Mari Állami Műszaki Egyetem

Rádióberendezések Tervezési és Gyártási Osztálya

Vákuumos permetezés

MAGYARÁZÓ JEGYZET

a tudományágban végzett tanfolyami munkához

A szilárdtestfizika és mikroelektronika alapjai

Fejlesztő: az EVS-31 csoport hallgatója

Kolesnikov

Konzultált: egyetemi docens

Igumnov V.N.

Joskar-Ola 2003

Bevezetés

1. Termikus vákuumos permetezés

1.1 Ellenállásos porlasztás

1.2 Indukciós permetezés

1.4 Lézeres leválasztás

1.5 Elektromos ívpermetezés

2. Porlasztás ionos bombázással

2.1 Katód porlasztás

2.2 Magnetron porlasztás

2.3 Nagyfrekvenciás permetezés.

3. Vékonyrétegek technológiája orientáló alapfelületeken

Következtetés

Irodalom

BEVEZETÉS

A vákuummal leválasztott vékony filmeket széles körben használják diszkrét félvezető eszközök és integrált áramkörök (IC) gyártásában.

Mind a diszkrét diódák, mind a tranzisztorok, mind az aktív és passzív IC-elemek szerkezetének kialakításában az egyik legfontosabb technológiai folyamat a jó minőségű, elektromos paraméterek tekintetében reprodukálható vékonyréteg-rétegek beszerzése.

Így a mikroelektronikai termékek megbízhatósága és minősége, a műszaki színvonal ill gazdasági mutatók termelésüket.

A vékonyréteg-technológia összetett fizikai és kémiai folyamatokon, valamint különféle fémek és dielektrikumok felhasználásán alapul. Így a vékonyréteg-ellenállások, a kondenzátorelektródák és az összeköttetések fémfóliák felhordásával készülnek, a rétegközi szigetelés és védőbevonatok pedig dielektromos fóliák segítségével.

Fontos lépés a vékonyrétegek paramétereinek (lerakódásuk sebessége, vastagsága és egyenletessége, felületi ellenállása) ellenőrzése, amely speciális műszerekkel történik, mind az egyes technológiai műveletek során, mind a teljes folyamat végén.

Az ion-plazma és magnetron porlasztásos módszereket széles körben alkalmazzák a modern mikroelektronikában. A leválasztási folyamat során a hordozóra eső nagy lerakódási sebesség és az atomok energiája lehetővé teszi ezen eljárások alkalmazását különféle összetételű és szerkezetű filmek előállítására, és különösen alacsony hőmérsékletű epitaxiára.

Jelenleg nagy érdeklődés övezi az ezen a területen végzett kutatásokat.

A kurzusmunka célja a permetezés és a vákuumban történő permetezés alapvető módszereinek, a fizikai és kémiai folyamatok áttekintése, valamint az ezekben a módszerekben használt berendezések leírása és működése.

A vékony filmek vákuumban történő felhordásának folyamata abból áll, hogy a részecskék áramlását hozzuk létre (generáljuk), amelyek a feldolgozandó hordozó felé irányulnak, majd ezek töményítését vékony filmrétegek kialakítására a bevonandó felületen.

Szilárd test felületi tulajdonságainak módosításához használja különféle módok ionfeldolgozás. Az ionnyaláb és a felület közötti kölcsönhatás folyamata egymással összefüggő fizikai folyamatok előfordulására redukálódik: kondenzáció, porlasztás és behatolás. Egyik vagy másik fizikai hatás érvényesülését főként a bombázó ionok E 1 energiája határozza meg. E 1 =10-100 eV-nál a kondenzáció dominál a porlasztással szemben, így bevonat lerakódás történik. Amikor az ion energiája 10 4 eV-ra emelkedik, a porlasztási folyamat kezd túlsúlyba kerülni az ionok fémbe való egyidejű bevezetésével. A bombázó ionok energiájának további növekedése (E 1 >10 4 eV) a porlasztási együttható csökkenéséhez és az ionimplantációs (iondopping) mód kialakításához vezet.

A vékonyréteg-bevonatok vákuumban történő felhordásának technológiai folyamata 3 fő szakaszból áll:

A lerakott anyag részecskéiből álló áram előállítása;

Részecskék átvitele ritka térben a forrásból a szubsztrátumba;

Részecskék lerakódása az aljzatra jutáskor.

A vákuumbevonatok felhordásának két módja van, amelyek a lerakódott részecskék áramlásának létrehozásának mechanizmusában különböznek: termikus permetezés és anyagok ionbombázással történő porlasztása. Az elpárolgott és kipermetezett részecskék vákuumkörnyezeten (vagy reaktív gázok atmoszféráján) keresztül jutnak a szubsztrátumra, ezáltal plazmakémiai reakciókba lépnek. A lerakódott anyag áramlásának ionizációs fokának növelése érdekében speciális töltött részecskék forrásai (például forró katód) vagy elektromágneses sugárzás vezethetők be a vákuumkamrába. Az ionok mozgásának további felgyorsítása a kezelt felületre negatív feszültség alkalmazásával érhető el.

Mindegyik módszer általános követelménye a kapott filmek tulajdonságainak és paramétereinek reprodukálhatósága, valamint a filmek hordozókhoz és más filmekhez való megbízható tapadásának biztosítása.

Ahhoz, hogy megértsük azokat a fizikai jelenségeket, amelyek vékony filmrétegek vákuumban történő lerakódásakor jelentkeznek, tudni kell, hogy a filmréteg növekedési folyamata a hordozón két szakaszból áll: a kezdeti és a végső szakaszból. Nézzük meg, hogyan lépnek kölcsönhatásba a lerakódott részecskék a vákuumtérben és a hordozón.

A forrás felületét elhagyó anyagrészecskék egy vákuum (ritkább) téren keresztül nagy sebességgel (másodpercenként több száz, sőt több ezer méter nagyságrendű) eljutnak a szubsztrátumhoz, és elérik annak felszínét, energiájuk egy részét átadva neki. ütközéskor. Minél magasabb az aljzat hőmérséklete, annál kisebb az átvitt energia aránya.

Az anyagrészecskék, miközben megtartanak némi felesleges energiát, képesek mozogni (vándorolni) a hordozó felületén. A felületen való vándorlás során a részecske fokozatosan elveszíti többletenergiáját, hajlamos a szubsztrátummal termikus egyensúlyba kerülni, és a következők fordulhatnak elő. Ha egy részecske energiafelesleget veszít útközben, megrögzül a hordozón (kondenzálódik). Ha egy másik vándorló részecskével (vagy részecskecsoporttal) találkozik a mozgás útján, erős kötésbe (fémes) kerül vele, adszorbeált dublettet hozva létre. Megfelelően nagy asszociáció esetén az ilyen részecskék teljesen elveszítik vándorlási képességüket, és a hordozón rögzülnek, kristályosodási központtá válva.

Az egyes kristályosodási központok körül krisztallitok nőnek, amelyek ezt követően összenőnek, és folyamatos filmet alkotnak. A krisztallitok növekedése a felületen átvándorló részecskék miatt, valamint a részecskéknek a kristályok felületére történő közvetlen lerakódása miatt következik be. Az is lehetséges, hogy dublettek képződnek vákuumtérben, amikor két részecske ütközik, amelyek végül adszorbeálódnak a hordozón.

A folyamatos film kialakulása véget ér Első fázis folyamat. Mivel ettől a pillanattól kezdve a szubsztrátum felületének minősége már nem befolyásolja a felvitt fólia tulajdonságait, a kezdeti szakasz a meghatározó a kialakulásukban. Az utolsó szakaszban a film a kívánt vastagságra nő.

Más állandó körülmények között az aljzat hőmérsékletének emelkedése megnöveli az energiát, pl. az adszorbeált molekulák mobilitása, ami növeli a vándorló molekulákkal való találkozás valószínűségét és durva kristályszerkezetű film kialakulásához vezet. Ezenkívül a beeső nyaláb sűrűségének növekedésével nő a dublettek, sőt többatomos csoportok kialakulásának valószínűsége. A kristályosodási centrumok számának növekedése ugyanakkor elősegíti a finomkristályos szerkezetű film kialakulását.

A gáz ritkított állapota, i.e. vákuumnak nevezzük azt az állapotot, amelyben a gáznyomás egy bizonyos zárt, zárt térfogatban a légköri nyomás alatt van.

A vákuumtechnológia fontos szerepet játszik a filmes IC-szerkezetek gyártásában. A munkakamrában vákuum létrehozásához gázokat kell kiszivattyúzni belőle. Ideális vákuum nem érhető el, és a technológiai berendezések kiürített munkakamráiban mindig van egy bizonyos mennyiségű maradék gáz, amely meghatározza a kiürített kamrában a nyomást (mélységet, vagy vákuumfokot).

Ennek a vékonyréteg-felviteli eljárásnak az a lényege, hogy az anyagot vákuumban olyan hőmérsékletre hevítik, amelynél az anyag atomjainak és molekuláinak hevítéssel megnövekedett kinetikus energiája elegendő lesz a felülettől való elváláshoz és az anyagban való eloszláshoz. környező tér. Ez olyan hőmérsékleten történik, amelyen az anyag saját gőzeinek nyomása több nagyságrenddel meghaladja a maradék gázok nyomását. Ebben az esetben az atomáramlás egyenes vonalban terjed, és a felülettel való ütközéskor az atomok elpárolognak és molekulák kondenzálódnak rajta.

A bepárlási folyamat a szokásos séma szerint történik: szilárd fázis - folyékony fázis - gáz halmazállapotú. Egyes anyagok (magnézium, kadmium, cink stb.) a folyékony fázis megkerülésével gázhalmazállapotba kerülnek. Ezt a folyamatot szublimációnak nevezik.

A vákuumleválasztásos berendezés fő elemei, melynek egyszerűsített diagramja az 1. ábrán látható, a következők: 1 - rozsdamentes acélból készült vákuumkupak; 2 - csappantyú; 3 - csővezeték a motorháztető vízmelegítéséhez vagy hűtéséhez; 4 - tűszellőző a légköri levegő kamrába juttatásához; 5 - hordozófűtő; 6 - hordozótartó hordozóval, amelyre sablont lehet helyezni; 7 - tömítő tömítés vákuumgumiból; 8 - elpárologtató, benne elhelyezett anyaggal és fűtőberendezéssel (ellenálló vagy elektronsugár).

A vákuumleválasztási művelet végrehajtása a következő lépéseket tartalmazza. A kupak felső helyzetében a kezelt aljzatokat eltávolítják az aljzattartóból, és újakat helyeznek be. A kupakot leengedik, és a vákuumszivattyú rendszert bekapcsolják (először az előzetes vákuumhoz, majd a nagyvákuumhoz). A levegő deszorpciójának felgyorsítására belső felületekés csökkenti a szivattyúzási időt, meleg folyóvíz kerül a csővezetékbe. Amikor a kamrán belüli nyomás eléri a körülbelül 10-4 Pa-t (nyomásmérővel vezérelve), az elpárologtató és a szubsztrát fűtőberendezések bekapcsolnak. Az üzemi hőmérséklet elérésekor (hőelemekkel ellenőrizve) a csappantyú félremozdul, és az anyag gőzei elérik az aljzatot, ahol lecsapódnak és filmnövekedés következik be. Az automatikus filmnövekedés-szabályozó rendszer vagy a filmvastagságot (filmkondenzátorok dielektrikumánál), vagy a felületi ellenállást (ellenállásoknál), vagy a lerakódási időt (vezetők és érintkezők, védőbevonatok) rögzíti. Az ebben az esetben a permetezés végéről generált jel az erősítés után a csillapító mágnesszelepre hat, blokkolva a gőz áramlását. Ezután az elpárologtató és a szubsztrát fűtőberendezéseit kikapcsolják, a szivattyúrendszert kikapcsolják, és hideg folyóvizet vezetnek a csővezetékbe. A kupak alatti eszközök lehűlése után fokozatosan légköri levegő jut be a szivárgáson keresztül. A harangon belüli és kívüli nyomások kiegyenlítése lehetővé teszi a csengő felemelését és a következő feldolgozási ciklus megkezdését.

A termikus vákuumleválasztási folyamatot az elpárologtató hőmérséklete t°, a légnyomás a munkakamrában P 0, a szubsztrátok hevítési hőmérséklete t° p. Az anyag melegítési hőmérséklete az elpárologtatóban (t° ) kellően magas párolgási intenzitást kell biztosítania, hogy a filmlerakódási idő ne haladja meg az 1-2 percet. Ugyanakkor a túlzottan magas intenzitás finom szemcsés instabil szerkezet kialakulásához vezet a filmben, amelyet az alábbiakban tárgyalunk.

A párolgási sebességet célszerű a gőznyomással (gőznyomás telítésnél) P S jellemezni. Egy adott anyag gőznyomása csak a hőmérséklettől függ

ahol A és B az anyag típusát jellemző együtthatók;

T az anyag abszolút hőmérséklete, K.

Az optimális párolgási sebességnek azt az intenzitást tekintjük, amelynél a gőznyomás ~1,3 Pa. Az ennek a rugalmasságnak megfelelő párolgási hőmérsékletet feltételesnek nevezzük, és az (1.1)-ből számítható. Tehát az alumínium esetében 1150 °C, a krómnál - 1205 °C, a réznél - 1273 °C, az aranynál - 1465 °C stb.

Alacsony P 0 légnyomás a munkakamrában szükséges:

Az elpárologtató anyag atomjainak szabad diffúziójának biztosítása a munkakamra térfogatába;

Anyagatomok egyenes vonalú mozgása a maradék levegő molekuláival való ütközés és az anyag haszontalan diszperziója nélkül a kamra térfogatában;

A permetezett anyag levegőmolekulákkal való kémiai kölcsönhatásának megszüntetése.

A felsorolt ​​feltételek P 0 10 -4 Pa maradék nyomáson biztosítottak. Ilyen vákuumot viszonylag könnyen lehet elérni sorba kapcsolt mechanikus elővákuum és nagyvákuumú diffúziós szivattyúkkal.

A szubsztrátum hőmérséklete a leválasztási folyamat során jelentős hatással van a fólia szerkezetére, és ebből következően elektromos tulajdonságainak működés közbeni stabilitására.

Az anyag atomjai kT energiával (k=8,63×10 -5 eV/K-) érkeznek a szubsztrátumhoz Boltzmann állandó; K - abszolút hőmérséklet) és 1000 m/s nagyságrendű sebességek. Az energia egy része a szubsztrát felületi atomjaihoz kerül, és a maradék energia lehetővé teszi számukra, hogy egy ideig vándoroljanak a felületi potenciálmezőben. Minél magasabb az aljzat hőmérséklete, annál nagyobb a maradék energia aránya. A migrációs folyamat során egy atom elhagyhatja a szubsztrátot (potenciális mezőpúpnál), vagy részben kiolthatja az energiát egy másik vándorló atommal kölcsönhatásba lépve. Csak egy többatomos csoport, amely a kristályosodási központok egyikévé válik, elveszítheti teljesen a migrációs képességét és a felmelegített szubsztrátumhoz való kötődését (kondenzációját). Alacsony atomi fluxussűrűségnél, pl. Az elpárologtatón mérsékelt hőmérsékleten a kristályosodási centrumok száma egységnyi területen kicsi, és mire egy folyamatos film képződik körülöttük, a nagy kristályoknak van idejük kinőni.

A szubsztrátum hőmérsékletének csökkenése és a fluxussűrűség növekedése a kristályosodási centrumok korábbi kialakulásához, területegységenkénti számuk növekedéséhez, finomkristályos szerkezet kialakulásához vezet. Az elektronikus berendezések működése során, amikor időszakos fűtési és lassú hűtési ciklusoknak van kitéve, a finomkristályos szerkezet fokozatosan átkristályosodik durvakristályos szerkezetté. Ebben az esetben az elektromos tulajdonságok visszafordíthatatlanul megváltoznak, és a film „öregedése” következik be. A rezisztív filmeknél például az ellenállás csökkenése figyelhető meg az idő múlásával.

Tehát a működés közben stabil vékony filmek kialakításához fel kell melegíteni az aljzatot, és nem kell erőltetni a lerakódási folyamatot az elpárologtató hőmérsékletének növelésével.

A vékonyfilmes szerkezetek gyártásánál, akárcsak a félvezető szerkezeteknél, csoportos szubsztrátumokat használnak. Csoport szubsztrátumok rendelkeznek téglalap alakú 60x48 mm vagy 120x96 mm méretű, szigetelőanyagból (kerámia üveg, polikor, üveg) készült, és akár több tucat egyforma modul egyidejű gyártására tervezték. Így a felvitt film tulajdonságainak azonosnak kell lenniük a csoport szubsztrát teljes területén.

Első közelítés szerint az atomok áramlása az elpárologtatóból a szubsztrátum felé széttartó nyaláb, ezért a fluxussűrűség a hordozó síkjában nem egyenletes: a hordozó középpontjában a legnagyobb, és a középponttól a hordozó felé csökken. periféria. Ez azt jelenti, hogy amikor egy filmet egy álló hordozóra helyeznek fel, vastagabb film képződik a hordozó középső részén, mint a hordozó szélein. Például a központi modulokban kialakított ellenállások kisebb ellenállással rendelkeznek, mint a perifériás modulokban lévő hasonló ellenállások.

A fentiek figyelembe vételével a termikus vákuumos permetezésre szolgáló gyártóberendezések több hordozót (6, 8 vagy 12) szállító forgóeszközökkel (tárcsák, dobok) vannak felszerelve. A szubsztrátumok egymás után és ismételten áthaladnak egy álló párologtatón (2. ábra), fokozatosan elérve a kívánt rétegvastagságot. Ennek eredményeként a központi „domb”, amely álló aljzaton kialakulhatott volna, az aljzat mozgási irányában megnyúlt gerincvé erodálódik. A filmvastagság keresztirányú kiegyenlítésére korrekciós membránt használnak, amelyet az elpárologtató és az aljzat közé, annak közvetlen közelében kell elhelyezni. A membránprofilt az álló és mozgó hordozóra történő lerakással nyert filmdomborművek tanulmányozása alapján számítják ki. A hordozó központi és perifériás zónáinak besugárzási idejének különbsége következtében a filmvastagság egyenletessége a csoport szubsztrát teljes területén megnő, és ±2%-on belül van (60x48 mm-es szubsztrátumok esetén).

Ennek a generációs módszernek a fő előnyei a következők:

Fémfóliák (beleértve a tűzállókat is), ötvözetek, félvezető vegyületek és dielektromos fóliák felhordásának lehetősége;

Könnyű végrehajtás;

Az anyagok magas párolgási sebessége és annak széles tartományban történő szabályozásának lehetősége az elpárologtatóhoz szolgáltatott teljesítmény változtatásával;

Az eljárás sterilitása lehetővé teszi nagy (és szükség esetén ultramagas) vákuum jelenlétében gyakorlatilag szennyeződésmentes bevonatok előállítását.

Minden párologtató különbözik az elpárolgott anyag melegítésének módjától. Ennek alapján a fűtési módszereket a következőképpen osztályozzák: rezisztív, indukciós, elektronsugaras, lézeres és elektromos ív.

1.1 Ellenállásos porlasztás

Ez az első módszer a vékonyréteg-bevonatok vákuumban történő felhordására, és egészen a közelmúltig a legszélesebb körben használt módszer. Megkülönböztető jellemzői a műszaki egyszerűség, az elpárologtató működési módjának könnyű vezérlése és szabályozása, valamint a különféle kémiai összetételű bevonatok készítésének képessége.

Az ellenállásos elpárologtatókban az elpárolgott anyag felmelegítésére szolgáló hőenergia a Joule-hő felszabadulásával keletkezik, amikor elektromos áram halad át a fűtőelemen.

Az ellenállásos elpárologtató fűtőtestek gyártásához felhasznált anyagokra a következő követelmények vonatkoznak.

1. A fűtőanyag gőznyomása a lerakódott anyag párolgási hőmérsékletén elhanyagolhatóan kicsi legyen.

2. A fűtőanyagot jól át kell nedvesíteni az olvadt elpárolgott anyaggal, mivel ez szükséges a köztük lévő jó termikus érintkezéshez.

3. A fűtőanyag és az elpárolgott anyag között nem mehet végbe kémiai reakció, és ezen anyagokból nem keletkezhetnek erősen illékony ötvözetek, mivel másképp a felvitt fóliák szennyeződése és a fűtőtestek tönkremenetele következik be.

A rezisztív módszerrel történő bevonatok felhordásához a fémek és ötvözetek elpárologtatására különféle terveket és módszereket alkalmaznak. A legszélesebb körben használt huzalos, szalagos, tégelyes és autotégelyes diszkrét elpárologtatók.

A huzalpárologtatók, amelyek fő előnye a készülék egyszerűsége és a nagy hatásfok, tűzálló fémekből (W, Mo, Ta) készült huzalból készülnek, és sokféle formában (hurkos, hengeres formában) kaphatók. spirál, kúpos spirál, V alakú stb.) . A fűtőanyagot nedvesítő anyagok elpárologtatására szolgálnak. Ebben az esetben az olvadt anyagot a felületi feszültségek csepp formájában tartják a huzalfűtőn. Az alkalmazott huzalnak (általában 0,5-1,5 mm átmérőjű) teljes hosszában azonos keresztmetszetűnek kell lennie, ellenkező esetben a helyi túlmelegedés következtében a keletkező réteg egyenletessége megsérül, és ráadásul a huzal gyorsan kiég. Amikor a fűtőanyagot jól átnedvesíti az elpárolgott fém, mindig többé-kevésbé aktív kölcsönhatás lép fel közöttük, ami végső soron az elpárologtató tönkremeneteléhez és a felvitt bevonat tisztaságának csökkenéséhez vezet. Huzal párologtatók segítségével szilárd szénben 4 P-ig előfordulhat.

A szalagos elpárologtatók ebből készülnek vékony lapok tűzálló fémek és speciális mélyedések (hornyok, csónakok, poharak vagy dobozok formájában), amelyekbe az elpárolgott anyagot helyezik. Por alakú anyagok és szervetlen vegyületek elpárologtatására szolgálnak. Ezek az elpárologtatók a huzalpárologtatókhoz hasonlóan egyszerű felépítésűek, de utóbbiakhoz képest a hősugárzás miatti jelentős veszteségek miatt több energiát fogyasztanak. A szalagos elpárologtatók nagy párolgási iránysal rendelkeznek, és a gyakorlatilag lehetséges maximális párolgási területet 2 P térszög korlátozza.

A tégelyes elpárologtatók olyan anyagok elpárologtatására használhatók, amelyek nem lépnek reakcióba a tégely anyagával, és nem képeznek vele ötvözetet. Tűzálló fémekből (W, Mo, Ta) fémoxidokból (Al 2 O 3, BeO, ZrO 2, ThO 2 stb.) és grafitból készülnek. Alacsony párolgási hőmérsékletű anyagok ülepítéséhez használhat tűzálló üvegből és kvarcból készült tégelyeket is.

Az alumínium-oxid tégelyeket olyan fémekhez használják, amelyek párolgási hőmérséklete 1600 o C alatt van (Cu, Mn, Fe, Sn); a berillium-oxid tégelyek 1750 o C-ig, a tórium-oxid - 2200 o C-ig használhatók. Az anyagok kb. 2500 o C hőmérsékleten történő elpárologtatásánál grafittégelyeket használnak. Sok anyag azonban magas hőmérsékleten reagál szénnel, és karbidokat képez, ezért nem párologtatható el az ilyen tégelyekből (például Al, Si, Ti). A Be, Ag, Sr hatékonyan elpárologtatja a grafit elpárologtatókat. Sok oxidot aktívan redukál a szén, ami lehetővé teszi a fémek tisztítását grafittégelyekkel.

A tégelyes elpárologtatók fő előnye, hogy nagyszámú anyag elpárologtatására alkalmasak. A huzal- és szalagpárologtatókhoz képest inerciálisabbak, mivel az anyagok alacsony hővezető képessége nem teszi lehetővé az elpárolgott anyag gyors felmelegedését. Ezenkívül az oxidtégelyek nem teszik lehetővé a gyors felmelegedést, mivel fennáll a hősokk általi tönkremenetelük veszélye. A tégelyes elpárologtatók hátrányai közé tartozik az is, hogy segítségükkel az elpárologtatott anyagból csak keskeny nyaláb nyerhető.

Az élesen eltérő párolgási sebességű komponensekből álló ötvözetek és összetett összetételű anyagok (például fém-kerámia keverékek) elpárologtatására diszkrét felületű elpárologtatókat használnak. A robbanásveszélyes bepárlási módszert alkalmazzák. Az elpárologtató felületének hőmérsékletét, amelyre a finom részecskék hullanak, úgy választják meg, hogy a komplex anyag összes lehulló részecskéje azonnal elpárologjon. A finom részecskéket a forró felületre olyan sebességgel juttatják el, amely különbözik az anyag részecskéinek párolgási sebességétől, ami biztosítja a szükséges összetételű filmek előállítását.

Széles körben elterjednek majd az úgynevezett autokritikus elpárologtatók, amelyekben egy csepp vagy olvadt fém fürdő szilárd állapotban érintkezik ugyanazzal a fémmel. Ez a módszer lehetővé teszi nagyfrekvenciás bevonatok előállítását.

A szerkezet és a kémiai összetétel nagy egyenletességével jellemezhető bevonatok előállításához a poranyagok elpárologtatásával először el kell végezni a por szétválasztását és frakciókra való szűrését, alapos mechanikai keverést, ha különböző kémiai összetételű porokat használnak, valamint gáztalanítást kell végezni. a por és a felszabaduló gázok eltávolítása a térfogatból vákuumkamra.

Az ellenállásos elpárologtatási módszernek vannak olyan hátrányai, amelyek jelentősen csökkentik annak alkalmazási körét. A módszer fő hátrányai közé tartozik az elpárolgott anyag gőzeinek észrevehető ionizációjának hiánya, a fő áramlási paraméterek szabályozásának nehézségei és az elpárologtatók nagy tehetetlensége.

1.2 Indukciós permetezés

Az indukciós bepárlást az elpárologtatott anyag és az elpárologtató közötti kölcsönhatásból eredő nemkívánatos hatások kiküszöbölésére, valamint nagy tisztaságú bevonatok előállítására használják.

A csiklandozás működési elve a indukciós fűtés 3. ábrán látható. Az olvasztás során a fém (1) tömege a tekercs (2) által keltett elektromágneses tér erői hatására úgy megemelkedik, hogy a magas hőmérsékletre hevített fém érintkezési felülete az olvasztótégellyel (3) minimális. Ennek eredményeként az elpárolgott fém és a tégely közötti kémiai reakciók gyengülnek.

Az indukciós fűtési módszer hátrányai közé tartozik a dielektrikumok közvetlen elpárologtatásának lehetetlensége, valamint a speciális hőkezelés szükségessége.

Induktorok különféle fémek elpárologtatására, valamint a telepítés alacsony hatékonysága.

1.3 Elektronsugaras porlasztás

BAN BEN termelési feltételek Az elektronsugaras elpárologtatókat széles körben használják, amelyek lehetővé teszik fémek, ötvözetek és dielektrikumok vékony filmjeinek előállítását. Az elektronsugár jó fókuszálása ezekben az elpárologtatókban nagy teljesítménykoncentráció (akár 5 10 8 W/cm 2 ) és magas hőmérséklet elérését teszi lehetővé, amely lehetővé teszi a párologtatást Magassebesség még a leginkább tűzálló anyagokat is. A fűtött zóna gyors mozgása az elektronáramlás eltérítése következtében, a fűtési teljesítmény és a lerakódási sebesség szabályozásának és szabályozásának lehetősége megteremti a folyamat automatikus szabályozásának előfeltételeit. Az eljárás lehetővé teszi a leválasztott film nagy tisztaságának és egyenletességének elérését, mivel az anyag önkritikus elpárologtatása valósul meg.

Az elektronsugaras elpárologtató működési elve a következő. Az elektronágyúban szabad elektronok bocsátanak ki a katód felületéről, és az elektrosztatikus és mágneses mezők gyorsuló és fókuszáló hatására nyalábbá alakulnak. A pisztoly kimeneti nyílásán keresztül a sugár a munkakamrába kerül. Az elpárolgott anyagú tégelybe elektronsugár vezetésére és az adott technológiai folyamathoz szükséges nyalábparaméterek biztosítására elsősorban mágneses fókuszáló lencséket és mágneses eltérítési rendszereket alkalmaznak. Az elektronsugár akadálytalan átjutása egy tárgyhoz csak nagy vákuumban lehetséges. Az üzemi nyomás az elpárologtató kamrában körülbelül 10-4 Pa. Az elpárolgott anyagot felületének elektronsugárral történő bombázásával melegítik fel olyan hőmérsékletre, amelyen a párolgás a kívánt sebességgel megy végbe. A keletkező gőzáramban egy hordozót helyeznek el, amelyen kondenzáció lép fel. Az elpárologtató berendezést mérő- és vezérlőeszközök egészítik ki, amelyek különösen fontosak az elektronsugár leválasztási folyamat közbeni szabályozásához.

Az elektronsugaras elpárologtatókban elérhető főbb paraméterek: 10 4 -10 5 W/cm 2 ; fajlagos párolgási sebesség - 2 · 10 -3 -2 · 10 -2 g/(cm 2 s); a párolgási folyamat hatékonysága (réz esetében) - 3·10 -6 g/J; a keletkezett részecskék energiája – 0,1-0,3 eV; a részecskelerakódás sebessége a hordozón 10-60 nm/s.

A legegyszerűbb esetben az elektronsugarat felülről, függőlegesen vagy a felülethez képest ferde szögben irányítjuk a korrigálni kívánt anyagra. Ebben az esetben a nyaláb fókuszálásának biztosítására és a szükséges fajlagos teljesítmény elérésére az elpárolgott anyag felületén hosszú fókuszú elektronnyaláb generátorokat használnak. Ennek az elrendezésnek jelentős hátránya, hogy az elektron-optikai rendszer egyes részein filmek képződhetnek, ami az elektronsugár paramétereinek megváltozásához vezet, valamint a korlátozás. hasznosítható terület a szubsztrátum elhelyezésére a folyamatkamra egy részének a pisztoly általi árnyékolása miatt. Ezek a hátrányok elkerülhetők, ha a pisztolyt vízszintesen helyezzük el, és az elektronsugarat az elpárolgott anyagra tereljük különféle rendszerekkel, amelyek akár 270°-os szögben is biztosítják az indítási forgást.

Az elektronsugaras elpárologtatási módszer hátrányai a következők:

Nagy gyorsítófeszültség (kb. 10 kV) szükségessége;

A létesítmények alacsony energiahatékonysága a másodlagos elektronok képződésére (legfeljebb a primer sugár energiájának 25%-a), a tégely fűtése, röntgen- és ultraibolya sugárzás miatti energiafogyasztás miatt;

Gázkibocsátás a munkatérben az aljzat, a technológiai berendezések és a kamrafalak szekunder elektronok általi bombázása következtében;

Sugárzási hibák keletkezése a lerakódott vékony filmekben, amikor másodlagos elektronokkal bombázzák őket;

Nincs észrevehető ionizáció a lerakódott anyag áramlásában;

A vékony filmek gyenge tapadása az aljzathoz a lerakódott részecskék alacsony energiája miatt.

1.4 Lézeres leválasztás

A lézeres elpárologtatókban a vákuumba helyezett elpárolgott anyag melegítése a vákuumkamrán kívül elhelyezett optikai kvantumgenerátor (OQG) fókuszált sugárzásával történik. A filmek lézerrel történő felhordása a sugár következő tulajdonságainak köszönhetően lehetséges: a sugárzás pontos fókuszálása és energiájának adagolása, nagy energiaáram-sűrűség (10 8 – 10 10 J/cm 2).

A pulzáló lézeres depozíciós (PLS) módszer fő előnyei:

Rendkívül tiszta körülmények a vákuumpárologtatáshoz (az anyag elpárologtatásának energiaforrása a vákuumtérfogaton kívül van, a párologtatás a „saját tégelyéből” történik);

Lehetőség a leginkább tűzálló anyagokból készült filmek előállítására és a többkomponensű vegyületek sztöchiometrikus összetételének fenntartására ( nagy sűrűségű a lézersugárzás energiaáramlása és rövid időtartama lehetővé teszi a magas - akár több tízezer fokos - hőmérséklet elérését, amelynél minden komponens egyformán elpárolog);

Magas pillanatnyi lerakódási sebesség (10 3 –10 5 nm/s) és a megvalósított gócmentes filmnövekedési mechanizmus, amely biztosítja a monomolekulárishoz közeli vastagságú rétegek folytonosságát. Ez lehetővé teszi az ILN használatát ultravékony filmek és szuperrácsok előállítására;

A plazmának csak az alacsony energiájú részének felhasználása, ami hozzájárul a hibamentes filmek előállításához, paramétereikben hasonlóak a molekuláris sugár epitaxiával nyert filmekhez. Az impulzuslézer nagyon sikeres elpárologtató típus az MBE-hez, így a lézeres leválasztás szervesen illeszkedik az MBE módszer berendezésébe;

Az 1 impulzusban felvitt 0,1 – 10,0 Å/impulzus vastagságú rétegek stabilitása lehetővé teszi a szigorúan ellenőrzött vastagságú filmek lerakásának programozását;

Magas termelékenység és technológia.

Jelenleg nagy teljesítményű CO 2 gázlézereket (λ = 10,6 μm) vagy szilárdtest rubin (λ = 0,6943 μm) és neodímium (λ = 1,06 μm) lézereket használnak az ILI-hez. A dielektrikumok elpárologtatására ajánlatos CO 2 lézert használni, mivel a dielektrikumok jobban elnyelik a hosszúhullámú sugárzást. A vékony és ultravékony fóliák, különösen az összetett filmek előállításánál a legjobb eredményeket neodímium lézerekkel érték el.

A fóliák tulajdonságainak jobb reprodukálhatóságának biztosítása, valamint a technológiai folyamat monitorozása, vezérlése és automatizálása érdekében a frekvencia lézeres befecskendezési módszert alkalmazzák, amely a film vákuumban történő, kis adagokban (kevesebb, mint egyrétegű per 1-re) történő egymás utáni lerakásából áll. impulzus), követik egymást bizonyos frekvencián. Fémek és ötvözetek esetében az optimális üzemmód: f = 50 Hz, τ = 10 ns, a célfelületen felszabaduló teljesítmény q = 5 10 8 - 5 10 9 W/cm 2, félvezetők és dielektrikumok esetében pedig 10 kHz, 200 ns, illetve 10 7 - 10 8 W/cm 2.

A filmminták és struktúrák egységességének és reprodukálhatóságának javítására szkennelést alkalmaznak lézersugárálló célponttal szemben vagy mozgás a berendezés vákuumkamrájában.

A filmgyártás lézeres módszerének legfontosabb fizikai és technológiai paramétere, amely meghatározza a párolgás hőmérsékletét és időtartamát, az elpárolgott anyag összetételét és állapotát, ezen keresztül pedig a kondenzáció sebességét és mechanizmusát, a lerakódott anyag szerkezetét és tulajdonságait. réteg, a lézer működési módja. Így az SI (második impulzus) mód lehetővé teszi még a komplexek elpárologtatását is szerves vegyületek, MI (ezredmásodperces impulzus) egy pórusfázist hoz létre sokféle molekulafragmens-komplexszel; NI (nanoszekundumos impulzus) üzemmódban nagyon magas hőmérsékletek érhetők el - akár több tízezer fokig is, ami a gőz teljes disszociációjához vezet. és erős ionizációja. Az impulzuslézereket általában MI (q=10 6 - 10 7 W/cm 2) és NI (q≥10 9 W/cm 2) üzemmódban használják. Az elektronmikroszkópos vizsgálat kimutatta, hogy az MI módban (q = 5 10 5 W/cm 2 ) kapott filmek vastagsága egyenletes, míg az NI kondenzátumok (q = 10 8 – 10 9 W / cm 2) a film anyagától, hordozójától, ill. A film vastagsága ~50 nm karakterisztikus mérettel „érdesség” volt.

A lézeres elpárologtatás egyik fontos jellemzője a hatékonysága - az impulzusonként elpárologtatott m i tömeg és a lézerimpulzus energia Ei aránya: β = mi /Ei.

Az NI hatására jelentőssé válik a gőz kölcsönhatása a sugárzással és a gőz kölcsönhatása a célponttal. Az első pillanatban a gőz átvilágítja a céltárgy felületét, intenzíven elnyeli a lézersugárzást. Ezután megkezdődik az elnyelt energia újrakibocsátása. A másodlagos sugárzás, a célponttal való kölcsönhatás annak elpárolgásához vezet. Az NI módban a párolgási mechanizmus változása miatt a lézerimpulzus-energia nagy része a gőz felmelegítésére, lényegesen kevesebb a gőzképzésre fordítódik, ezért a β hatásfok, egyéb feltételek mellett, lényegesen kisebb (rendeletre). nagyságrendű), mint MI módban. A párolgási hatékonyság jellemző értékei a következők: β MI =0,1 mg/J, β NI =0,01 mg/J. A párolgási hatásfok nagyságát nagymértékben befolyásolhatja a hővezető képesség csökkenése és az abszorpció növekedése, amelyek a porcélok alkalmazásakor valósulnak meg.

Amikor egy anyagot nanoszekundumos lézerimpulzusok párologtatnak el, a tágulás (és ennek következtében a hordozón kondenzáció) lépcsőzetes természetű: gyors elektronok haladnak előre, majd a maximális töltésű ionok (akár 1000 EV vagy nagyobb energiával) , az ionos komponens végén - minimális töltésű ionok, végül a köteg leglassabb része semleges (~ I EV energiával). A plazma alvadék tágulásának lépcsőzetes jellege időben inhomogén folyamathoz vezet. A kondenzációs folyamat az „ionsokkkal” kezdődik – a szubsztrátum felületének bombázása nagy energiájú, nagy sűrűségű ionokkal (több száz A/cm-t is elérhet). A gyors ionok után a köteg lassabb része éri a szubsztrátot: kis töltésű ionok és semleges atomok. Az „ionsokk” következményei lehetnek: az aljzat felületének tisztítása, felmelegítése, maratás a meglévő hibák felnyitásával és újak kialakulása, valamint a céltárgy eróziója. Ez viszont nagy hatással van a kondenzátum tulajdonságaira, például a lézerrel nyert filmek fokozott tapadására.

Megjegyzendő, hogy a párolgás impulzus jellege ellenére a plazmaköteg komponenseinek tágulási sebességének szórása miatt a kondenzáció sebessége szinte állandó lehet, ha az impulzus ismétlési sebessége elég nagy, így f> 1 / τ k (τ k a kondenzációs idő).

Egy anyag impulzuslézerrel történő párologtatása jelentős mértékben nem egyensúlyi körülmények között, intenzív mechanikai behatások hatására történik, melyeket termikus igénybevételek, lökéshullámok, gáznyomás stb. A célpont elpusztítása következtében gőzzel vagy plazmával egyidejűleg szilárd és folyékony mikrorészecskék képződnek, amelyek a gőzrög sebességéhez közeli tágulási sebességgel rendelkeznek, és mikrohibák megjelenését idézik elő a kondenzált filmben - az ún. fröccsenő hatás. A fröccsenő hatás csökkentésére különféle technikák alkalmazhatók: por célpont használata, majd gáztalanítás, lassú (impulzusról impulzusra) vagy nagy sebességű (egy impulzus alatt) letapogatás.

A lézeres kondenzáció problémájának érdekes szerkezeti aspektusa a folyamatos ultravékony kondenzátum előállításának lehetősége, amely a szubsztrátum magas gőzellátásával és a megvalósított nukleációmentes növekedési mechanizmussal társul. Maga a „mag” fogalma egy stabil atomcsoporthoz kapcsolódik, szemben a mobil adszorbeált atomokkal. Az ILN-nél az egyrétegű lerakódás során (10 -5 - 10 -7 s) nem történik jelentős adatommozgás: az adatomnak nincs ideje jelentős távolságot elmozdulni, mielőtt új atom jelenik meg, megjelenik mellette egy második, egy harmadik stb. azt. A filmnövekedés gócképződésmentessé válik: a kondenzált rétegbe nem a felszíni kétdimenziós gázból, hanem közvetlenül a gőzfázisból kerülnek az atomok. Mivel az ILI-t mint hibamentes vékony és különösen ultravékony filmek és szuperrácsok előállításának módszerét csak utóbbi évek, eddig csak kutatólétesítményekben valósították meg.

1.5 Elektromos ívpermetezés

A fémek és vegyületeik vékony filmrétegeinek leválasztásának vákuumíves módszerével a bevonat alapját képező anyag áramlását az elektródák eróziója miatt hajtják végre. elektromos ív. Elvileg használható különféle formák stacionárius vákuumív (hideg fogyó katódos ív; forró fogyó katódon elosztott kisülésű ív; az anód anyagának gőzében égő nem fogyó üreges katóddal), amelynek léte az alapvetően eltérő az anyaggenerálás és a katód elektronkibocsátásának önkonzisztens folyamatai. Azonban csak a vákuumív első formáját alkalmazták széles körben.

A hidegen fogyasztható katóddal ellátott elektromos ív több száz atmoszférától tetszőlegesen alacsony nyomástartományban valósul meg, és egy kisfeszültségű (U = 10-30 V) nagyáramú (I = 10 1 - 10 4 A) kisülés, amely égő. a katód anyagának gőze. Ebben az esetben a katódanyag létrehozását vákuumív katódfoltjai végzik. A katódfoltokban helyi intenzív elektronemissziós folyamatok is végbemennek. A katódfoltok száma arányos az ívárammal, az áramsűrűség a foltban nagyon nagy és 10 5 - 10 7 A/cm 2, a katódfoltban a teljesítménykoncentráció 10 7 - 10 8 W/cm 2.

A katódanyag elpárologtatása a katódfolt tartományából (10 -4 - 10 -2 cm jellemző méretekkel) kisfeszültségű ionsugár hatására történik. Ebben az esetben a párolgási termékek egy része ionáram formájában visszatér a katódra (az elektronok keletkezési és emissziós folyamatait támogatva), a többi pedig a rendszer térfogatába kerül, plazmát képezve, amely hatékony generációs termék. A generációs termékek, amelyek fázisösszetételét főként a katódanyag típusa határozza meg, mikrocseppeket (több mikrontól kisebb részecskeméret), gőzt és ionizált fázisokat (különböző sokféleségű ionokat) tartalmaznak. Tűzálló fémeken a cseppfázis részaránya a teljes áramlási sebesség kevesebb, mint 1% -a, alacsony olvadáspontú fémeken - több tíz százalék. Ez a módszer különösen hatékony tűzálló fémek plazmájának előállítására.

Ha a fémek elektromos ívpárologtatója koaxiálisan működik, a katódfoltok hajlamosak a katód oldalfelületére (olyan területre, ahol az anód távolsága minimális). Ez kizárja a filmek lerakódásának lehetőségét a katód végfelülete felett (alatt) elhelyezkedő hordozókon. A katódfoltok megtartására a katód végfelületén 2 típusú szerkezetet használnak.

1. Elpárologtatók katódfoltok elektrosztatikus visszatartásával. Az ilyen típusú kialakításoknál a katód párolgásnak nem kitett oldalfelületét az elpárologtató elektródáktól elválasztott ernyő borítja. A katód oldalfelületére (a képernyő alá) eső katódfolt megszűnik, mivel megszakad a plazma áramlása, amely áramvezetőként szolgál a katódfolt és az anód között. Az elektrosztatikus ernyővel ellátott elpárologtató normál működéséhez az íváramot annyira meg kell növelni, hogy a katód felületén egyidejűleg legalább két katódfolt legyen. Ebben az esetben, amikor egy pont kialszik, az ívet mások támogatják. Az íváram növelése sok esetben nem kívánatos, mivel ez a felvitt bevonatokban a katódanyag cseppfázisának növekedéséhez vezet, ami rontja azok minőségét. Ezért a második típusú terveket használják a legszélesebb körben.

2. Elpárologtatók a katódfoltok mágneses visszatartásával.

A katód foltok visszatartása a katód párolgási felületén mágneses tér segítségével történik. Amikor a katódfolt a katód oldalfelületére mozdul, akkor az áram és a vele szögben beállított mágneses tér kölcsönhatásából származó erő sugárirányú összetevője tartja a katódfoltokat a párolgási felületen. A hideg katód elektromos ívpárologtatása során fellépő komoly probléma a cseppek eróziója a katódpontról, ami mikrohibák megjelenését okozza a kondenzált filmben, és a bevonatok teljesítményjellemzőinek csökkenését okozhatja. A cseppfázis kialakulása a vákuumív katódos folyamataihoz kapcsolódik, és függ mind a katódanyag termofizikai jellemzőitől. fajlagos hő, hődiffúzivitási együttható, olvadáspont, fajolvadási hő, forráspont, telített gőznyomás), munkafelületének állapota (mikroérdesség, repedések jelenléte) és belső térfogata (gázzárványok jelenléte), valamint az olvadáspont technológiai paraméterei bevonat alkalmazása) íváram, árammágnesezés, parciális gáznyomások a beépítési kamrában).

A jelenleg uralkodó elképzelések szerint a folyadékcseppek kibocsátása a vákuumív katódfoltjából akkor következik be, amikor a katód felületén eróziós kráterek képződnek, és ezt a folyékony fém felületére gyakorolt ​​plazmanyomás hatása okozza. A cseppfázis képződésének ez a mechanizmusa nem magyarázza meg a bevonatban lévő mikrocseppek tartalmának kísérletileg megállapított függőségét a katódban lévő gázzárványok tartalmától (különösen azt a tényt, hogy a bevonatokban a mikrocseppek teljes hiánya, ha katódokat használnak 10-6%-nál kisebb gáztartalommal. Azt is meg kell jegyezni, hogy az eróziós kráter oldalfelületéről egy folyékony film olvasztásának és kimosásának folyamata során a cseppek szétszóródásának elsősorban a katód felületéhez képest kis szögben kell történnie. Eközben a cseppek általában rögzítve vannak a bevonatokban, és a katód felületére merőleges irányba szóródnak. Kialakulásuk a szerzők szerint a katódfoltban zajló volumetrikus elpárologtatási (nukleáris forrás) folyamatokhoz kapcsolódik.

E mechanizmus alapján a mikrocseppképződés folyamatának fizikailag jelentős paraméterei azonosíthatók: a gázzárványok koncentrációja a katódban N 0 (meghatározza a magforrást okozó párolgási centrumok számát), a katódfoltban a q teljesítménykoncentráció ( meghatározza az olvadékréteg vastagságát, az olvadékban lévő buborék élettartamát és a buborék fennállásának időtartamának megfelelő sugarát), a katódfolt mozgási sebességét (korlátozza a folyamat időkeretét).

A vákuum elektromos íves eljárással történő bevonatok felhordására szolgáló berendezéseket jellemző fő paraméterek

Fajlagos párolgási sebesség – 2·10 -4 –5·10 -3 g/(cm 2 s);

A bepárlási folyamat hatékonysága 2·10 -6 –10 -5 g/J;

Ionizációs fok – 10-90%;

A keletkezett részecskék energiája – 10 – 100 eV;

Lerakódási sebesség ~5 nm/s.

A vékonyrétegek vákuumelektromos ívpárologtatással történő felhordásának módszerének fő előnyei a következők:

A bevonat sebességének pontos szabályozása az íváram változtatásával;

A bevonat összetételének szabályozása különböző anyagokból származó több katód vagy kompozit (többkomponensű) katód használatával;

A plazmasugár nagy energiája, amely hozzájárul a bevonat magas tapadásához;

Magas fokú ionizáció, elősegíti az atommagok hatékony agglomerációját és a lehető legkisebb vastagságú folyamatos filmek kialakulását;

Lehetőség fémvegyületekből vékony filmek előállítására reakciógáznak a kamrába történő bevezetésével;

A leválasztási folyamat gyárthatósága, amely lehetővé teszi a számítógép használatát a folyamat vezérléséhez.

elektronsugaras porlasztásos epitaxia

A termikus vákuumleválasztásnak számos hátránya és korlátja van, amelyek közül a legfontosabbak a következők:

A tűzálló anyagok (W, Mo, SiO 2, Al 2 O 3 stb.) porlasztása magas hőmérsékletet igényel az elpárologtatón, amelynél elkerülhetetlen az áramlás szennyeződése az elpárologtató anyagával;

Az ötvözetek szórásakor az egyes komponensek párolgási sebességének különbsége a fólia összetételének megváltozásához vezet az elpárologtatóba helyezett anyag kezdeti összetételéhez képest;

A folyamat tehetetlensége, amely elektromágneses hajtású lengéscsillapítót igényel a munkakamrába;

Egyenetlen rétegvastagság, hordozómozgató eszközök és korrekciós membránok használatára kényszerítve.

Az első három hátrány az anyag magas hőmérsékletű melegítésének szükségessége, az utolsó pedig a munkakamrában lévő nagy vákuum miatt.

Az ionporlasztó készülékek működési elve olyanon alapul fizikai jelenségek, mint például a gázrészecskék ionizálása, a vákuumban történő izzítókisülés és az anyagok porlasztása gyorsított ionokkal történő bombázással.

Az ionizáció a semleges gázrészecskék (atomok és molekulák) pozitív töltésű ionokká történő átalakításának folyamata. Ennek a folyamatnak a lényege a következő. A két elektróda közötti gáz mindig több szabad elektront tartalmaz. Ha az elektródák között az anód és a katód, hozzon létre elektromos mező, ez a mező felgyorsítja a szabad elektronokat. Amikor egy semleges gázrészecskével találkozik, a felgyorsított primer elektron kiüt belőle egy szekunder elektront, és a semleges gázrészecskét pozitív töltésű ionná változtatja. Így az ütközés következtében egy új töltött részecskepár jelenik meg: egy kiütött szekunder elektron és egy pozitív töltésű ion.

A visszavert primer elektron és a szekunder elektron viszont az elektromos tér hatására felgyorsulhat, és semleges gázrészecskékkel kölcsönhatásba lépve töltött részecskepárt alkotnak. Így alakul ki egy lavinaszerű folyamat, amelyben kétféle töltött részecske jelenik meg egy gáznemű közegben, és a gáz, normál körülmények között elektromos szigetelő, vezetővé válik.

A porlasztáshoz vezető kölcsönhatási folyamattal kapcsolatos modern elképzelések azt sugallják, hogy egy ion anyagba való behatolása következtében az elmozdult atomok bináris rugalmas ütközésének kaszkádja következik be, amelyben energia és lendület cserélődik az atomok között. Egy ütközési kaszkád átlagos fejlődési ideje kb. 2·10 -13 s. Az ütközések kaszkádjának végeredménye az lehet, hogy egy felszíni atomra (~1 nm vastag rétegben) elegendő energia és a kívánt irányú impulzus (a szilárd-vákuum határfelület irányába) kerül át, hogy a a felületre kötődő erők, ami porlasztáshoz vezet.

Az ionbombázásos porlasztásos folyamat „hideg” eljárás, mert... A szubsztrátra jutó atomi anyagáramlás úgy jön létre, hogy egy szilárd minta (célpont) felületét inert gáz ionjaival bombázzák, és az atomok felületét olyan energiára gerjesztik, amely meghaladja a szomszédos atomok kötési energiáját. Az ehhez szükséges ionáramot elektromos gázkisülésben hozzák létre, amelyhez a munkakamrában a gáznyomásnak 0,1 × 10 Pa-on belül kell lennie, i.e. több nagyságrenddel magasabb, mint a termikus vákuumszóró beépítési kamrában.

Ez utóbbi körülmény az atomok áramlásának a céltárgyból való szétszóródásához és a felvitt film vastagságának egyenletességének ±1%-os növekedéséhez vezet további eszközök használata nélkül.

Az ionporlasztásos módszer a lerakott anyagból készült céltárgy gyors részecskékkel történő bombázásán alapul. A bombázás eredményeként a célpontból kiütött részecskék lerakódott anyagáramot képeznek, amely vékony film formájában rakódik le a céltól bizonyos távolságra elhelyezkedő szubsztrátumokon.

Az ionporlasztó berendezések működési jellemzőit és kialakítását meghatározó fontos tényező a célpontot bombázó ionok előállításának módja. Ennek megfelelően az ionporlasztó berendezéseket egyszerű kételektródos vagy magnetronos rendszerrel látják el.

2.1 Katód porlasztás

Katód porlasztási módok.

A 6a ábra a kisülés áram-feszültség karakterisztikáját mutatja. Több kilovoltos állandó feszültség alkalmazásakor az elektródák közötti rés megszakad, az áramerősség gyors növekedése és a feszültség csökkenése a kisülésben (I. kisülési gyújtási tartomány). Az Rн ellenállás csökkenése miatti kisülési áram növekedésével a célkatód kisüléssel lefedett területe megnő, a kisülési áramsűrűség és a kisülési feszültség állandó és alacsony marad, a porlasztási sebesség pedig alacsony ( normálisan izzó kisülés II). A III. régióban a teljes célterületet lefedi a kisülés, és a kisülési áram növekedése a kisülési áramsűrűség, a kisülési feszültség és a porlasztási sebesség növekedéséhez vezet. A III. régiót, amelyet anomális izzó kisülésnek neveznek, munkaterületként használják a katódporlasztási folyamatokban. Az ívkisülési tartományba (IV. régió) való átmenet megakadályozása érdekében intenzív vízhűtés célok és a tápellátás korlátozása.

ábrán. A 6b. ábrán az áram-feszültség karakterisztika III. munkaterülete van kiemelve. A karakterisztika meredeksége ebben a tartományban a munkagáz, esetünkben az argon nyomásától függ. Működési pont, amely a feldolgozási módokat - P gáznyomás, J p áram és U p kisülési feszültség - jellemzi, az áramforrás terhelési karakterisztikáján fekszik

(2.1)

ahol U p a tápfeszültség.

Másrészt a célporlasztási sebesség W g/cm 2 × s

(2.2)

ahol C a permetezett anyag típusát és a munkagáz típusát jellemző együttható;

U nc - normál katódfeszültségesés (az áram-feszültség karakterisztika II. régiója);

j p - kisülési áramsűrűség;

d TP - a sötét katód tér szélessége.

A (2.2)-ből az következik, hogy a legnagyobb porlasztási sebességet a kisülésben felszabaduló maximális teljesítmény mellett érjük el. A terhelési karakterisztika szerint (2.1)

(2.3)

Ebben az esetben egyértelműen meghatározott optimális értéküzemi gáznyomás. Az U n és R n értékeinek megválasztásának meg kell akadályoznia az ívkisülési tartományba való átmenetet, amelyben nagy részecskék kilökődése figyelhető meg a célpontból, és egyenletes vastagságú vékony filmréteg rakódik le. lehetetlen.

2.2 Magnetron porlasztás

A katódporlasztási eljárás korlátai és hátrányai a következők:

Csak olyan vezetőképes anyagok porlasztásának lehetősége a kisülésbe, amelyek elektronokat bocsátanak ki a kisülésbe, ionizálják az argonmolekulákat és támogatják a kisülés égését;

Alacsony filmnövekedési sebesség (egység nm/s) a porlasztott anyagatomok jelentős diszperziója miatt a munkakamra térfogatában.

Az izzító kisülésen alapuló különféle módszerek a magnetronos porlasztás. A magnetronionos porlasztórendszerek olyan dióda típusú porlasztórendszerek, amelyekben a porlasztott anyag atomjai eltávolítódnak a céltárgy felületéről, amikor azt a munkagáz (általában argon) ionjai bombázzák a rendellenes izzítókisülés plazmájában. A porlasztási sebesség növeléséhez növelni kell a céltárgy ionbombázásának intenzitását, vagyis az ionáram sűrűségét a célfelületen. Erre a célra egy B mágneses teret használnak, melynek erővonalai párhuzamosak a szórt felülettel és merőlegesek az E elektromos erővonalakra.

A katódot (célpontot) a mágneses rendszer által létrehozott keresztezett elektromos (katód és anód közé) és mágneses térbe helyezik. A mágneses mező jelenléte a céltárgy porlasztott felülete közelében lehetővé teszi, hogy az anomális izzó kisülés plazmáját közvetlenül a célpontra lokalizálják. Arcs távvezetékek B zártak a mágneses rendszer pólusai között. A B térvonalak be- és kilépési pontjai között elhelyezkedő, intenzíven porlasztott célfelület zárt pálya alakú, melynek geometriáját a mágneses rendszer pólusainak alakja határozza meg. Ha állandó feszültséget kapcsolunk a célpont (negatív potenciál) és az anód (pozitív vagy nulla potenciál) közé, nem egyenletes elektromos tér keletkezik, és rendellenes izzítókisülés gerjesztődik. A katódból ionbombázás hatására kibocsátott elektronokat a mágneses tér befogja, és mintegy csapdában találja magát, amelyet egyrészt az a mágneses tér hoz létre, amely visszavezeti az elektronokat a katódra, másrészt pedig másrészt a céltárgy felülete által, amely taszítja az elektronokat. Ennek eredményeként az elektronok bonyolult cikloidális mozgáson mennek keresztül a katódfelület közelében. E mozgás során az elektronok számos ütközésbe esnek argon atomokkal, magas fokú ionizációt biztosítva, ami a célpont ionbombázásának intenzitásának növekedéséhez és ennek megfelelően a porlasztási sebesség jelentős növekedéséhez vezet.

A magnetron ion porlasztó rendszerek fő paraméterei:

Fajlagos permetezési mennyiség – (4-40)·10 -5 g/(cm 2 ·s);

Az előállítási folyamat hatásfoka (réz esetében) 3·10 -6 g/J;

A keletkezett részecskék energiája 10-20 eV;

A lerakódott részecskék energiája – 0,2-10,0 eV;

Lerakódási sebesség 10-60 nm/s;

Üzemi nyomás – (5-50)·10 -2 Pa.

A magnetronos porlasztórendszerek fő előnyei a következők:

Magas porlasztási sebesség alacsony üzemi feszültség (≈500 V) és alacsony üzemi gáznyomás mellett;

Alacsony sugárzási hibák és a hordozók túlmelegedésének hiánya;

Alacsony fokú filmszennyeződés idegen gázzárványokkal;

Lehetőség van egyenletes vastagságú fóliák előállítására nagy terület szubsztrátok.

2.3 Nagyfrekvenciás porlasztás

A nagyfrekvenciás porlasztást akkor kezdték el alkalmazni, amikor dielektromos anyagok alkalmazására volt szükség. A fémeket és a félvezető anyagokat általában állandó feszültséggel porlasztják a céltárgyon. Ha a célanyag egy dielektrikum, akkor a célelektródon állandó feszültség mellett a porlasztás gyorsan leáll, mivel a dielektrikum felülete az ionbombázás során pozitív potenciált kap, amely után szinte az összes pozitív ion visszaverődik. A dielektromos porlasztási folyamat végrehajtásához rendszeresen semlegesíteni kell a pozitív töltést. Ebből a célból 1-20 MHz frekvenciájú RF feszültséget vezetnek a közvetlenül a porlasztott dielektromos célpont mögött elhelyezkedő fémlemezre (a rádiófrekvenciás porlasztás leggyakoribb frekvenciája 13,56 MHz, ipari felhasználásra engedélyezett).

Ha a feszültség félhulláma negatív, a hagyományos katódporlasztás történik a dielektromos célponton (katódon). Ebben az időszakban a céltárgy felülete pozitív ionokkal töltődik fel, aminek következtében a célpont ionos bombázása leáll. Pozitív félhullámú feszültségnél a célpontot elektronokkal bombázzák, amelyek semlegesítik a célfelület pozitív töltését, lehetővé téve a porlasztást a következő ciklusban.

Az anyagok nagyfrekvenciás porlasztására szolgáló berendezésekben elérhető fő paraméterek:

Fajlagos permetezési sebesség - 2·10 -7 - 2·10 -6 g/(cm 2 s);

A permetezési eljárás hatékonysága (réznél) 6·10 -7 g/J;

A keletkezett részecskék energiája 10-200 eV;

Lerakódási sebesség – 0,3-3,0 nm/s;

A lerakódott részecskék energiája – 0,2-20 eV;

Az üzemi nyomás a beépítési kamrában 0,5-2,0 Pa.

2.4 Plazmaion-porlasztás nem önfenntartó gázkisülésben

Az ilyen típusú permetező rendszerekben a gázkisülés elégetését kiegészítő forrás (mágneses tér, RF mező, termikus katód) támogatja. A 7. ábra egy háromelektródos porlasztórendszert mutat be, amelyben további elektronforrásként termionos katódot használnak.

A termikus katód (1) elektronokat bocsát ki az anód (3) felé. Ez az áramlás ionizálja a maradék gázt, fenntartva a kisülés égését. A porlasztott céltárgyra (2) nagy negatív potenciált alkalmaznak, ami pozitív plazmaionokat (4) von be a céltárgyra, és bombázza a felületét, ami a célanyag porlasztását okozza. Az 5 párnák a célponttal szemben helyezkednek el, és porlasztott anyag kerül rájuk.

A nem önfenntartó gázkisülés alkalmazása lehetővé teszi a bevonat felvitelét alacsony üzemi nyomáson a beépítési kamrában (5·10 -2 Pa), ami biztosítja a fólia által felfogott gázok koncentrációjának csökkenését is. mint a lerakódott részecskék átlagos energiájának növekedése a permetezett részecskék gázmolekulákkal való ütközésének számának csökkenése miatt a szubsztráthoz vezető útvonalakon.

A szóban forgó 3 elektródos rendszerben a porlasztási sebességet a termikus katód emissziós árama, a beépítési kamrában uralkodó nyomás és a céltárgy feszültsége szabályozza, és széles tartományban változhat (1-1000 A/perc).

Így a triódaporlasztó rendszerek előnyei a szabványos diódaporlasztó rendszerekhez képest a következők: nagyobb leválasztási sebesség; csökkenti a porozitást és növeli a lerakódott filmek tisztaságát; növeli a filmek tapadását az aljzatokhoz.

A tiszta felületek elérésének klasszikus módszere sok anyagon a párolgás és a kondenzáció ultranagy vákuumban. A fémekből vagy elemi félvezetőkből vákuumpárologtatással előállított vékony filmek általában polikristályosak vagy amorfak, pl. a felület határozott krisztallográfiai orientációja lehetetlen bennük.

A többrétegű szerkezetek technológiájának biztosítania kell a réteges szerkezetek anyagainak magas minőségi növekedését és ezen anyagok közötti határfelületek tökéletességét. Csak ebben az esetben valósulhatnak meg a félvezető szuperrácsokban és többrétegű mágneses struktúrákban rejlő potenciálképességek.

Vékony, jó minőségű filmek és többrétegű szerkezetek előállításához leggyakrabban a filmanyag epitaxiális növekedésének mechanizmusait használják a megfelelő egykristályos hordozón. A legszélesebb körben alkalmazott módszer a molekuláris nyaláb epitaxia (MBE), amely lehetővé teszi tökéletes egykristály rétegek kialakítását különböző anyagokból ultramagas vákuum körülmények között. Ezt a módszert sikeresen alkalmazták félvezetők, fémek, dielektrikumok, mágneses anyagok, magas hőmérsékletű szupravezetők és sok más anyag vékony filmjének növesztésére. A mai napig meglehetősen nagy mennyiségű elméleti kutatás és gyakorlati munka halmozódott fel ezen a területen, így az MBE technológia a legelterjedtebb módszer a félvezető szuperrácsok és többrétegű mágneses szerkezetek előállítására.

Az elmúlt években a fém-szerves vegyületeket (RGF MOC) használó gázfázisú növekedés technológiája egyre elterjedtebb a félvezető szuperrácsok termesztésére. Ez a módszer is alkalmazza az anyagok epitaxiális növekedésének folyamatát fűtött hordozón fémorganikus vegyületek hőbontása során. Az RGF MOS módszerben a növekedési mechanizmusokat nem vizsgálták olyan mélyre, mint az MBE-ben, de a legtöbb A III B V, A II B IV és A IV B VI félvezető vegyületet sikeresen termesztik ezzel a módszerrel.

A félvezető szuperrácsok előállítására szolgáló epitaxiális növesztési eljárások közül a folyadékfázisú epitaxia is alkalmazható, amelyben a szubsztrátummal érintkező túltelített oldatokból egykristályos rétegeket nyernek. A hőmérséklet csökkenésével több félvezető rakódik le az oldatból a hordozóra, ami a félvezető anyag oldhatóságának csökkenésével jár. A legjobb eredményeket az A III B V típusú félvezető vegyületek és szilárd oldataik folyadékfázisú epitaxiája éri el. A többrétegű félvezető szerkezeteket többkamrás folyadékfázisú epitaxiás reaktorokban állítják elő úgy, hogy egymás után hoznak létre kapcsolatot különböző olvadékokkal.

Vékony mágneses filmek és többrétegű mágneses szerkezetek különféle porlasztási módszerekkel állíthatók elő, beleértve a nagyfrekvenciás és magnetronos porlasztást. Ezek a módszerek lehetővé teszik szinte bármilyen összetételű réteg előállítását. Egyes kutatók úgy vélik, hogy a többrétegű mágneses szerkezetek technológiájának legjobb lehetőségei adódnak különféle módszerek elektrolitikus lerakódás.

3.1 Vékony filmek epitaxiális növekedésének mechanizmusai

A növekedési mechanizmusokkal kapcsolatos kérdések rendkívül fontossá válnak heterostruktúrák és többrétegű struktúrák létrehozásakor, amelyek a 100 Å-nél kisebb vastagságú összetétel legmagasabb fokú homogenitását igénylik.

Az epitaxiális növekedést kísérő legfontosabb egyedi atomi folyamatok a következők:

Alkotó atomok vagy molekulák adszorpciója a szubsztrát felületén;

Az atomok felszíni migrációja és az adszorbeált molekulák disszociációja;

Atomok kötődése a szubsztrát kristályrácsához vagy korábban kinőtt epitaxiális rétegekhez;

A kristályrácsba nem ágyazott atomok vagy molekulák termikus deszorpciója.

Az új anyag gázfázisból a szubsztrátumra történő kondenzációját az atomok vagy molekulák a szubsztrátummal való ütközésének sebessége határozza meg (az egységnyi idő alatt, egységnyi területre érkező részecskék száma)

(3.1)

ahol p a gőznyomás, M a részecskék molekulatömege, k a Boltzmann-állandó és T a forrás hőmérséklete.

A gázfázisból kondenzált részecske azonnal elhagyhatja a szubsztrátum felületét, vagy átdiffundálhat a felületen. A felületi diffúzió folyamata egy részecske adszorpciójához vezethet egy szubsztrát vagy növekvő film felületén, vagy felületi aggregációs folyamathoz, amelyet a kondenzált anyag új kristályos fázisának magjai képződnek a felületen. Az egyes atomok adszorpciója általában a növekedési lépésekben vagy más hibákban fordul elő. Játszik az interdiffúzió atomi folyamata, amelyben a film és a szubsztrát atomjai helyet cserélnek fontos szerep epitaxiális növekedés során. A folyamat eredményeként az aljzat és a növekvő fólia közötti határfelület simábbá válik.

Az MBE során az epitaxiális növekedést kísérő felszíni folyamatok kvantitatívan leírhatók. A fent tárgyalt egyes atomi folyamatok mindegyikét saját aktiválási energiája jellemzi, és első közelítéssel egy exponenciális törvénnyel ábrázolható. Deszorpciós sebesség, pl.

(3.2)

ahol E d a deszorpciós folyamat aktiválási energiája, T s a szubsztrátum hőmérséklete.

Fenomenológiai szinten a vékony epitaxiális filmek növekedésének három fő típusát különböztetjük meg:

1. Rétegről rétegre történő növekedés. Ezzel a növekedési mechanizmussal minden következő filmréteg csak az előző réteg növekedése után kezd kialakulni. Ezt a növekedési mechanizmust Frank-van der Merwe (FM) növekedésnek is nevezik. Rétegenkénti növekedés akkor következik be, ha a szubsztrát és az atomréteg közötti kölcsönhatás lényegesen nagyobb, mint a réteg legközelebbi atomjai között. A rétegenkénti filmnövekedés vázlatos ábrázolása különböző fedettségi fokok  esetén (az egyrétegű rétegek ML frakcióiban) az 1. ábrán látható. 8, a.

2. Szigetnövekedés vagy Vollmer-Weber növekedés (szigetnövekedés, Vollmer Weber, VW). Ez a mechanizmus pontosan az ellentéte a rétegenkénti növekedésnek. Megvalósításának feltétele a közeli atomok közötti kölcsönhatás túlsúlya ezen atomok és a szubsztrátum közötti kölcsönhatás felett. A szigetnövekedési mechanizmussal az anyag kezdettől fogva többrétegű atomkonglomerátumok formájában ülepedik a felszínen (lásd 8b. ábra).

3. E két mechanizmus közti köztes a Stransky-Krastanov (SK, réteg-plusz-szigetnövekedés) növekedés, amelyben az első réteg teljesen beborítja a hordozó felületét, és háromdimenziós filmszigetek nőnek rajta. Számos tényező vezethet ehhez a mechanizmushoz, különösen a film és a hordozó kristályrácsainak paraméterei közötti meglehetősen nagy eltérés (lásd a 8c. ábrát).

Az egyik vagy másik növekedési mechanizmus megvalósítását behatároló feltétel a szubsztrát és a vákuum  S, a film és a vákuum  F, valamint a szubsztrát és a fólia közötti  S / felületi feszültség együtthatói közötti kapcsolatok elemzéséből nyerhető ki. F (9. ábra).

Egy felület felületi feszültségének együtthatója egyenlő egységnyi felület szabadenergiájával. Ennek megfelelően ezek az együtthatók határozzák meg a felületi hossz egységnyi elemére ható felületi feszültségi erőket. E meghatározás szerint a két közeg közötti interfész dl végtelen kicsi elemére ható dF erő egyenlő

Az egyensúlyi feltételből a hordozó érintkezési vonalának hosszának bármely elemére, a film és a vákuum háromdimenziós szigetére (9. ábra) kapunk.

ahol  az érintkezési szög, azaz. a filmsziget felületének és a hordozó felületének érintője által bezárt szög.

Ha az érintkezési szög nulla, akkor a sziget „terül” vékonyréteg a szubsztrát felülete mentén, ami egy rétegenkénti növekedési mechanizmusnak felel meg. Ez a feltétel a következő összefüggéshez vezet a felületi feszültségi együtthatók között:

, rétegről rétegre növekedés (3.4)

Ha , megvalósul a szigetnövekedési mechanizmus, melynek feltétele az

szigetek növekedése (3,5)

Az egyik vagy másik növekedési mechanizmus megvalósításának körülményeinek teljesebb levezetéséhez figyelembe kell venni a gázfázis hatását a film növekedési tartományában a kialakuló film és a hordozó közötti egyensúlyi állapotra.

Egy másik, a szakirodalomban gyakran tárgyalt növekedési mechanizmus a statisztikai üledékképződés. Ezzel a filmnövekedési mechanizmussal a lerakódott anyag atomjai a Poisson-eloszlás szerint úgy helyezkednek el a felületen, mintha véletlenszerűen lennének kidobva, és egyszerűen megtapadnának az ütközési ponton.

3.2 Molekulasugaras epitaxia

A molekuláris nyaláb epitaxia (MBE) lényegében a vékony filmek vákuumleválasztási technológiájának tökéletesebbé tétele. Különbsége a klasszikus vákuumleválasztási technológiától magasabb szintű folyamatszabályozással jár. Az MBE-módszerben a fűtött egykristály hordozón vékony egykristály rétegek jönnek létre a molekula- vagy atomnyalábok és a hordozó felülete közötti reakciók következtében. A szubsztrátum magas hőmérséklete elősegíti az atomok felszín feletti vándorlását, aminek következtében az atomok szigorúan meghatározott pozíciókat foglalnak el. Ez határozza meg az egykristályos hordozón kialakított film orientált kristálynövekedését. Az epitaxiás folyamat sikere a film és a szubsztrát rácsparaméterei közötti kapcsolattól, a beeső nyalábok intenzitása és a szubsztrátum hőmérséklete közötti helyesen megválasztott összefüggésektől függ. Amikor egy egykristályos film a filmanyagtól eltérő hordozón nő, és nem lép kémiai kölcsönhatásba vele, ezt a folyamatot heteroepitaxiának nevezik. Ha a szubsztrátum és a film kémiai összetételében nem vagy kismértékben különbözik egymástól, a folyamatot homoepitaxiának vagy autoepitaxiának nevezik. A filmrétegek orientált növekedését, amely kémiai kölcsönhatásba lép a szubsztrátum anyagával, kemoepitaxiának nevezik. A film és a szubsztrátum közötti határfelületnek ugyanaz a kristályszerkezete, mint a hordozóé, de összetételében eltér mind a filmanyagtól, mind a szubsztrátum anyagától.

A vékonyrétegek és többrétegű szerkezetek termesztésére használt egyéb technológiákhoz képest az MBE-t elsősorban alacsony növekedési sebesség és viszonylag alacsony növekedési hőmérséklet jellemzi. Ennek a módszernek az előnyei közé tartozik a különböző anyagok molekuláris nyalábjainak a szubsztrát felületére való érkezésének éles megszakításának és azt követő újraindulásának lehetősége, ami a legfontosabb a rétegek közötti éles határokkal rendelkező többrétegű struktúrák kialakításához. A tökéletes epitaxiális struktúrák létrejöttéhez hozzájárul az a képesség is, hogy a növekvő rétegek szerkezetét, összetételét és morfológiáját a kialakulásuk során elemezzük visszavert nagyenergiájú elektrondiffrakcióval (EBRD) és Auger elektronspektroszkópiával (EOS).

Lent a 10. ábrán. Az MBE növekedési kamra egyszerűsített diagramja látható.

Az ultranagy vákuumban lerakott anyagok elpárologtatása fűtőberendezéssel ellátott manipulátorra szerelt hordozóra effúziós cellák segítségével történik (az effúzió a gázok lassú áramlása kis lyukakon keresztül). Az effúziós cella diagramja a 11. ábrán látható. Az effúziós cella pirolitikus bór-nitridből vagy nagy tisztaságú grafitból készült hengeres üveg. A tégely tetején egy tantálhuzalból készült fűtőspirál és egy általában tantálfóliából készült hőpajzs található.

Az effúziós cellák 1400 0 C-ig működhetnek, és 1600 0 C-ig bírják a rövid távú felmelegedést. A vékony mágneses filmek és többrétegű szerkezetek technológiájában használt tűzálló anyagok elpárologtatására az elpárolgott anyagot elektronbombázással hevítik. Az elpárolgott anyag hőmérsékletét a tégelyhez nyomott volfrám-rénium hőelem szabályozza. Az elpárologtató külön karimára van felszerelve, amelyen elektromos vezetékek találhatók a fűtőelem és a hőelem táplálására. Általában több párologtató található egy növekedési kamrában, amelyek mindegyike tartalmazza a fóliák és adalékanyagok fő összetevőit.

A modern MBE technológiai komplexumok növekedési kamrái rendszerint egy kvadrupól tömegspektrométerrel vannak felszerelve a kamra maradék atmoszférájának elemzésére és az elemi összetétel monitorozására a teljes technológiai folyamat során. A kialakult epitaxiális struktúrák szerkezetének és morfológiájának szabályozására a növekedési kamrában egy reflektált gyorselektron-diffraktométer is található. A diffraktométer egy elektronágyúból áll, amely 10-40 keV energiájú, jól fókuszált elektronsugarat hoz létre. Az elektronsugár a hordozóra esik egy nagyon kis szög síkjához a szórt elektronhullámok adnak diffrakciós mintát lumineszcens képernyőn. Gyakran növekedési kamrákban vagy többkamrás MBE komplexekben a kamrában található egy elektronágyú a másodlagos elektronok energiaelemzőjével és egy ionpisztoly a szubsztrátumok ionmaratással történő tisztítására és az epitaxiális struktúrák összetételének rétegenkénti elemzésére. szubsztrátok és epitaxiális struktúrák előkészítésére és elemzésére.

A technológiai folyamat szempontjából a növekedési kamra legfontosabb területe az effúziós sejtek és a szubsztrát között található (10. ábra). Ez a terület három zónára osztható, amelyeket az ábrán az I, II és III számok jelölnek. Az I. zóna a molekuláris nyalábok keletkezési zónája, ebben a zónában az egyes effúziós sejtek által alkotott molekulasugarak nem metszik egymást, és nem hatnak egymásra. A második zónában (II. zóna - az elpárolgott elemek keveredési zónája) a molekuláris nyalábok metszik egymást, és keveredés következik be. különféle alkatrészek. A III. zóna – a kristályosodási zóna – a hordozó felületének közvetlen közelében található. Ebben a zónában az epitaxiális növekedés a molekuláris nyaláb epitaxia folyamata során következik be.

A molekuláris nyaláb epitaxia automatizált többmodulos komplexeit ma már széles körben használják az iparban és a kutatólaboratóriumokban. A modul egy installáció része, amelyet funkcionális és tervezési jellemzők különböztetnek meg. A modulok technológiai és segédmodulokra vannak osztva. Mindegyik technológiai modul egy adott technológiai folyamat végrehajtására készült (hordozók tisztítása és felületük állapotának elemzése, félvezető fóliák epitaxiája, fémek és dielektrikumok lerakása stb.). Segédmodulok például a szubsztrátumok be- és kirakodására szolgáló modulok, a vákuumkamrák előzetes szivattyúzására és gáztalanítására szolgáló modulok stb. Az MBE komplexum a technológiai feladatoktól függően eltérő számú speciális modullal is felszerelhető, amelyeket átjáró eszközök és rendszer a hordozók és minták egyik modulból a másikba történő mozgatására a vákuum feltörése nélkül.

Az MBE-berendezések létrehozása irányába mutató fejlesztési tendenciák a beépített analitikai berendezések egyre szélesebb körben elterjedt használatához és a technológiai folyamat automatizálásához kapcsolódnak, ami lehetővé teszi a kifejlett epitaxiális struktúrák tulajdonságainak reprodukálhatóságának javítását és összetett többrétegű struktúrák létrehozását. . A komplexum analitikai berendezését a PAP modul képviseli beépített Auger spektrométerrel és ionpisztollyal a szubsztrátumok tisztítására és az Auger profilozásra. Mindegyik EPS és EPM blokk tartalmaz egy tömegspektrométert a maradék gázok és molekuláris nyalábok figyelésére, valamint egy visszavert gyors elektrondiffraktométert az epitaxiális rétegek szerkezetének és morfológiájának nyomon követésére a növekedési folyamat során. A komplexum a vákuum-mechanikai rendszeren kívül tartalmaz egy automatizált folyamatirányító rendszert, amely lehetővé teszi a technológiai folyamatok független és egyidejű vezérlését, mind kezelői irányítás mellett, mind automatikus üzemmódban.

A vékony filmeket széles körben használják a technológiában kopás- és korrózióálló, súrlódásgátló, védő- és dekorációs, valamint egyéb bevonatokként. Széles körben alkalmazzák az optikában (polarizáló szűrők, sugárosztók, tükröződésgátló bevonatok stb.), valamint az elektronikai iparban eszközök és integrált áramkörök gyártásában (ohmikus érintkezők, áramvezető pályák, kondenzátorok gyártása, mágneses fólián lévő eszközök, stb.) félvezető epitaxiális filmek).

Irodalom

1. Epifanov G.I., Moma Yu.A. A REA és az EVA tervezésének és technológiájának fizikai alapjai: Tankönyv egyetemek számára. – M.: Szovjet rádió, 1979. – 352 p.

2. Filmek vákuum leválasztása kvázi zárt térfogatban. M., „Szovjet Rádió”, 1975, 160 o. / Yu. Z. Bubnov, M. S. Lurie, F. G. Staros, G. A. Filaretov.

3. Félvezető eszközök és mikroelektronikai termékek technológiája. 10 könyvben: Tankönyv. Előny a szakiskolák számára. Könyv 6. Filmek alkalmazása vákuumban / Minaychev V. E. – M.: Higher. iskola, 1989. – 110 p.: ill.

4. Efimov I. E. et al., Microelectronics. Fizikai és technológiai alapok, megbízhatóság. Tankönyv Kézikönyv egyetemeknek. M: "Feljebb. iskola", 1977. – 416 p. beteggel.

5. Karpenko G. D., Rubinshtein V. L. A lerakódott anyag előállításának modern módszerei vékonyréteg-bevonatok vákuumban történő felhordásakor. Minszk: BelNIINTI, 1990 – 36 p.

6. Kostrzhitsky A.I., Lebedinsky. Többkomponensű vákuumbevonatok. –M: „Gépészet”, 1987 – 207 p.

7. Butovsky K. G., Lyasnikov V. N. Permetezett bevonatok, technológia és berendezések. – Szaratov: „Saratov állam. tech. Egyetem, 1999 – 117 p.

8. Kudinov V.V., Bobrov G.V. Spray bevonat. Elmélet, technológia és berendezések. – M.: „Kohászat”, 1992 - 431 p.

9. O.S.Trushin, V.F.Bochkarev, V.V.Naumov. Filmek epitaxiális növekedési folyamatainak modellezése ion-plazma porlasztás körülményei között.//Microelectronics, 2000, 29. kötet, 4. szám, 296-309.

Navigáció:

A vákuumleválasztási eljárás a bevonatok (vékonyrétegek) vákuumgömbben történő leválasztására szolgáló eljárások egy csoportjából áll, ahol a kompenzáció az elem által okozott gőz közvetlen kondenzációjával történik.

A vákuumleválasztásnak a következő szakaszai vannak:

• Gázok (gőz) előállítása kompenzációt előállító alkatrészekből;
• Gőzök szállítása az aljzatra;
• Gőzök felhalmozódása az aljzatban és porlasztás kialakulása;

A vákuumleválasztási módszerek listája a következő tudományos-technikai irányzatokat tartalmazza, és ezen kívül ezeknek a műveleteknek a gyors típusait.

A termikus permetezési módszerek listája:

• Bepárlás galvanikus sugárral;
• Párolgás lézersugár segítségével.

Vákuumos ívpárologtatás:

• A katódfoltban az alapanyag elpárolog, ezért elektromos ív felelős;
• Epitaxia molekuláris nyaláb segítségével.

Ionszórás:

• A kiindulási nyersanyagokat ionbombázással porlasztják, és ráütik a hordozóra.

Alkalmazás

A vákuumkompenzációt síkban lévő alkatrészek, eszközök és működő bevonatok - vezetők, szigetelők, kopásálló, korrózióálló, erózióálló, súrlódásgátló, kopásgátló, akadály és mások - fejlesztésére használják. Ezeket a manipulációkat dekoratív bevonatok felvitelére használják, például aranyozott felületű óraszerkezetek összeszerelésekor és szemüvegkeretek bevonásakor. A mikroelektronika egyik fő művelete, ahol vezető rétegek felvitelére (fémezés) használják. Vákuumkompenzációt használnak az optikai bevonatok kivonására: tükröződésgátló, fényvisszaverő, szűrő.

Kémiailag aktív gáz, például az acetilén (a szén bejuttatására szolgáló bevonatok céljára), nemfém, légteret, bevezethető a tudomány és a műszaki területre. Chem. az aljzat síkjában a reakciót a gázrendszer valamelyik konfigurációjának felmelegítése vagy ionizációja és disszociációja váltja ki.

A vákuumleválasztási módszerek alkalmazásának köszönhetően olyan bevonatot kapunk, amelynek vastagsága több angström vagy több mikron is lehet, általában a lerakódás eredményeként a felület nem igényel további feldolgozást.

Vákuumos leválasztási módszerek

A permetezett komponens minden szemcséjének sorsa a felülettel való ütközéskor az energiától, a felületi hőmérséklettől és a kémiai tulajdonságaitól függ. filmelemek és komponensek affinitása. A síkot elérő atomoknak vagy molekuláknak minden lehetőségük megvan arra, hogy vagy visszaverődjenek róla, vagy adszorbeálódjanak, és egy bizonyos idő elteltével elhagyják (deszorpció), vagy adszorbeálódjanak és kondenzátumot hozzanak létre a síkban (kompaktor). Magas szemcseenergiánál, magas síkhőmérsékletnél és jelentéktelen vegyszernél affinitás, az elem visszaverődik a felületről. Az alkatrész síkjának a hőmérsékletét, amely felett minden részecske visszaverődik róla, és a réteg nem képződik, a vákuumlerakódás súlyos hőmérsékletének nevezzük, jelentősége a film elemeinek jellegétől és a film síkjától függ. alkatrészekről és a sík állapotáról. Az elpárolgó elemek rendkívül kis áramlása esetén, beleértve azt az esetet is, amikor ezek a részecskék a síkban adszorbeálódnak, de ritkán találkoznak más hasonló részecskékkel, deszorbeálódnak, és nem tudnak magokat létrehozni, vagyis a réteg egyáltalán nem nő. Az elpárolgó komponensek áramlásának komoly gyakorisága adott síkhőmérsékleten az a legkisebb sűrűség, amelynél a részecskék lecsapódnak és bevonatot képeznek.

Vákuumos plazma permetezés

Ezzel a módszerrel 0,02-0,11 mikron vastagságú vékony filmeket kapunk a komponens felmelegítése, elpárologtatása és a hordozóra történő lerakódása következtében egy külön kamrában, sűrített gáznyomás alatt. A maradék gázok legnagyobb hatását a kamrában vákuumszivattyúval hozzuk létre, körülbelül 1,2x10-3 Pa.

A munkakamra magában foglal egy fém ill üvegburkolat a külső vízhűtés fogalmával. A kamra a központi lemezben található, és vákuumvédett kapcsolatot hoz létre vele. Az a szubsztrát, amelyben a leválasztás történik, egy tartón van rögzítve. Az aljzat mellett egy fűtőelem található, amely az aljzatot 2400-4400 °C-ra melegíti fel, hogy javítsa a szórt film tapadását. A kondenzátor tartalmaz egy fűtőelemet és egy forrást a permetezett komponenshez. Az átmeneti csappantyú blokkolja a gőz áramlását az elpárologtatóból az aljzatba. A kompenzáció addig tart, amíg a redőny nincs becsapva.

A permetezett komponens melegítéséhez főként 2 típusú elpárologtatót használnak:

• Volfrámból vagy molibdénből készült, egyenes fűtésű többvezetékes vagy kétszalagos hőcserélő;
• Elektron radiális elpárologtatók az elpárolgott komponens galvanikus bombázással történő melegítésével.

A robbanásveszélyes elpárologtatást többkomponensű elemek fóliáinak lerakására használják. Ebben az esetben a kondenzátort 15 000 °C-ra melegítik, és elpárologtató elemek keverékéből származó porral szórják meg. Hasonló módszer Lehetőség van kompozit bevonatok beszerzésére.

Néhány népszerű bevonóelem (például arany) rosszul tapad a szilíciummal és más félvezető elemekkel. Az elpárolgott elemnek az aljzathoz való gyenge tapadása esetén a párologtatást 2 rétegben fektetjük le. Először egy olyan ötvözetréteget viszünk fel a hordozó tetejére, amely kiválóan tapad a félvezető hordozóhoz. Ezután a főréteget szórjuk ki, amelyben korábban kiváló volt az alréteggel való kapcsolat.

Ion-vákuum porlasztás

Ez az eljárás abból áll, hogy a vákuumleválasztó berendezésben az izzítókisülés gerjesztése során keletkező inaktív gáz ionjainak bombázása következtében a negatív potenciál előtt jelen lévő kiváltó komponens egy elemét porlasztják.

A negatív töltésű elektróda anyagát inaktív gáz ionizált atomjainak hatására permetezzük. Ezek a porított átmeneti atomok a szubsztrátum tetején rakódnak le. Az ion-vákuumporlasztásos módszer fő előnye, hogy nincs szükség az elpárologtató magas hőmérsékletre történő felmelegítésére.

Az izzás kisülés előfordulási mechanizmusa. A lebomló kisülést alacsony gáznyomású kamrákban figyelik 2 fémelektróda között, amelyek 1-3 kW-ig nagy feszültséggel vannak ellátva. Ebben az esetben a negatív elektróda általában földelve van. A katód a célpont a porlasztott elemből. A kamrából először a légteret kiürítik, majd 0,6 Pa nyomásig gázt engednek ki.

Az izzó kisülés a célpontban (katódban) lévő úgynevezett izzásról kapta a nevét. Ezt a sugárzást a katód közelében lévő térfogati töltés szűk rétegének kapacitásának nagymértékű csökkenése okozza. A TC zónával szomszédos a Faraday sötét hely régiója, amely pozitív oszlopmá alakul, amely a kisülés önálló része, teljesen alkalmatlan a kisülés többi rétegétől.

Az anód közelében ezen kívül van egy kis tértöltési réteg, az úgynevezett anódréteg. Az elektródák közötti rés másik elemét a plazma kvázi-semleges rögzíti. Hasonló módszerrel a kamera raszteres fényt követ a váltakozó sötét és világos csíkokból.

Ahhoz, hogy az áram áthaladjon az elektródák között, a katódból stabil elektronkibocsátás szükséges. Ezt az emissziót kényszer hatására a katód melegítése vagy ultraibolya fénnyel történő besugárzása okozhatja. Ez a fajta kisülés nem független.

Alumínium vákuumleválasztása

Egyes esetekben, különösen műanyag szórásakor, alumínium fémezést alkalmaznak, és ez a fém meglehetősen könnyű nyersanyag és semmilyen módon nem kopásálló, ebben az esetben bizonyos speciálisak szükségesek. tudományos és technikai módszerek. A felhasználónak meg kell értenie, hogy a legjobb, ha a hasonló alkatrészeket közvetlenül a bélyegzés után megvédi a szennyeződéstől, és nem kívánatos különféle kenőporok és porok használata a présfigurákban.

Fémek vákuumleválasztása

Azok a fémek, amelyek csak olvadási zónájuk alatti hőmérsékleten tudnak elpárologni, egyenárammal hevíthetők, az ezüst és arany szerelvényeket ingafürdőben párologtatják el tantállal vagy volfrámmal. A kompenzációt 10-3 Hgmm-nél kisebb nyomású kamrában kell elvégezni. Művészet.

Vákuumos ion-plazma porlasztás

A független izzító kisülés létrejöttéhez szükséges az elektronok kibocsátása a katódból az elektródák közé 2-4 kW nagy feszültség kapcsolásával. Ha az alkalmazott feszültség meghaladja a kamrában lévő gáz (általában Ar) ionizációs képességét, ebben az esetben az elektronok Ar molekulákkal való ütközésének eredményeként a gáz pozitív töltésű Ar+ ionok képződésével ionizálódik. Ennek eredményeként egy kis vizuális kisülés és ennek következtében erős elektromos tér jelenik meg a katód fekete tér tartományában.

Az Ar+ ionok, energiát nyerve a biztosított zónában, ugyanabban a pillanatban kiütik a katódelem atomjait, kiváltva a katód oldalelektronjainak kibocsátását. Ez a kibocsátás megőrzi a független izzókisülést. A katód elemből származó átmeneti atomok elérik a szubsztrátumot és lerakódnak annak síkjára.

UVN vákuumszóró telepítés

A design modern műszerek és eszközök jelentős komplexumával van felszerelve, amelyek garantálják a fémek bevonatainak, szintéziseinek és ötvözeteinek lerakódását a megállapított tulajdonságokkal, kiváló tapadást és nagy egyenletességet a területen.

Eszközök és műszerek készlete, amely az eszköz szerkezetében található:

• Félautomata vákuumrendszer vezérlőforrás;
• Magnetron porlasztás elmélete stabil áramban;
• Fűtési koncepció (a beállított hőmérséklet szabályozásával és fenntartásával);
• A permetezett áruk tisztításának koncepciója a parázsló kibocsátás területén;
• A termékek vákuumgömbben történő mozgatásának fogalma;
• Numerikus vákuummérő;
• Koncepció a növekvő fóliák ellenállásának szabályozására;
• Inverteres tápegység magnetronokhoz.

Hello barátok.

Tehát a történet egy kicsit korábban kezdődött, amikor volt egy vákuumkamránk. Útja hozzánk nem volt közel, és egy külön történetben leírható, de ez, ahogy mondani szokták, „egy teljesen más történet”. Csak azt mondom, hogy még korábban is hozott némi hasznot az embereknek a Gottingeni Egyetem egyik laboratóriumában.

Az első dolog, amiben elkezdtük használni a vákuumkamrát, a fémek szubsztrátumokra történő termikus leválasztására szolgáló módszer tesztelése volt. A módszer egyszerű és olyan régi, mint a világ. A porlasztott fémből, például ezüstből készült céltárgyat molibdén tégelybe helyezik. Körülötte helyezve egy fűtőelem. Volfrám rénium ötvözet huzalt használtunk, amit spirálban tekercseltünk.

A teljes hőszóró berendezés így néz ki:

Berendezés fémek termikus permetezésére. A. Összeszerelve ( védő képernyőés a szelepet eltávolítjuk). Megnevezések: 1 – tégely, 2 – fűtőelem, 3 – gőzvezeték, 4 – áramvezeték, 5 – hőelem, 6 – mintakeret.

Az áram átvezetése után (zárt vezetékeken keresztül jut a vákuumkamrába) a spirál felmelegszik, felmelegíti a csónakot, amiben a célanyag is felmelegszik és elpárolog. Fémgőzfelhő emelkedik fel a gőzvezetéken keresztül, és beborítja a testet, amelyre a fémfilmet le kell rakni.

Maga a módszer egyszerű és jó, de vannak hátrányai is: nagy energiafogyasztás, nehéz megtalálni a párafelhőben azokat a felületeket (testeket), amelyekre a filmet le kell rakni. A tapadás sem a legjobb. Különböző anyagokra alkalmazták, köztük fémekre, üvegekre, műanyagokra stb. Főleg kutatási céllal, hiszen éppen a vákuumberendezések elsajátításával foglalkoztunk.

Most a vákuumrendszerről kell beszélni. A kísérleteket 9,5 10 -6 - 1,2 10 -5 Hgmm maradéknyomást biztosító forgó elővákuumból és turbomolekuláris szivattyúból álló vákuumrendszerrel felszerelt vákuumkamrában végeztük.
Ha első pillantásra úgy tűnik, hogy nem bonyolult, akkor valójában nem az. Először is, magának a kamrának rendelkeznie kell a nagy vákuum fenntartásához szükséges tömítettséggel. Ezt az összes működőképes karima és nyílás tömítésével érik el. A felső és az alsó karima-burkolat elvileg azonos, gumi tömítések, mint az ablakok, érzékelők, készülékek, nyomótömítések és egyéb karimaburkolatok beépítésére szolgáló legkisebb lyukak, csak jóval nagyobb átmérővel. Például egy ilyen lyuk megbízható lezárására

A képen látható karima, tömítés és vasalat szükséges.

Ez az érzékelő méri a vákuumot a kamrában, a belőle származó jelet egy olyan eszközre küldik, amely a nagy vákuum szintjét mutatja.

A kívánt szintű vákuumot (például 10-5 Hgmm) a következőképpen érjük el. Először egy alacsony vákuumot szivattyúzunk ki 10-2 szintig egy elő-vákuumszivattyú segítségével. Amikor ezt a szintet elérjük, egy nagyvákuumszivattyút (turbomolekuláris) kapcsolunk be, amelynek rotorja 40 000 ford./perc sebességgel tud forogni. Ugyanakkor az elülső vákuumszivattyú tovább működik - magából a turbomolekuláris szivattyúból pumpálja ki a nyomást. Ez utóbbi meglehetősen szeszélyes egység, és „vékony” szerkezete bizonyos szerepet játszott ebben a történetben. Egy japán turbomolekuláris szivattyút használunk az oszakai vákuumból.

Javasoljuk, hogy a levegőt a kamrából kiszivattyúzott olajgőzzel a légkörbe engedjük, mivel a finom olajcseppek az egész helyiséget „fröcskölhetik”.

Miután kitaláltuk a vákuumrendszert és dolgoztunk a termikus porlasztáson, úgy döntöttünk, hogy kipróbálunk egy másik filmleválasztási módszert - a magnetront. Nagy tapasztalattal rendelkezünk egy nagy laboratóriummal való kommunikációban, amely egyes fejlesztéseinkhez funkcionális nanobevonatokat alkalmazott magnetronos porlasztásos módszerrel. Emellett meglehetősen szoros kapcsolatban állunk a MEPhI, MVTU és más egyetemek egyes tanszékeivel, amelyek szintén segítettek bennünket ennek a technológiának az elsajátításában.

De idővel egyre többet szerettünk volna kihasználni a vákuumkamra nyújtotta lehetőségekből.

Hamarosan volt egy kis magnetronunk, amelyet úgy döntöttünk, hogy adaptálunk filmleválasztáshoz.

A vékony fém- és kerámiafilmek felhordásának magnetronos vákuummódszere az egyik legtermékenyebb, leggazdaságosabb és könnyen kezelhető módszer. fizikai módszerek porlasztás: termikus párologtatás, magnetron, ion, lézer, elektronsugár. A magnetron az egyik karimába van beszerelve, a kényelmes használat érdekében. Ez azonban még mindig nem elegendő a porlasztáshoz, mivel bizonyos feszültség, hűtővíz és gázok ellátása szükséges a plazma begyulladásának biztosításához.

Elméleti kirándulás

Leegyszerűsítve a magnetront a következőképpen tervezték. A mágneses áramkörként is szolgáló talapzaton erős mágnesek vannak elhelyezve, amelyek erős mágneses teret képeznek. Másrészt a mágneseket fémlemez borítja, amely a porlasztott anyag forrásaként szolgál, és célpontnak nevezik. A potenciált a magnetronra, a földet pedig a vákuumkamra testére alkalmazzák. A magnetron és a kameratest között ritka légkör és mágneses tér között kialakuló potenciálkülönbség a következőkhöz vezet. A plazmaképző gáz argon atomja mágneses és elektromos erővonalak hatásának van kitéve, és ezek hatására ionizálódik. A kiszabadult elektron a kameratesthez vonzódik. A pozitív ion a magnetron célpontjához vonzódik, és a mágneses erővonalak hatására felgyorsulva eltalálja a célpontot, kiütve belőle egy részecskét. Ellentétes szögben repül ki azzal a szöggel, amelynél az argonatom ionja a célt találta el. Egy fémrészecske repül a célponttól a vele szemben található hordozó felé, amely bármilyen anyagból készülhet.

Egyetemi barátaink ehhez a magnetronhoz készítettek egyenáramú tápegységet, körülbelül 500 W teljesítménnyel.

Plazmaképző argongázhoz gázbefecskendező rendszert is építettünk.

Olyan tárgyak elhelyezéséhez, amelyekre fóliát szórunk, a következő eszközt építettük. A kamrafedél technológiai furatokkal rendelkezik, amelyekbe különféle eszközöket lehet beépíteni: elektromos tömítések, mozgási tömítések, átlátszó ablakok, érzékelők stb. Az egyik ilyen furatba nyomótömítést szereltünk be a forgó tengelyhez. A kamerán kívül ezt a tengelyt egy kis villanymotorból forgattuk. A dob forgási sebességének körülbelül 2-5 hertzre állításával jó egyenletes filmfelhordást értünk el a dob kerületén.

Alulról, azaz. A kamrában a tengelyre egy könnyűfém kosarat rögzítettünk, amelyre tárgyakat lehet akasztani. Egy irodaszer boltban egy ilyen szabványos dobot hulladékkosárként árusítanak, és körülbelül 100 rubelbe kerül.

Most már szinte minden volt raktáron, ami a filmleválasztáshoz szükséges. Célként a következő fémeket használtuk: réz, titán, rozsdamentes acél, alumínium, réz-króm ötvözet.

És elkezdték gyűjteni a port. A kamrába vezető átlátszó ablakokon keresztül megfigyelhető volt a plazma izzása a magnetron céltárgy felületén. Így „szemmel” szabályoztuk a plazmagyulladás pillanatát és a porlasztás intenzitását.

A bevonat vastagságának szabályozására szolgáló módszert meglehetősen egyszerűen találták ki. Ugyanazt a fóliadarabot mért felülettel a dobra helyeztük, és tömegét megmértük a permetezés előtt és után. A szórt fém sűrűségének ismeretében könnyen kiszámítható volt a felvitt bevonat vastagsága. A bevonat vastagságát vagy a lerakódási idő változtatásával, vagy a magnetron áramforrás feszültségének beállításával állítottuk be. Ezen a képen precíziós mérlegek láthatók, amelyek lehetővé teszik a minták tömegének tízezred grammos pontosságú mérését.

Különféle anyagokra alkalmaztuk: fára, fémre, fóliára, műanyagokra, papírra, műanyag fóliára, szövetekre, egyszóval mindenre, ami a kamrában elhelyezhető és a dobhoz rögzíthető. Főleg a dekoratív hatások elérésére összpontosítottunk - a felület színének vagy tapintási érzékelésének megváltoztatására. Ezek a szerves és szervetlen minták színkülönbséget mutatnak a különböző fémfilmek felhordása előtt és után.

A szórás előtti és utáni színkülönbség még jobban látható a szöveteken és fóliákon. Íme a megfelelő darab a szokásosból polietilén fólia– nem permetezve, hanem a bal oldali rézréteggel van bevonva.

Egy másik hatás, amely különféle célokra használható, a vékony filmek vezetőképessége a hordozókon. Ez a fotó egy papírdarab ellenállását mutatja (ohmban), amelyre egy mikronnál valamivel vastagabb titán filmet visznek fel.

A továbbfejlesztéshez több irányt választottunk. Az egyik a filmleválasztás hatékonyságának javítása magnetronok segítségével. A saját fejlesztésünkön és gyártásunkon fogunk „lengni” egy olyan erősebb magnetront, amely akkora, mint egy kamera, és amelynek teljesítménye kétszerese az ebben az esszében bemutatottnak. Ki akarjuk próbálni a reaktív porlasztás technológiáját is, amikor a plazmaképző gázzal, például argonnal együtt oxigént vagy nitrogént juttatnak a kamrába, és a filmporlasztás során nem tiszta fém filmek képződnek a hordozó felületén. , hanem oxidok vagy nitridek, amelyek más tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a tiszta fémfilmek.

A modern gyártásban piacképes megjelenés és bizonyos műszaki tulajdonságok megszerzése érdekében minden készterméket különféle anyagokkal vonnak be. Ez a kérdés különösen aktuális fém alkatrészek, ahol a bevonat nem annyira dekoratív szerepet tölt be, mint inkább védi a fémet a korróziótól és egyéb káros környezeti tényezőktől.

Vákuumos permetezés

A modern gyártásban az alkatrészek bevonatának legfejlettebb technológiája a vákuumleválasztás. A technológia a felvitt bevonat gőzének közvetlen lecsapódásából áll az alkatrész felületére. Az ilyen permetezésnek három fő szakasza van:

Az anyag elpárologtatása, amelyből a bevonat létrejön;

A keletkezett gőz átvitele arra a felületre, amelyre az anyagot felvisszük;

Gőz lecsapódása egy alkatrész felületére és bevonat kialakítása belőle.

Könnyűfém keréktárcsák krómozásának felszerelése

Vákuumos leválasztási módszerek

A vákuum mellett mások is részt vehetnek a permetezésben fizikai folyamatok. Az alábbi besorolás azokra az anyagokra is vonatkozik, amelyeket a felületre permeteznek.

Vákuumos plazma permetezés

A vákuumíves bevonat a következő mechanizmus szerint történik. A katód az a felület, amelyre a fóliát fel kell vinni, az anód pedig a gázkisülési hordozó. Amikor az ív felmelegíti a légkört a maximális hőmérsékletre, a porlasztó anyag gázfázisba megy át, és átkerül a katódra. Ezután a permet molekulák a termék felületén kondenzálódnak, homogén réteget képezve. A vákuumíves permetezőberendezések egységessége addig állítható, amíg a kezdeti terméket a szórásképekkel meg nem kapjuk.

Ezt az összetett technológiát a vágó- és fúrószerszámok szuperkemény bevonatainak felvitelére használják. Erős, kopásálló fúrók forgókalapácsokhoz vákuumplazma szórással készülnek.

Nagy szilárdságú fúrókalapács

Ion-vákuum porlasztás

Bármelyik bevonat legkörnyezetbarátabb módjának tekinthető fém felület. Hátránya, hogy a berendezés drága, nem minden cég engedheti meg magának, hogy megvásárolja és telepítse.

Szigorú követelményeket támasztanak a felületi tisztasággal szemben is, de a végeredmény minden várakozást felülmúl. A felvitt bevonatot nagy homogenitás, szilárdság és kopásállóság jellemzi, ezért ily módon bevonatokat szórnak rá azokra az alkatrészekre és mechanizmusokra, amelyeket zord éghajlati viszonyok között fognak üzemeltetni. Az utolsó művelet, amely után további feldolgozás alkatrészek nem megengedettek - nem szabad hegesztést vagy vágást végezni.

Alumínium vákuumleválasztása

Az alumínium felhordása szinte minden felület fémezésének legnépszerűbb módszere. Az alumínium sokoldalúsága lehetővé teszi olyan szokatlan felületeken való felhordását, mint a műanyag és az üveg, és más fémekkel ellentétben nem igényel további lakk bevonat az erőért. Az alumíniumot általában használják dekoratív célokra– autókiegészítők és fényvisszaverők, kozmetikai cikkek, szekrény- és ajtókilincsek, varrási kiegészítők feldolgozására szolgál. Bár ez a fém nem túl tartós, a technológia fejlődése jelentősen csökkentette az ilyen permetezés költségeit, így ez a legelterjedtebb a világon.

Alumínium bevonatú autós fényvisszaverő

Fémek vákuumleválasztása

Az alumíniumon kívül számos, ugyanolyan elterjedt fém is létezik permetezésre. Különféle fizikai és kémiai tulajdonságaik miatt abszolút minden iparágban alkalmazták. A permetezett fémek fő céljai:

javított vezetőképesség;

fokozott szigetelés;

kopásálló és korróziógátló tulajdonságokat kölcsönöz.

A hőmérséklet szabályozása bevonatréteg felhordásakor szinte bármilyen árnyalatot biztosít a végterméknek; ezt gyakran használják „arany” bevonatok felvitelére (nikkel-titán ötvözeteket használnak).

A titán és ezüst porlasztását széles körben használják az orvostudományban. Ezek az egyedülálló fémek nagyon jól kölcsönhatásba lépnek az emberi testtel, és antibakteriális tulajdonságokkal rendelkeznek. Az implantátumokat és a sebészeti műszereket (valamint a fogászati ​​és egyéb eszközöket) szinte mindenhol ezüsttel vonják be – ez nagy garancia a műszer szilárdságára és sterilitására.

Vákuumos ion-plazma porlasztás

A magas hőmérséklet hatására a bevonat nem csak az alkatrész felületén kondenzálódik, hanem szó szerint rásül, ami a végterméknek nagyon magas műszaki jellemzőket biztosít - kopásállóságot mechanikai igénybevétellel és jó ellenállást a zord időjárási viszonyokkal szemben.

UVN vákuumszóró telepítés

Az UVN típusú készülékek modern, csúcstechnológiás vákuumleválasztó berendezések. A céltól függően bármilyen eszközzel felszerelhető az anyag elpárologtatására és az alkatrész felületére történő átvitelére. Szerkezet:

A zárt típusú technológiai kamra az a terület, ahol az alkatrészt helyezik, amelyet a vákuumleválasztási folyamat során feldolgoznak.

A vezérlőegység gombokkal és kezelőszervekkel ellátott panel, amely lehetővé teszi az összes szükséges paraméter beállítását a munka megkezdése előtt. A vákuumleválasztó berendezések modern változatai digitális kijelzőkkel vannak felszerelve, amelyek valós időben jelenítik meg a folyamatparamétereket.

Az egység háza elrejti az egység összes fontos mechanikai és elektronikus alkatrészét, védve azokat a véletlen és illetéktelen beavatkozásoktól, valamint biztosítja a gép kezelőjének biztonságát. A gép méretétől függően felszerelhető kerekekkel (fékbetétekkel, kis modelleknél), vagy tartósan beszerelhető (erős és produktív kamerákhoz).

Klasszikus UVN

A különféle kialakítások, alkatrészek és funkcionális elemek módosítása gyakran az anyagok szerkezetének teljes megváltoztatásával történik. Erre a célra mély hő-, plazma- és kémiai feldolgozást alkalmaznak. De számos módszer létezik a teljesítménytulajdonságok külső bevonatokon keresztül történő megváltoztatására is. Ilyen módszerek közé tartozik a vákuumos fémezés, amelynek köszönhetően javítható az anyagok dekoratív, vezetőképes, fényvisszaverő és egyéb tulajdonságai.

Általános információk a technológiáról

A módszer lényege, hogy fémszemcséket permeteznek a munkafelületre. Az új bevonat kialakításának folyamata a donor fémek vákuumkörülmények között történő elpárolgása miatt következik be. A technológiai ciklus magában foglalja a célbázis és a bevonatelemek szerkezeti változtatásainak több szakaszának végrehajtását. Különösen megkülönböztetik a párolgási, kondenzációs, abszorpciós és kristályosodási folyamatokat. A kulcseljárás a fémrészecskék és a felület közötti kölcsönhatásnak nevezhető speciális gázkörnyezet körülményei között. Ebben a szakaszban a vákuumos fémezési technológia biztosítja a diffúziós folyamatokat és a részecskék rögzítését a munkadarab szerkezetéhez. A kimeneten a szórási módoktól, a bevonat jellemzőitől és a munkadarab típusától függően sokféle hatás érhető el. A modern technikai eszközök nemcsak a termék egyedi teljesítményminőségének javítását teszik lehetővé, hanem az egyes területek felületi tulajdonságainak nagy pontosságú megkülönböztetését is.

Használt berendezések

Ehhez a technológiához három fő gépcsoportot használnak. Ezek folyamatos, félfolyamatos és szakaszos berendezések. Ennek megfelelően a feldolgozási folyamat általános szervezése tekintetében különböznek egymástól. Folyamatos egységeket gyakran alkalmaznak sorozatgyártásban, ahol folyamatos vákuumos fémezésre van szükség. Az ilyen típusú berendezések lehetnek egy- vagy többkamrásak. Az első esetben az egységek a fémezés közvetlen végrehajtására irányulnak. A többkamrás modellek lehetőséget biztosítanak további eljárások végrehajtására is - a termék kezdeti előkészítése, ellenőrzése, hőkezelés stb. Ez a megközelítés lehetővé teszi a gyártási folyamat optimalizálását. A szakaszos és félfolyamatos fémezésre szolgáló gépek általában egy főkamrával rendelkeznek. Pontosan a gyártás szabálytalansága miatt alkalmazzák konkrét eljárásra, ill előkészítő műveletekés ugyanazt a minőség-ellenőrzést külön-külön - néha manuálisan, automatizált vonalak nélkül - hajtják végre. Most érdemes közelebbről megvizsgálni, hogy milyen alkatrészekből állnak az ilyen egységek.

Fémezési gépek tervezése

A berendezés a főkamrán kívül, ahol a leválasztási folyamatok zajlanak, számos segédrendszert és funkcionális alkatrészt tartalmaz. Mindenekelőtt érdemes kiemelni a szórt anyag közvetlen forrásait, amelyek kommunikációja a gázelosztó komplexumhoz kapcsolódik. Annak érdekében, hogy a vákuumfémezés telepítése biztosítsa a szükséges konkrét feladat a feldolgozási paraméterek, a szabályozókkal ellátott tápcsatornák permetezése lehetővé teszi különösen a konfigurálást hőmérsékleti szint, áramlási irány sebesség és térfogatok. Ezt az infrastruktúrát különösen a szivárgások, szivattyúk, szelepek, karimaelemek és egyéb szerelvények alkotják.

BAN BEN modern installációk A működési paraméterek azonos szabályozásához mikroprocesszoros egységhez csatlakoztatott érzékelőket használnak. A meghatározott követelmények figyelembevételével és az aktuális aktuális értékek rögzítésével a berendezés a kezelő részvétele nélkül is beállíthatja a feldolgozási módokat. A működési folyamatok megkönnyítése érdekében a berendezést kamrán belüli tisztító és kalibráló rendszerekkel egészítik ki. Az ilyen berendezéseknek köszönhetően a gép vákuumfémezésének javítása leegyszerűsödik, mivel az állandó és időben történő tisztítás minimálisra csökkenti a pneumatikus motorok, manipulátorok és kommunikációs áramkörök túlterhelésének kockázatát. Ez utóbbiak teljes egészében fogyóalkatrésznek minősülnek, melynek folyamatos egységekben történő cseréje a rendszeres karbantartás részeként történik.

A fémezés célanyagai

Mindenekelőtt speciális ötvözetekből készülő fémdarabokat vetnek alá az eljárásnak. További bevonat szükséges a korróziógátló réteg biztosításához, a minőség javításához elektromos kábelezés vagy változásokat dekoratív tulajdonságai. Az utóbbi években a vákuumos fémezést egyre inkább alkalmazzák polimer termékekkel kapcsolatban. Ennek a folyamatnak megvannak a maga sajátosságai, amelyeket az ilyen típusú objektumok szerkezetének jellemzői határoznak meg. A technológiát ritkábban alkalmazzák alacsony keménységi értékű termékeknél. Ez vonatkozik a fára és bizonyos szintetikus anyagokra.

A műanyagok fémezésének jellemzői

A műanyag részek felületére történő permetezés is megváltoztathatja annak elektromos, fizikai és Kémiai tulajdonságok. A fémezést gyakran használják az ilyen munkadarabok optikai tulajdonságainak javítására. Az ilyen műveletek végrehajtása során a fő probléma az intenzív hőpárolgás folyamata, amely elkerülhetetlenül nyomást gyakorol az elem felületét permetező részecskék áramlására. Ezért speciális rendszerekre van szükség az alapanyag diffúziójának és a felhasznált tömegnek a szabályozására.

A merev szerkezetű műanyagok vákuumfémezése is megvan a maga sajátossága. Ebben az esetben fontos lesz a védő- és alapozó lakkok jelenléte. A megfelelő tapadási szint fenntartásához e fóliák akadályainak leküzdéséhez szükség lehet a termikus expozíció energiájának növelésére. De itt is felmerül a probléma a műanyag szerkezet hőáramlás hatására bekövetkező tönkremenetelének kockázatával. Ennek eredményeként a munkakörnyezet túlzott igénybevételének enyhítésére olyan módosító komponenseket vezetnek be, mint pl. lágyítók és oldószerek, amelyek lehetővé teszik a munkadarab alakjának optimális állapotban tartását, függetlenül a hőmérsékleti viszonyoktól.

A filmanyagok feldolgozásának jellemzői

A csomagolóanyagok előállítására szolgáló technológiák közé tartozik a PET-fóliák fémezésének alkalmazása. Ez az eljárás biztosítja a felület alumíniumozását, aminek köszönhetően a munkadarab nagyobb szilárdsággal és külső hatásokkal szembeni ellenállással rendelkezik. A feldolgozási paraméterektől és a végső bevonat követelményeitől függően különböző utak hűtőborda. Mivel a film hőmérsékletérzékeny, egy további leválasztási eljárást vezetünk be. A műanyagokhoz hasonlóan lehetővé teszi a hőegyensúly beállítását, fenntartva a munkadarab optimális környezetét. A vákuumhengeres fémezési módszerrel feldolgozott filmek vastagsága 3 és 50 mikron között változhat. Fokozatosan vezetnek be olyan technológiákat, amelyek 0,9 mikron vastagságú anyagok felületén biztosítanak hasonló bevonatot, de ez többnyire még csak kísérleti gyakorlat.

Reflektorok fémezése

Ez a fémezés használatának külön területe is. A céltárgy ebben az esetben az autó fényszórói. Kialakításuk biztosítja a reflektorok jelenlétét, amelyek idővel elveszítik teljesítményüket - elhalványulnak, rozsdásodnak, és ennek eredményeként használhatatlanná válnak. Ráadásul még egy új fényszóró is megsérülhet, ami javítást és helyreállítást igényel. Pontosan erre a feladatra irányul a reflektorok vákuumfémezése, amely kopásálló lerakódást biztosít a tükör felületén. A külső szerkezet fémezett részecskékkel való feltöltése egyrészt kiküszöböli a kisebb hibákat, másrészt védőbevonatként működik, megelőzve az esetleges későbbi sérüléseket.

A folyamat megszervezése otthon

Speciális berendezések nélkül a felületi vegyszeres bevonat technológia alkalmazható, de a vákuumfeldolgozáshoz mindenképpen megfelelő kamra szükséges. Az első szakaszban magát a munkadarabot készítik elő - meg kell tisztítani, zsírtalanítani és szükség esetén csiszolni. Ezután a tárgyat vákuum-fémező kamrába helyezzük. Saját kezűleg is készíthet speciális berendezéseket a síneken profilelemekből. Ez kényelmes módja lesz az anyagok be- és kirakodásának, ha a feldolgozást rendszeresen tervezik. A fémezési részecskék forrásaként úgynevezett ingotokat használnak - alumíniumból, sárgarézből, rézből stb. Ezek után a kamrát az optimális feldolgozási módra állítják, és megkezdődik a porlasztási folyamat. Közvetlenül a fémezés után a készterméket kézzel lehet bevonni lakk alapú kiegészítő védőbevonatokkal.

Pozitív visszajelzések a technológiáról

A módszernek számos pozitív tulajdonsága van, amelyeket a felhasználók megjegyeznek elkészült termékek különböző területeken. Különösen magasra mutat védő tulajdonságok bevonat, amely megakadályozza az alap korrózióját és mechanikai károsodását. A hétköznapi fogyasztók is pozitívan reagálnak azokra a termékekre, amelyeket vákuum-fémezésnek vetettek alá dekorációs tulajdonságaik javítása vagy megváltoztatása érdekében. A szakértők is hangsúlyozzák környezetbiztonság technológiákat.

Negatív vélemények

Tovább a hátrányokra ez a módszer termékek feldolgozása magában foglalja a folyamat technikai megszervezésének összetettségét és magas követelmények előkészítő tevékenységekhez. És ez nem beszélve a high-tech berendezések használatáról. Csak a segítségével érhet el kiváló minőségű permetezést. A költségek is szerepelnek a vákuumfémezés hátrányainak listáján. Egy elem feldolgozásának költsége 5-10 ezer rubel lehet. a célterület területétől és a bevonat vastagságától függően. Egy másik dolog az, hogy a sorozatos fémezés csökkenti az egyes termékek költségét.

Végül

Egyes anyagok műszaki, fizikai és dekorációs tulajdonságainak megváltoztatása bővíti további felhasználásuk lehetőségeit. A vákuum-fémezési módszer fejlődése speciális feldolgozási területek kialakulásához vezetett, amelyek a speciális teljesítményminőségre összpontosítottak. A technológusok magának a leválasztási folyamatnak az egyszerűsítésén is dolgoznak, ami már ma a berendezések méretének csökkentésében és az utófeldolgozási eljárások csökkentésében nyilvánul meg. Ami a technika otthoni alkalmazását illeti, ez a legproblémásabb bevonási módszer, hiszen ehhez különleges képességekre van szükség az előadótól, nem is beszélve technikai eszközökkel. Másrészt az olcsóbb permetezési módszerek nem teszik lehetővé az azonos minőségű bevonatok készítését - legyen szó védőrétegről vagy dekoratív stilizációról.