4. Виготовлення стабільних і міцних металевих плівок
Свіжоосаджені
на підкладку при кімнатній температурі
тонкі металеві плівки, не піддані ніякій
спеціальній обробці, як правило,
відрізняються великою нестабільністю
параметрів при зберіганні на повітрі.
Це виражається, наприклад, у безперервному
збільшенні електричного опору
плівки, що розпушується під впливом
навколишньої атмосфери (хімічний вплив
або окклюдирування газів речовиною
шару). Н
а
рис. 4.1 представлений графік залежності
зміни опіру від часу витримки.
Рис. 4.1. Зміна опіру шару нікеліну при тривалому зберіганні: 1 – на повітрі; 2 – в ексикаторі; 3 - у вакуумі
Контрольні питання
1. Методи хімічного осадження.
2. Відмінність адгезивних і неадгезивних плівок. Класифікація тонких плівок.
3. Історія розвитку тонкоплівочних процесів.
4. Електролітичні способи одержання матеріалів.
5. Вакуумний термічний спосіб одержання тонких плівок.
6. Запропонувати спосіб одержання адгезивної плівки на основі Мо і дати його опис.
7. Вакуумні технології одержання тонких плівок.
8. Розташувати зазначені методи в порядку зростання щільності одержуваних покрить і обґрунтувати своє рішення:
1 – електронно-променеве напилювання;
2 – термічне;
3 – магнетронне на постійному струмі;
4 – магнетронне на перемінному струмі;
5 – лазерне напилювання;
6 – катодне (іонне напилювання).
9. Розташувати зазначені методи в порядку зростання ефективності осадження матеріалу й обґрунтувати своє рішення:
1 – електронно-променеве напилювання;
2 – термічне;
3 – магнетронне на постійному струмі;
4 – магнетронне на перемінному струмі;
5 – лазерне напилювання;
6 – катодне (іонне напилювання).
10. Магнетронні напилюючі пристрої.
Лабораторна робота № 4 Іонно-плазмові засоби напилювання
1. Вступ
Катодне розпилення є найновішим методом нанесення тонких плівок. Пізніше цей метод був витіснений методом термічного випаровування, який характеризується простотою використання обладнання і можливістю одержання менш забруднених плівок. За останні роки були розвиті нові багато численні варіанти устроїв для катодного розпилення, які розроблялись з метою одержання більш чистих плівок з відроджу вальними властивостями.
На даний час катодне розпилення використовується наряду з термічним випарюванням у вакуумі і має у багатьох випадках свої переваги.
2. Катодне розпилення
Принциповий устрій установки для катодного розпилення. Самий простий і найбільш розповсюджений експериментальний метод виготовлення тонких плівок шляхом катодного розпилення припускає наявність плоскої конфігурації електродів: катода, анода та напиленого зразку.
На рисунку 2.1 показано схему звичайної простішої установки для катодного розпилення.
Катод 1 складається з металу, який підлягає розпиленню. Анод 2 виготовляється з алюмінію або заліза. Позитивний полюс живлення високої напруги звичайно заземлений. Поверхня на яку необхідно нанести металеву плівку 3, розміщується на спеціальному столі у площині дотичної до границі темного катодного простору, або на невеликій відстані від цієї границі. Скляний циліндр 4, а також ізолююча “сорочка” 5 на катоді призначені для того, щоб сконцентрувати розряд.
Катодне розпилення виробляється як правило в атмосфері інертного газу (аргону, криптону та ін.), або в атмосфері повітря. При цьому необхідно застосовувати насоси з великою швидкістю відкачки та
Рис. 2.1 – Пристрій для катодного розпилення:
1 – катод; 2 – анод; 3 – поверхня, на яку робиться напилювання;
4 – скляний циліндр; 5 – ізолююча сорочка; 6 – скляний ковпак;
7 – гумове ущільнення; 8 – металева плита; 9 – ізолятор.
забезпечити постійний приток газу під час розпилення в камеру, де виробляється покриття.
Газ, який подається до камери, рекомендується попередньо висушити за допомогою фосфорного ангідриду.
Строго дозоване надходження газу забезпечується за допомогою спеціальних затворів з прольотом, що дуже точно регулюється.
Тиск при розпилені підбирається таким чином, щоб протяг темного катодного простору був рівний відстані катоду до підкладки. Кожному тиску газу повинна відповідати визначена різниця потенціалів на електродах, яка забезпечує оптимальні умови розпилення. Наприклад при розпилені вісмуту в атмосфері повітря підтримується тиск 102-104мм.рт.ст. струм в розряді приблизно 2 мА, а напруга 2000-4000 в.
Форма катоду вибирається звичайно такою, щоб границя темного простору була строго паралельною поверхні підкладки. Для плоских підкладок катод робиться плоским.; для скривлених підкладок він повинен бути відповідним образом скривлений. При покриті внутрішньої поверхні трубки катод роблять у формі спіралі, поміщеної в середині трубки; для покриття зовнішньої поверхні необхідно застосувати полий циліндричний катод.
Для запобігання виникнення небажаних тліючих розрядів між вводами електродів і іншими деталями використовуються додаткові електроди які розміщені в області темного катодного простору.
Холленд запропонував метод придушення марного розряду від невикористаної частини плоского катоду, коли для осаджування використовується тільки одна його сторона.
При цьому паралельно використовуваної стороні катоду встановлюється додатковий плоский анод на відстані а (рис. 2.2), який менше довжини темного катодного простору.
Подібним образом тліючий розряд може подавлятися з поверхні вводу катоду 7 за допомогою трубчастого позитивно зарядженого екрану 8.
У тому випадку, коли стінки камери в значній мірі проникають в темний катодний простір, на краях катоду утворюються мертві зони і тліючий розряд концентрується у центрі катоду; розподіл конденсату в цьому випадку схожий на розподіл конденсату при меншому діаметрі катоду.
Перед початком розпилення необхідно прийняти міри для видалення з установки кисню, водяного пару, масла та інших забруднень. Усі деталі під ковпаком при першому використані повинні бути попередньо знегажені, так як виділений ними газ в процесі розряду обумовлює
Рис. 2.2 Камера катодного розпилювання:
1 – допоміжний анод; 2 – ізолятор; 3 – катод; 4 – скляний або металевий циліндр; 5 – гумова ущільнююча прокладка; 6 – кран; 7 – ввід катоду; 8 – трубчастий позитивно заряджений екран.
домішки сторонніх речовин, які псують плівку, що утворюється. Необхідно попередньо знегажувати ковпак, під яким відбувається розпилення. Це може бути зроблено шляхом нагріву цього ковпака за допомогою відповідної електричної обмотки, притиснутої до нього.
Дуже ретельно необхідно знегажувати катод, тому що від чистоти та кристалічної структури його поверхні залежать властивості одержаних плівок. Для очистки поверхні катоду від забруднень та окислів необхідно проводити попереднє розпилення нового катоду, який після такої обробки не повинен протягом довгострокового часу зберігатися на повітрі. Оскільки звичайно при включенні напруги розряд встановлюється не відразу і розпилення в перший момент часу буває недостатньо стійким та ефективним, рекомендується, як і при вакуумному випарені, застосовувати екранування підкладок від катоду, що розпилюється. Після встановлення розряду екран віддаляється за допомогою магнітного устрою, розміщеного зовні ковпака.
Велике значення під час катодного розпилення має склад розрядного газу, оскільки деякі компоненти цього газу можуть утворювати такі сполуки з елементом, що розпилюється, які не піддаються сублімації при температурі експерименту, що проводиться. Крім того, слід враховувати, що газовий розряд полегшує протікання хімічних реакцій, і, таким чином, незначні домішки активних газів легко вступають у хімічну сполуку навіть з такими стійкими металами, як платина.
Для поліпшення умов розпилення рекомендується використовувати газопоглинач з титанової проволоки, який розміщується за анодом і поглинає газ, що виділяється різними ділянками ковпака і деталями, що знаходяться під ковпаком.
Про ступень знегажування можна судити по спостереженню за позитивним стовпом розряду, що світиться. Справа у тому, що якщо у розрядному газі є домішки, то удари електронів об атоми домішок поглинають частину енергії і викликають іонізацію цих атомів. В результаті відповідне світіння накладається на світіння благородного газу, у атмосфері якого провадиться катодне розпилення. Таким чином, в розрядному газі можна знайти дуже незначну кількість таких активних газів, як кисень чи азот.
Для орієнтації приводимо кольори світіння для різноманітних газів: кисень – рожевий, азот – жовтий, водяна пара – синій, вуглеводень – сіруватий, аргон –синє-зелений.
Аналіз залишкових газів більш точно може бути виконаний за допомогою мас-спектрометру.
При великих струмах у тліючому розряді відбувається сильний нагрів катоду, оскільки 50% всієї енергії тліючого розряду передається заздалегідь катоду у вигляді тепла при бомбардуванні його позитивними іонами. Надмірний нагрів катоду може бути відвернений його охолодженням проточною водою.
Зниження температури катоду зменшує ефективність розпилення, що може бути компенсовано збільшенням подаваної енергії.
При нанесені металевих плівок катодним розпиленням поверхня підкладки, що покривається, знаходиться під бомбардуванням заряджених часток і молекул газу, які мають велику швидкість, одержану в тліючому розряді при зіткненні з катодом. У результаті цього значно збільшується температура підкладки, що також може бути відвернено охолодженням утримувачів цієї підкладки.
При безпосередньому охолодженні незаземлених катодів повинні бути використані довгі шланги. При виборі системи охолодження слід враховувати, що температура катоду не повинна бути меншою ніж температура масляного затвору або стінок насосу, оскільки у противному випадку пари масла будуть конденсуватися на поверхні катоду. При охолоджені катоду водою, що надходить після охолодження насосу, температура катоду буде завжди вище температури, відповідної тиску насиченого пару для залишкових парів масла.
Для контролю товщини плівки, одержуваної при катодному розпиленні, попередньо визначають залежність інтенсивності розпилення від часу при визначених постійних параметрах процесу розпилення. Встановлюють експериментальну залежність між наступними параметрами: час розпилу – товщина шару – опір. Для одержання такої відповідності на одній і тій самій підкладці послідовно наносять ряд шарів, які відповідають різному часу розпилу; при цьому застосовується маска, рух якої у процесі розпилення регулюється від зовнішнього джерела. Ця маска послідовно розкриває на підкладці окремі частини для покриття плівкою.