее за счет электронного тока на мишень; 4 – суммарное

     напряжение  на поверхности мишени 

     ВЧ-распыление диэлектрической мишени происходит благодаря возникновению на ней  отрицательного (относительно плазмы) смещения. Механизм возникновения отрицательного смещения связан с тем, что при  подаче ВЧ-напряжения на помещенную в  плазму мишень на ее поверхность начинают попеременно поступать электронный  и ионный токи. В первый момент после  подачи ВЧ-напряжения его постоянная составляющая на поверхности диэлектрической  мишени равна нулю. В этом случае электронный ток в положительный полупериод ВЧ-напряжения значительно превосходит ионный ток в отрицательный полупериод, что объясняется значительно большей подвижностью электронов по сравнению с ионами. Таким образом на поверхности мишени накапливается отрицательный заряд и, следовательно, растет отрицательное напряжение смещения до тех пор, пока средние значения электронного и ионного токов не сравняются.

     Отрицательное смещение определяет энергию ионов  и, следовательно, эффективность распыления мишени. Поэтому необходимо, чтобы  положительный заряд на поверхности  мишени, приобретенный за счет ионного  тока, не был бы большим, поскольку  это вызывает уменьшение отрицательного смещения. Действие положительного заряда компенсирует электронный ток на мишень, восстанавливая напряжение отрицательного смещения. Очевидно, что чем длительнее период ВЧ-колебаний, тем больший  положительный заряд приобретает  мишень и тем сильнее уменьшается  отрицательное смещение. Для устранения этого явления период ВЧ-колебаний  должен быть достаточно малым. 

4. Магнетронные  распылительные системы

     Магнетронные  распылительные системы (МРС) получили свое название от СВЧ приборов –  магнетронов, хотя, кроме наличия  скрещенных электрического и магнитного полей, ничего общего с ними не имеют.

     МРС относятся к системам распыления диодного типа. Основными элементами устройства являются катод-мишень, анод и магнитная система (рис. 4). Силовые  линии магнитного поля замыкаются между  полюсами магнитной системы. 

     Рис. 4. - Схема магнетронной распылительной системы с плоской

     мишенью:

     1 – катод-мишень; 2 – магнитная  система; 3 – источник питания;

     4 – анод; 5 – траектория движения  электрона; 6 – зона распыления;

     7 – силовая линия магнитного  поля 

     При подаче постоянного напряжения между  мишенью (отрицательный потенциал) и анодом (положительный или нулевой  потенциал) возникает неоднородное электрическое поле и в рабочем  газе возбуждается аномальный тлеющий  разряд. Наличие замкнутого магнитного поля у распыляемой поверхности  мишени позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени. Поверхность мишени, расположенная  между местами входа и выхода силовых линий магнитного поля, интенсивно распыляется и имеет вид замкнутой  дорожки, геометрия которой определяется формой полюсов магнитной системы. Электроны, эмитированные с катода под действием ионной бомбардировки, захватываются магнитным полем  и совершают сложное циклоидальное  движение по замкнутым траекториям  вблизи поверхности мишени. Электроны  оказываются как бы в ловушке, создаваемой с одной стороны  магнитным полем, возвращающим электроны  на катод, а с другой стороны –  поверхностью мишени, отталкивающей  электроны. В этой ловушке электроны  циклируют до тех пор, пока не произойдет несколько ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа, в результате которых электрон потеряет полученную от электрического поля энергию. Таким  образом, большая часть энергии  электрона, прежде чем он попадет  на анод, используется на ионизацию и возбуждение атомов рабочего газа, что значительно увеличивает эффективность процесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации положительных ионов у поверхности мишени. Это в свою очередь обусловливает увеличение интенсивности ионной бомбардировки мишени и значительный рост скорости распыления, а следовательно, и скорости осаждения пленки.

     Следует отметить, что плазма разряда существует только в области магнитной ловушки  в непосредственной близости от мишени и ее форма определяется геометрией и величиной магнитного поля.

     Основные  рабочие характеристики МРС –  напряжение на электродах, ток разряда, плотность тока на мишени и удельная мощность, величина индукции магнитного поля и рабочее давление.

     Высокая степень ионизации и высокая  плотность ионного тока в МРС  позволяют работать при более  низком напряжении (0,3 – 0,8 кВ) и более  низком давлении (10^-2 – 1 Па) по сравнению с диодными распылительными системами на постоянном токе. Важнейшим параметром, во многом определяющим характер разряда в МРС, являются геометрия и величина магнитного поля, индукция которого у поверхности мишени 0,03 – 0,1 Т.

     Высокая плотность ионного тока (на 2 порядка  выше, чем в обычных диодных  распылительных системах) и большая  удельная мощность, рассеиваемая на мишени, резко увеличивает скорость распыления в МРС. Необходимая скорость осаждения  пленки в МРС с достаточной  точностью может поддерживаться за счет постоянства таких параметров процесса, как ток разряда или  подводимая мощность. Как показывает практика, для обеспечения воспроизводимости  и стабильности процесса нанесения  пленки ток разряда необходимо поддерживать с точностью ± 2%, а при стабилизации процесса по мощности разряда точность ее поддержания составляет ± 20 Вт в  диапазоне регулирования от 0 до 10 кВт. При этом рабочее давление должно быть постоянным (отклонение не должно превышать ± 5%). Увеличение скорости распыления с одновременным снижением  давления рабочего газа позволяет существенно снизить степень загрязнения пленок газовыми включениями.

     В МРС обеспечивается сравнительно низкая температура подложки, поскольку  высокоэнергетические вторичные электроны  с мишени, которые являются основным источником нагрева подложки, захватываются  магнитной ловушкой и не бомбардируют подложку. Источниками нагрева подложки в этих системах служат энергия конденсации  распыленных атомов, кинетическая энергия  осаждаемых атомов, энергия отраженных от мишени нейтрализованных ионов, а  также излучение плазмы.

     Основными достоинством МРС является универсальность. В МРС можно осуществлять распыление на постоянном токе, ВЧ-распыление, а  также процессы реактивного ионно-плазменного  нанесения пленок.

     Преимущества  МРС перед распылительными системами  без магнитного поля:

     - высокая скорость осаждения пленок (до нескольких мкм/мин) и возможность  ее регулирования в широких  пределах;

     - высокая чистота пленок;

     - более низкое радиационное и  тепловое воздействие на подложку  и осаждаемую пленку;

     - возможность выбором геометрии  мишени обеспечить условия нанесения  равномерных по толщине пленок  на неподвижные подложки. 

5. 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.

     Технология  ионно-лучевого распыления заключается  в бомбардировке мишени заданного  состава пучком ионов с энергией до 5000 эВ с последующим осаждением распыленного материала на подложку. При этом стехиометрия формируемого покрытия идентична мишени. Эта современная технология предназначена для нанесения прецизионных нанослойных покрытий с высокой плотностью и низкой шероховатостью.

     В устройствах ионно-лучевого распыления разделены функции узлов ионизатора рабочего газа и источника распыленного материала. Мишень и подложка в таких  устройствах находятся вне плазмы.

     Область газового разряда отделена от узла мишени по вакуумным условиям. Напуск рабочего газа производится в камеру ионного источника, а его откачка  осуществляется через анодную диафрагму  малого сечения, так что перепад  давлений между областями составляет около полутора порядков. С границы  проникающей из анода плазмы ускоряющим электродом вытягивается пучок ионов, направляемый на мишень. Распыленные  частицы материала мишени вследствие низкого давления в пространстве мишень-подложка достигают подложки без соударений с атомами газа и сохраняют свою энергию до конденсации  на подложке.

     Однако  для осаждения тонких пленок диэлектрических  и композиционных материалов известные  источники ионно-лучевого распыления не обеспечивают высокую производительность, не позволяют обрабатывать подложки большого диаметра, а также имеют  низкую надежность и сложную конструкцию. Поэтому для осаждения таких  пленок в основном используются методы ВЧ- или реактивного магнетронного  распыления.