Državna tehnična univerza Mari

Oddelek za načrtovanje in proizvodnjo radijske opreme

Vakuumski premaz

POJASNILO

k tečajnemu delu na disciplini

Osnove fizike trdne snovi in ​​mikroelektronike

Razvil: študent skupine EVS-31

Kolesnikov

Svetoval: izredni profesor

Igumnov V.N.

Yoshkar-Ola 2003

Uvod

1. Toplotno vakuumsko brizganje

1.1 Uporovno naprševanje

1.2 Indukcijsko brizganje

1.4 Lasersko nanašanje

1.5 Obločno pršenje

2. Razprševanje z ionskim obstreljevanjem

2.1 Katodno razprševanje

2.2 Magnetronsko razprševanje

2.3 Visokofrekvenčno škropljenje.

3. Tehnologija tankih plasti na orientacijskih substratih

Zaključek

Literatura

UVOD

Tanki filmi, naneseni v vakuumu, se pogosto uporabljajo v proizvodnji diskretnih polprevodniških naprav in integriranih vezij (IC).

Pridobivanje visokokakovostnih in ponovljivih v smislu električnih parametrov tankoslojnih plasti je eden najpomembnejših tehnoloških procesov za oblikovanje struktur tako diskretnih diod in tranzistorjev kot aktivnih in pasivnih elementov IC.

Tako zanesljivost in kakovost mikroelektronskih izdelkov, tehnična raven in ekonomski kazalci njihovo proizvodnjo.

Tehnologija tankih filmov temelji na kompleksnih fizikalnih in kemijskih procesih ter uporabi različnih kovin in dielektrikov. Tako so tankoslojni upori, kondenzatorske elektrode in medsebojne povezave izdelani z nanašanjem kovinskih filmov, medslojna izolacija in zaščitni premazi pa iz dielektričnih.

Pomembna faza je kontrola parametrov tankih plasti (hitrost njihovega nanašanja, debelina in enakomernost, površinska odpornost), ki se izvaja s posebnimi napravami, tako med posameznimi tehnološkimi operacijami kot na koncu celotnega procesa.

Metode ionsko-plazemskega in magnetronskega razprševanja se pogosto uporabljajo v sodobni mikroelektroniki. Visoke hitrosti nanašanja in energija atomov, ki vpadajo na substrat med nanašanjem, omogočajo uporabo teh metod za pridobivanje filmov različnih sestav in struktur ter zlasti za nizkotemperaturno epitaksijo.

Trenutno je zanimanje za raziskave na tem področju precejšnje.

Namen te naloge je pregledati glavne metode nanašanja in brizganja v vakuumu, fizikalne in kemijske procese ter opis in delovanje naprav, ki se uporabljajo pri teh metodah.

Postopek nanašanja tankih filmov v vakuumu je sestavljen iz ustvarjanja (generiranja) toka delcev, usmerjenega proti obdelanemu substratu, in njihove kasnejše koncentracije s tvorbo tankoslojnih plasti na površini, ki jo je treba premazati.

Če želite spremeniti lastnosti trdne površine, uporabite različne načine ionska obdelava. Proces interakcije ionskega žarka s površino se zmanjša na potek med seboj povezanih fizikalnih procesov: kondenzacije, razprševanja in vdora. Prevalenca enega ali drugega fizikalnega učinka je določena predvsem z energijo E 1 bombardirajočih ionov. Pri E 1 =10-100 eV prevlada kondenzacija nad naprševanjem, zato pride do nanosa prevleke. Ko se energija ionov poveča na 104 eV, začne prevladovati proces naprševanja s hkratnim vnašanjem ionov v kovino. Nadaljnje povečanje energije obstreljevalnih ionov (E 1 >10 4 eV) povzroči zmanjšanje koeficienta razprševanja in vzpostavitev načina ionske implantacije (ionsko dopiranje).

Tehnološki proces nanašanja tankoslojnih premazov v vakuumu vključuje 3 glavne faze:

Ustvarjanje toka delcev odložene snovi;

Prenos delcev v redčenem prostoru od vira do substrata;

Odlaganje delcev ob dosegu podlage.

Obstajata 2 načina nanašanja vakuumskih premazov, ki se razlikujeta po mehanizmu generiranja toka nanesenih delcev: termično brizganje in brizganje materialov z ionskim obstreljevanjem. Uparjeni in razpršeni delci se prenesejo na podlago skozi vakuumski medij (ali atmosfero reaktivnih plinov, s čimer vstopajo v plazemsko-kemične reakcije). Za povečanje stopnje ionizacije pretoka odložene snovi lahko v vakuumsko komoro vnesemo posebne vire nabitih delcev (na primer vročo katodo) ali elektromagnetno sevanje. Dodatno pospešitev gibanja ionov na obdelano površino lahko dosežemo z dovajanjem negativne napetosti nanjo.

Splošne zahteve za vsako od teh metod so ponovljivost lastnosti in parametrov dobljenih filmov ter zagotavljanje zanesljivega oprijema (adhezije) filmov na substrate in druge filme.

Za razumevanje fizikalnih pojavov, ki se pojavljajo pri nanašanju tankih plasti v vakuumu, je potrebno vedeti, da je proces rasti filma na substratu sestavljen iz dveh stopenj: začetne in končne. Razmislimo o medsebojnem delovanju odloženih delcev v vakuumskem prostoru in na substratu.

Delci snovi, ki so zapustili površino vira, se premikajo skozi vakuumski (razredčen) prostor z velikimi hitrostmi (vrste sto in celo tisoč metrov na sekundo) do podlage in dosežejo njeno površino ter ji oddajo del svoje energije. trk. Delež prenesene energije je tem manjši, čim višja je temperatura podlage.

Ob ohranjanju določenega presežka energije se delec snovi lahko premika (migrira) po površini substrata. Pri selitvi po površini delec postopoma izgublja odvečno energijo in teži k toplotnemu ravnovesju s podlago, pri čemer lahko pride do naslednjega. Če delec na poti izgubi odvečno energijo, se fiksira na podlago (kondenzira). Ko na poti sreča drug selitveni delec (ali skupino delcev), bo z njim stopil v močno (kovinsko) vez in ustvaril adsorbirani dublet. Z dovolj veliko asociacijo takšni delci popolnoma izgubijo sposobnost selitve in se pritrdijo na substrat ter postanejo središče kristalizacije.

Okrog posameznih kristalizacijskih centrov rastejo kristaliti, ki se nato združijo in tvorijo neprekinjen film. Rast kristalitov se pojavi tako zaradi migriranja delcev po površini kot tudi zaradi neposrednega odlaganja delcev na površino kristalitov. Možna je tudi tvorba dubletov v vakuumskem prostoru ob trku dveh delcev, ki se na koncu adsorbirajo na podlago.

Tvorba neprekinjenega filma se konča Prva stopnja postopek. Ker od tega trenutka kakovost površine substrata ne vpliva več na lastnosti nanesenega filma, je začetna faza odločilnega pomena pri njihovem nastanku. V končni fazi film zraste do zahtevane debeline.

Pri drugih konstantnih pogojih zvišanje temperature substrata poveča energijo, tj. mobilnost adsorbiranih molekul, kar poveča verjetnost srečanja s selitvenimi molekulami in povzroči nastanek filma z grobo zrnato strukturo. Poleg tega se s povečanjem gostote vpadnega žarka poveča verjetnost nastanka dubletov in celo poliatomskih skupin. Hkrati povečanje števila kristalizacijskih centrov prispeva k nastanku filma s fino kristalno strukturo.

Redko stanje plina, tj. stanje, v katerem je tlak plina v določenem zaprtem hermetičnem volumnu nižji od atmosferskega tlaka, se imenuje vakuum.

Vakuumska tehnologija zavzema pomembno mesto v proizvodnji filmskih struktur IC. Da bi ustvarili vakuum v delovni komori, je treba iz nje črpati pline. Idealnega vakuuma ni mogoče doseči, v izpraznjenih delovnih komorah tehnoloških inštalacij pa je vedno določena količina zaostalih plinov, ki določajo tlak v izpraznjeni komori (globina oz. stopnja vakuuma).

Bistvo tega postopka nanašanja tankih plasti je segrevanje snovi v vakuumu na temperaturo, pri kateri kinetična energija atomov in molekul snovi, ki s segrevanjem narašča, postane zadostna, da se le-ti odlepijo od površine in razširijo v okoliški prostor. To se zgodi pri temperaturi, pri kateri tlak lastnih hlapov snovi za več vrst velikosti presega tlak preostalih plinov. V tem primeru se atomski tok širi premočrtno in ob trku s površino se na njej kondenzirajo izhlapeli atomi in molekule.

Postopek uparjanja poteka po običajni shemi: trdna faza - tekoča faza - plinasto stanje. Nekatere snovi (magnezij, kadmij, cink itd.) prehajajo v plinasto stanje mimo tekoče faze. Ta proces se imenuje sublimacija.

Glavni elementi naprave za vakuumsko nanašanje, katere poenostavljen diagram je prikazan na sliki 1, so: 1 - vakuumski pokrov iz nerjavečega jekla; 2 - dušilec; 3 - cevovod za ogrevanje vode ali hlajenje pokrova; 4 - puščanje igle za dovod atmosferskega zraka v komoro; 5 - grelec substrata; 6 - nosilec substrata s substratom, na katerega se lahko namesti šablona; 7 - tesnilno tesnilo iz vakuumske gume; 8 - uparjalnik s snovjo, nameščeno vanj, in grelec (uporovni ali elektronski žarek).

Postopek izvajanja operacije vakuumskega nanašanja vključuje naslednje korake. V zgornjem položaju pokrova obdelane podlage odstranimo iz nosilca podlage in namestimo nove. Pokrovček se spusti in vključi se sistem vakuumskih črpalk (najprej za predvakum, nato za visoki vakuum). Za pospešitev desorpcije zraka z notranje površine in skrajšanje časa črpanja se v cevovod dovaja vroča tekoča voda. Ko dosežemo tlak v komori reda 10 -4 Pa (kontrola manometra), se vklopijo grelniki uparjalnika in substratov. Ko dosežemo delovne temperature (kontrola s termočleni), se loputa odmakne in hlapi snovi pridejo do podlage, kjer kondenzirajo in film raste. Samodejni sistem za nadzor rasti filma določi debelino filma (za dielektrik filmskih kondenzatorjev) ali površinski upor (za upore) ali čas nanašanja (prevodniki in kontakti, zaščitni premazi). V tem primeru ustvarjen signal o koncu usedanja po ojačanju deluje na solenoid lopute in blokira pretok pare z njim. Nato se izklopijo grelniki uparjalnika in substratov, črpalni sistem se izklopi in v cevovod se dovaja hladna tekoča voda. Po tem, ko so pokrovne naprave ohlajene, se atmosferski zrak nemoteno spusti skozi puščalni ventil. Izenačitev tlakov znotraj in zunaj pokrova omogoča dvig in začetek naslednjega cikla obdelave.

Za postopek termičnega vakuumskega nanašanja je značilna temperatura na uparjalniku t ° Uc, zračni tlak v delovni komori P 0, temperatura segrevanja substratov t ° n 1-2 minuti. Hkrati previsoka intenzivnost povzroči nastanek drobnozrnate nestabilne strukture v filmu, o čemer bomo govorili v nadaljevanju.

Hitrost izparevanja je prikladno označena s parnim tlakom (parni tlak v stanju nasičenosti) P S . Parni tlak za določeno snov je odvisen le od temperature.

kjer sta A in B koeficienta, ki označujeta vrsto materiala;

T je absolutna temperatura snovi, K.

Za optimalno intenzivnost izhlapevanja velja tista intenzivnost, pri kateri je parni tlak ~1,3 Pa. Temperatura izhlapevanja, ki ustreza tej elastičnosti, se imenuje pogojna in jo je mogoče izračunati iz (1.1). Torej, za aluminij je 1150 ° C, za krom - 1205 ° C, za baker - 1273 ° C, za zlato - 1465 ° C itd.

Nizek zračni tlak Р 0 v delovni komori je potreben za:

Zagotavljanje proste difuzije atomov snovi uparjalnika v prostornino delovne komore;

Premočrtno gibanje atomov snovi brez trka z molekulami preostalega zraka in neuporabnega razprševanja materiala v prostornini komore;

Izključitev kemijske interakcije razpršene snovi z molekulami zraka.

Zgornji pogoji so zagotovljeni pri preostalem tlaku Р 0 10 -4 Pa. Takšen vakuum je razmeroma enostavno doseči s pomočjo predvakuumske mehanske in visokovakuumske difuzijske črpalke, ki sta povezani zaporedno.

Temperatura podlage med postopkom nanašanja pomembno vpliva na strukturo filma in posledično na stabilnost njegovih elektrofizikalnih lastnosti med delovanjem.

Atomi snovi vstopajo v substrat z energijo kT (k=8,63×10 -5 eV/K- Boltzmannova konstanta; K - absolutna temperatura) in hitrosti reda 1000 m/s. V tem primeru se del energije prenese na površinske atome substrata, preostala energija pa jim omogoči, da nekaj časa migrirajo v površinskem potencialnem polju. Delež preostale energije je večji, čim višja je temperatura podlage. V procesu migracije lahko atom bodisi zapusti substrat (na potencialnem griču polja) bodisi delno ugasne energijo z interakcijo z drugim selitvenim atomom. Le poliatomska skupina, ki postane eden od kristalizacijskih centrov, lahko popolnoma izgubi sposobnost migriranja in fiksiranja na segretem substratu (kondenzira). Pri nizki gostoti atomskega pretoka, tj. Temperatura na uparjalniku je število kristalizacijskih centrov na enoto površine majhno, in ko se okrog njih oblikuje neprekinjen film, imajo veliki kristali čas za rast.

Znižanje temperature substrata in povečanje gostote pretoka povzroči zgodnejšo tvorbo kristalizacijskih centrov, povečanje njihovega števila na enoto površine in nastanek drobnozrnate strukture. Med delovanjem elektronske opreme, ko je izpostavljena periodičnim ciklom segrevanja in počasnega ohlajanja, se drobnozrnata struktura postopoma rekristalizira v grobo zrnato. V tem primeru se elektrofizikalne lastnosti nepovratno spremenijo in pride do "staranja" filma. Pri uporovnih filmih je na primer sčasoma opaziti zmanjšanje upornosti.

Torej, za oblikovanje tankih filmov, ki so stabilni med delovanjem, je potrebno segreti podlago in ne prisiliti postopka nanašanja s povišanjem temperature na uparjalniku.

Pri izdelavi tankoplastnih struktur, tako kot v primeru polprevodniških struktur, se uporabljajo skupinski substrati. Skupinski substrati imajo pravokotne oblike dimenzij 60x48 mm ali 120x96 mm, izdelan iz izolacijskega materiala (sitall, polikor, steklo) in namenjen za hkratno izdelavo do več deset enakih modulov. Tako morajo biti lastnosti nanesenega filma enake na celotnem območju substrata skupine.

V prvem približku je tok atomov iz uparjalnika v substrat divergentni žarek, zato gostota pretoka v ravnini substrata ni enakomerna: največja je v središču substrata in pada od središča proti substratu. obrobje. To pomeni, da se pri nanosu filma na fiksni substrat v osrednjem delu substrata oblikuje debelejši film kot na robovih substrata. Na primer, upori, oblikovani v osrednjih modulih, bodo imeli nižje upore kot podobni upori v perifernih modulih.

Glede na navedeno so proizvodni obrati za termično vakuumsko nanašanje opremljeni z rotacijskimi napravami (diski, bobni), ki nosijo več substratov (6, 8 ali 12). Substrati zaporedno in večkrat prehajajo čez stacionarni uparjalnik (slika 2) in postopoma pridobivajo zahtevano debelino filma. Posledično se osrednji "hrib", ki bi lahko nastal na nepremični podlagi, erodira v greben, razširjen v smeri gibanja podlage. Za izravnavo debeline filma v prečni smeri se uporablja korekcijska diafragma, ki je nameščena med uparjalnikom in substratom v njegovi neposredni bližini. Profil diafragme se izračuna na podlagi študije filmskih reliefov, pridobljenih z nanašanjem na mirujočo in premikajočo se podlago. Zaradi razlike v času obsevanja osrednje in obrobne cone substrata se enakomernost debeline filma na celotnem območju skupinskega substrata poveča in je znotraj ± 2% (za substrate 60x48 mm).

Glavne prednosti te metode generiranja so:

Možnost nanašanja filmov iz kovin (vključno z ognjevzdržnimi), zlitin, polprevodniških spojin in dielektričnih filmov;

Enostavnost izvedbe;

Visoka stopnja izhlapevanja snovi in ​​možnost njenega uravnavanja v širokem razponu s spreminjanjem moči, ki se dovaja uparjalniku;

Sterilnost postopka, ki omogoča, da ob prisotnosti visokega (in po potrebi ultravisokega) vakuuma dobimo premaze praktično brez kontaminacije.

Vsi uparjalniki se med seboj razlikujejo po načinu segrevanja uparjene snovi. Na tej podlagi so metode ogrevanja razvrščene na: uporovne, indukcijske, z elektronskim žarkom, z laserjem in z električnim oblokom.

1.1 Uporovno naprševanje

To je prva metoda tankoslojnega premazovanja v vakuumu, ki je bila do nedavnega najbolj razširjena. Njegove posebne lastnosti so tehnična preprostost, enostavnost nadzora in regulacije načinov delovanja uparjalnika ter možnost pridobivanja premazov različne kemične sestave.

V uporovnih uparjalnikih toplotna energija za segrevanje uparjene snovi nastane zaradi sproščanja joulove toplote s prehajanjem električnega toka skozi grelec.

Za materiale, ki se uporabljajo za izdelavo uporovnih uparjalnikov, veljajo naslednje zahteve.

1. Parni tlak grelnega materiala pri temperaturi izhlapevanja nanesene snovi mora biti zanemarljivo majhen.

2. Grelni material mora biti dobro namočen s staljeno izhlapevalno snovjo, saj je to potrebno za zagotovitev dobrega toplotnega stika med njima.

3. Med grelnim materialom in uparjeno snovjo ne sme priti do kemičnih reakcij in ne smejo nastajati hlapne zlitine teh snovi, saj v drugače naneseni filmi so kontaminirani in grelniki uničeni.

Za nanašanje premazov z uporovno metodo se uporabljajo različne izvedbe in metode izhlapevanja kovin in zlitin. Najbolj razširjeni so žični, tračni, lončni in avto-lončni uparjalniki diskretnega delovanja.

Žični uparjalniki, katerih glavna prednost je enostavnost naprave in visok izkoristek, so izdelani iz žice iz ognjevzdržnih kovin (W, Mo, Ta) in so na voljo v najrazličnejših oblikah (v obliki zanke, cilindrična spirala, stožčasta spirala, oblika V itd.). Uporabljajo se za izhlapevanje snovi, ki zmočijo grelni material. V tem primeru staljeno snov zadržujejo sile površinske napetosti v obliki kapljice na žičnem grelcu. Uporabljena žica (običajno s premerom od 0,5 do 1,5 mm) mora imeti enak presek po vsej dolžini, sicer bo zaradi lokalnega pregrevanja motena enakomernost nastale plasti, poleg tega pa se bo žica hitro zgostila. izgorel. Z dobrim omočenjem grelnega materiala z uparjeno kovino vedno poteka bolj ali manj aktivna interakcija med njimi, kar na koncu vodi do uničenja uparjalnika in zmanjšanja čistosti nanesenega premaza. S pomočjo žičnih uparjalnikov se lahko v prostorskem kotu pojavi do 4 P.

Tračni uparjalniki so izdelani iz tanke plošče ognjevarne kovine in imajo posebne vdolbine (v obliki utorov, ladjic, skodelic ali škatlic), v katere se nalaga evaporirana snov. Uporabljajo se za izhlapevanje praškastih materialov in anorganskih spojin. Ti uparjalniki so tako kot žični uparjalniki enostavni po zasnovi, vendar v primerjavi s slednjimi porabijo več energije zaradi znatnih izgub zaradi toplotnega sevanja. Tračni uparjalniki imajo veliko smer izparevanja, njihova praktično največja možna izparilna površina pa je omejena s prostorskim kotom 2 P.

Uparjalnike lončka je mogoče uporabiti za uparjanje materialov, ki ne reagirajo z materialom lončka in z njim ne tvorijo zlitin. Izdelani so iz ognjevarnih kovin (W, Mo, Ta) iz kovinskih oksidov (Al 2 O 3 , BeO, ZrO 2 , ThO 2 itd.) in grafita. Ognjevarno steklo in kremenčeve lončke je mogoče uporabiti tudi za nanašanje materialov z nizko temperaturo izparevanja.

Lončki iz aluminijevega oksida se uporabljajo za kovine, katerih temperatura izhlapevanja je nižja od 1600 ° C (Cu, Mn, Fe, Sn); lončki iz berilijevega oksida se lahko uporabljajo do temperature 1750 o C, torijevega oksida - do 2200 o C. Pri izhlapevanju materialov pri temperaturah reda 2500 o C se uporabljajo grafitni lončki. Vendar številni materiali reagirajo z ogljikom pri visokih temperaturah, da tvorijo karbide in jih zato ni mogoče izhlapeti iz takih lončkov (na primer Al, Si, Ti). Be, Ag, Sr se učinkovito uparijo iz grafitnih uparjalnikov. Veliko oksidov se aktivno reducira z ogljikom, kar omogoča čiščenje kovin z uporabo grafitnih lončkov.

Glavna prednost uparjalnikov v lončku je, da jih je mogoče uporabiti za izhlapevanje velike količine snovi. V primerjavi z žičnimi in tračnimi uparjalniki so bolj inercialni, saj nizka toplotna prevodnost materialov ne omogoča hitrega segrevanja uparjenega materiala. Poleg tega oksidni lončki ne omogočajo hitrega segrevanja zaradi nevarnosti njihovega uničenja zaradi toplotnega šoka. Pomanjkljivosti uparjalnikov v lončku bi morale vključevati tudi dejstvo, da je z njihovo pomočjo mogoče dobiti le ozek žarek uparjene snovi.

Diskontinuirani površinski uparjalniki se uporabljajo za izhlapevanje zlitin in snovi kompleksne sestave (na primer mešanice keramike in kovine), ki so sestavljene iz komponent z močno različnimi stopnjami izhlapevanja. Uporabljajo metodo eksplozivnega izhlapevanja. Temperatura površine uparjalnika, na katero padajo drobni delci, je izbrana tako, da vsi padajoči delci kompleksne snovi takoj izhlapijo. Dovod drobnih delcev na vročo površino se izvaja s hitrostjo, ki se razlikuje od hitrosti izhlapevanja delcev te snovi, kar zagotavlja proizvodnjo filmov zahtevane sestave.

Razširjeni bodo tako imenovani izparilniki z avtomatskim lončkom, pri katerih kapljica ali kopel staljene kovine pride v stik z isto kovino v trdnem stanju. Ta metoda omogoča pridobivanje visokofrekvenčnih premazov.

Za pridobitev premazov, za katere je značilna visoka enotnost strukture in kemične sestave, je treba z izparevanjem praškastih materialov najprej izvesti postopke ločevanja in presejanja prahu v frakcije, temeljito mehansko mešanje pri uporabi praškov različnih kemičnih sestav, razplinjevanje. praška in odstranjevanje sproščenih plinov iz volumna vakuumska komora.

Metoda uporovnega izhlapevanja ima slabosti, ki bistveno zmanjšajo obseg njegove uporabe. Glavne pomanjkljivosti metode vključujejo odsotnost opazne ionizacije hlapov uparjenega materiala, težave pri nadzoru glavnih parametrov pretoka in visoko vztrajnost uparjalnikov.

1.2 Indukcijsko brizganje

Indukcijsko uparjanje se uporablja za odpravo neželenih učinkov, povezanih z interakcijo med uparjalnikom in uparjalnikom ter za pridobivanje premazov visoke čistosti.

Načelo delovanja tikla z indukcijsko ogrevanje prikazano na sl.3. Med taljenjem se gmota kovine (1) pod vplivom sil elektromagnetnega polja, ki ga ustvarja tuljava (2), dvigne tako, da se stična površina na visoko temperaturo segrete kovine z lončkom (3) dvigne. je minimalen. Posledično oslabijo kemične reakcije med uparjeno kovino in lončkom.

Pomanjkljivosti metode indukcijskega ogrevanja vključujejo nezmožnost neposrednega izhlapevanja dielektrikov in potrebo po uporabi posebnih

Induktorji za izhlapevanje različnih kovin, pa tudi nizka učinkovitost naprave.

1.3 Razprševanje z elektronskim žarkom

AT delovni pogojiŠiroko se uporabljajo uparjalniki z elektronskim žarkom, ki omogočajo pridobivanje tankih plasti kovin, zlitin in dielektrikov. Dobro fokusiranje elektronskega žarka v teh uparjalnikih omogoča visoko koncentracijo moči (do 5 10 8 W/cm 2 ) in visoko temperaturo, ki omogoča izhlapevanje z visoka hitrost tudi najbolj ognjevzdržnih materialov. Hitro premikanje segrete cone kot posledica odklona toka elektronov, možnost regulacije in nadzora moči segrevanja in hitrosti nanašanja ustvarjajo predpogoje za samodejno vodenje procesa. Metoda omogoča doseganje visoke čistosti in enakomernosti nanesenega filma, saj se izvaja izhlapevanje materiala v samodejnem lončku.

Načelo delovanja uparjalnika z elektronskim žarkom je naslednje. V elektronski topovi se prosti elektroni oddajajo s površine katode in se oblikujejo v žarek pod delovanjem pospeševalnega in fokusirajočega elektrostatičnega in magnetnega polja. Skozi izhod iz pištole se žarek vodi v delovno komoro. Za vodenje elektronskega žarka v lonček z uparjenim materialom in zagotavljanje parametrov žarka, potrebnih za ta tehnološki proces, se uporabljajo predvsem magnetne fokusne leče in magnetni odklonski sistemi. Neoviran prehod elektronskega žarka do predmeta je možen le v visokem vakuumu. V komori uparjalnika je nastavljen delovni tlak približno 10 -4 Pa. Uparjeni material se segreje zaradi bombardiranja njegove površine z elektronskim žarkom do temperature, pri kateri pride do izhlapevanja z zahtevano hitrostjo. V nastalem toku pare se namesti substrat, na katerem pride do kondenzacije. Uparjalnik je dopolnjen z merilnimi in krmilnimi sredstvi, ki so še posebej pomembna za nadzor elektronskega curka med procesom nanašanja.

Glavni parametri, ki jih je mogoče doseči v uparjalnikih z elektronskim žarkom: 10 4 -10 5 W/cm 2 ; specifična hitrost izhlapevanja - 2·10 -3 -2·10 -2 g/(cm 2 s); učinkovitost procesa uparjanja (za baker) - 3·10 -6 g/J; energija generiranih delcev - 0,1-0,3 eV; hitrost nanosa delcev na substrat je 10-60 nm/s.

V najpreprostejšem primeru je elektronski žarek usmerjen na material, ki ga popravljamo navpično ali pod poševnim kotom na površino. V tem primeru se uporabljajo generatorji elektronskega žarka z dolgim ​​žariščem, ki zagotavljajo fokusiranje žarka in pridobitev zahtevane specifične moči na površini izhlapenega materiala. Pomembne pomanjkljivosti te ureditve so možnost tvorbe filmov na detajlih elektronsko-optičnega sistema, kar vodi do spremembe parametrov elektronskega žarka, in omejitev uporabno površino za prilagoditev podlage zaradi senčenja dela procesne komore s pištolo. Tem pomanjkljivostim se lahko izognemo tako, da pištolo postavimo vodoravno in z različnimi sistemi, ki zagotavljajo rotacijo lanserja pod kotom do 270°, odklonimo elektronski žarek na material, ki ga izparevamo.

Slabosti metode izhlapevanja z elektronskim žarkom vključujejo:

Potreba po visoki pospeševalni napetosti (približno 10 kV);

Nizka energetska učinkovitost naprav zaradi porabe energije za tvorbo sekundarnih elektronov (do 25% energije primarnega žarka) segrevanje lončka, rentgensko in ultravijolično sevanje;

Sproščanje plina v delovnem volumnu zaradi sekundarnega elektronskega bombardiranja podlage, tehnološke opreme in sten komore;

Nastajanje radiacijskih napak v nanesenih tankih filmih med njihovim obstreljevanjem s sekundarnimi elektroni;

Ni opazne ionizacije toka nanesene snovi;

Slab oprijem tankih filmov na podlago zaradi nizke energije nanesenih delcev.

1.4 Lasersko nanašanje

V laserskih uparjalnikih se izhlapevajoča snov, postavljena v vakuum, segreje z uporabo fokusiranega sevanja iz optičnega kvantnega generatorja (OQG), ki se nahaja zunaj vakuumske komore. Nanos filma z laserjem je mogoč zaradi naslednjih lastnosti žarka: natančno fokusiranje sevanja in odmerjanje njegove energije, visoka gostota energijskega toka (10 8 - 10 10 J/cm 2).

Glavne prednosti metode impulznega laserskega nanašanja (PLS) so:

Ekstremno čisti pogoji vakuumske evaporacije (vir energije za evaporacijo snovi je izven vakuumskega volumna, uparjanje poteka iz “lastnega lončka”);

Možnost pridobivanja filmov iz najbolj ognjevzdržnih materialov in ohranjanja stehiometrične sestave večkomponentnih spojin ( visoka gostota energijski tok laserskega sevanja in njegova kratka obstojnost omogočata doseganje visokih temperatur - do več deset tisoč stopinj, pri katerih vse komponente izhlapijo v enaki meri);

Visoka trenutna hitrost nanašanja (103–105 nm/s) in implementiran mehanizem za rast filma brez semen, ki zagotavljata kontinuiteto plasti pri debelini blizu monomolekularne. To omogoča uporabo ILN za pridobivanje ultratankih filmov in supermrež;

Uporaba le nizkoenergijskega dela plazme, ki prispeva k proizvodnji filmov brez napak, so po svojih parametrih blizu filmom, pridobljenim z epitaksijo z molekularnim žarkom. Impulzni laser je zelo uspešna vrsta uparjalnika za MBE; zato se lahko lasersko nanašanje organsko prilega opremi metode MBE;

Stabilnost slojev, nanesenih v 1 impulzu z debelino 0,1 - 10,0Å/pulz, omogoča programiranje nanosa filmov strogo nadzorovane debeline;

Visoka zmogljivost in sposobnost izdelave.

Trenutno se za ILN uporabljajo visokozmogljivi plinski laserji CO 2 (λ = 10,6 µm) ali trdni ruby ​​​​(λ = 0,6943 µm) in neodim (λ = 1,06 µm) laserji. Za uparjanje dielektrikov je priporočljiva uporaba CO 2 laserjev, saj dielektriki bolje absorbirajo dolgovalovno sevanje. Najboljše rezultate pri pridobivanju tankih in ultratankih filmov, zlasti filmov spojin, so dosegli z uporabo neodimovih laserjev.

Za zagotovitev boljše ponovljivosti lastnosti filmov ter za nadzor, nadzor in avtomatizacijo tehnološkega procesa se uporablja frekvenčna metoda ILN, ki je sestavljena iz zaporednega nanašanja filma v vakuumu v majhnih delih (manj kot enoplast na 1 impulz). ), ki si sledijo z določeno frekvenco. Za kovine in zlitine je bil optimalen način f = 50 Hz, τ = 10 ns, moč, sproščena na ciljni površini, je bila q = 5 10 8 - 5 10 9 W / cm 2, za polprevodnike in dielektrike pa 10 kHz, 200 ns oziroma 10 7 - 10 8 W/cm 2 .

Skeniranje se uporablja za izboljšanje enotnosti in ponovljivosti filmskih vzorcev in struktur. laserski žarek na mirujočem cilju ali premikanje v vakuumski komori naprave.

Najpomembnejši fizikalni in tehnološki parameter laserske metode izdelave filma, ki določa temperaturo in trajanje uparjanja, sestavo in stanje uparjene snovi ter prek njih hitrost in mehanizem kondenzacije, strukturo in lastnosti nanesenega sloj, je način delovanja laserja. Na primer, način SI (drugi impulz) omogoča izhlapevanje brez disociacije celo zapletenih organske spojine, MI (milisekundni impulz) daje porozno fazo z raznolikim naborom molekularnih fragmentov-kompleksov, v načinu NI (nanosekundni impulz) so dosežene zelo visoke temperature - do več deset tisoč stopinj, kar vodi do popolne disociacije pare in njegovo močno ionizacijo. Impulzni OCG se praviloma uporabljajo v načinih MI (q=10 6 - 10 7 W/cm 2) in NI (q≥10 9 W/cm 2). Elektronsko mikroskopsko je bilo ugotovljeno, da so filmi, dobljeni v načinu MI (q=5 10 5 W/cm 2 ), enakomerni po debelini, medtem ko so NI-kondenzati (q=10 8 – 10 9 W/cm 2) ne glede na material filma, substrat in debelina filma so pokazali "hrapavost" z značilno velikostjo ~ 50 nm.

Ena od pomembnih značilnosti laserskega izhlapevanja je njegova učinkovitost – razmerje med maso m i, izhlapeno na impulz, in energijo laserskega impulza Ei:β = mi /Ei.

Zaradi NI postane interakcija hlapov s sevanjem in hlapov s tarčo pomembna. V prvem trenutku para zasije ciljno površino in intenzivno absorbira lasersko sevanje. Nato se začne ponovno oddajanje absorbirane energije. Sekundarno sevanje, interakcija s tarčo, vodi do njenega izhlapevanja. Zaradi spremembe mehanizma izhlapevanja v načinu NI se večina energije laserskega impulza porabi za segrevanje pare in veliko manj za njeno tvorbo, zato je izkoristek β ob drugih enakih pogojih precej nižji (za red magnituda) kot v načinu MI. Značilne vrednosti za učinkovitost izhlapevanja so naslednje vrednosti: β MI =0,1 mg/J, β NI =0,01 mg/J. Na učinkovitost izhlapevanja lahko močno vplivata zmanjšanje toplotne prevodnosti in povečanje absorpcije, ki se pojavita pri uporabi praškastih tarč.

Ko snov izhlapi z nanosekundnimi laserskimi impulzi, pride do ekeliranega značaja ekspanzije (in posledično kondenzacije na substratu): naprej se premikajo hitri elektroni, nato ioni z največjim nabojem (z energijami do 1000 eV in več), na koncu ionske komponente - ioni minimalnega naboja, in končno, najpočasnejši del snopa je nevtralni del (z energijo ~ I EV). Ekelirana narava širjenja plazemskega snopa vodi do časovno nehomogenega procesa. Proces kondenzacije se začne z "ionskim šokom" - bombardiranjem površine substrata z visokoenergijskimi ioni pri visoki gostoti (lahko doseže več sto A/cm). Za hitrimi ioni počasnejši del snopa zadene podlago: ioni z nizkim nabojem in nevtralni atomi. Posledice »ionskega šoka« so lahko: čiščenje površine podlage, njeno segrevanje, jedkanje z odpiranjem obstoječih in nastajanjem novih napak ter ciljna erozija. To pa ima velik vpliv na lastnosti kondenzata, na primer na povečano oprijemljivost filmov, pridobljenih s pomočjo laserja.

Opozoriti je treba, da je lahko kljub pulzni naravi izhlapevanja zaradi disperzije hitrosti širjenja komponent plazemskega snopa kondenzacijska hitrost praktično konstantna, če je hitrost ponavljanja pulza dovolj visoka, tako da je f> 1 / τc (τc je čas kondenzacije).

Izhlapevanje snovi z impulznim laserjem poteka v bistveno neravnovesnih pogojih, pod intenzivnimi mehanskimi učinki, ki jih povzročajo toplotne napetosti, udarni valovi, tlak plina itd. Zaradi uničenja tarče se hkrati s hlapi ali plazmo tvorijo trdni in tekoči mikrodelci, ki imajo ekspanzijsko hitrost blizu parnega strdka in povzročijo pojav mikrodefektov v kondenziranem filmu, t.i. učinek brizganja. Za zmanjšanje učinka brizganja se lahko uporabijo različne metode: uporaba praškaste tarče z naknadnim razplinjevanjem, počasno (od impulza do impulza) ali hitro (med enim impulzom) skeniranje.

Zanimiv strukturni vidik problema laserske kondenzacije je možnost pridobivanja kontinuiranih ultrafinih kondenzatov, kar je povezano z visoko hitrostjo dovoda pare v substrat in implementiranim mehanizmom rasti brez semen. Sam koncept "jedra" je povezan s stabilno skupino atomov, v nasprotju z mobilnimi adsorbiranimi atomi. Pri ILN ni pomembnega gibanja adatomov med odlaganjem monosloja (10 -5 - 10 -7 s): adatom nima časa premakniti znatne razdalje pred novim atomom, drugim, tretjim itd. ., se prikaže zraven. Rast filma postane brez semen: atomi niso pritrjeni na kondenzirano plast ne iz površinskega dvodimenzionalnega plina, temveč neposredno iz parne faze. Ker se je ILN kot metoda za pridobivanje tankih, predvsem pa ultratankih filmov in supermrež brez napak razvila šele v Zadnja leta, se je doslej izvajal le v raziskovalnih ustanovah.

1.5 Obločno pršenje

Pri metodi vakuumskega obloka za nanašanje tankih plasti kovin in njihovih spojin se zaradi erozije elektrod ustvari snovni tok, ki je osnova prevleke. električni lok. Načeloma je mogoče uporabiti različne oblike stacionarni vakuumski oblok (oblok s hladno potrošno katodo; oblok s porazdeljeno razelektritvijo na vroči potrošni katodi; oblok z neprepustno votlo katodo, ki gori v hlapih anodnega materiala), katerega obstoj je posledica bistveno drugačen potek samousklajenih procesov nastajanja snovi in ​​oddajanja elektronov s katode. Vendar pa je le prva oblika vakuumskega obloka našla široko uporabo.

Električni oblok s hladno potrošno katodo se realizira v območju tlaka od sto atmosfer do poljubno nizkega in je nizkonapetostna (U = 10-30V) visokotokovna (I = 10 1 - 10 4 A) razelektritev, ki gori v hlapi katodnega materiala. V tem primeru ustvarjanje katodnega materiala izvajajo katodne lise vakuumskega obloka. V katodnih pegah se pojavljajo tudi lokalni procesi intenzivne emisije elektronov. Število katodnih lis je sorazmerno s tokom obloka, gostota toka v pegi je zelo velika in znaša 10 5 - 10 7 A/cm 2 , koncentracija moči v katodni lisi je 10 7 - 10 8 W/cm . 2.

Izhlapevanje katodnega materiala iz območja katodne pege (z značilnimi dimenzijami 10 -4 - 10 -2 cm) poteka pod delovanjem nizkonapetostnega ionskega žarka. V tem primeru se del produktov izhlapevanja vrne v obliki ionskega toka na katodo (podpira procese generiranja in oddajanja elektronov), preostali del njihove frakcije pa vstopi v prostornino sistema in tvori plazmo, ki predstavlja učinkovit generacijski proizvod. Generacijski produkti, katerih fazna sestava je določena predvsem z vrsto katodnega materiala, vsebujejo mikrokapljice (velikosti delcev od nekaj mikronov in manj), parne in ionizirane faze (ioni različnih množin). Pri ognjevzdržnih kovinah je delež kapljične faze manjši od 1% celotne porabe, pri taljivih kovinah - desetine odstotkov. Ta metoda je še posebej učinkovita pri ustvarjanju plazme ognjevzdržnih kovin.

Pri delovanju kovinskega uparjalnika z električnim oblokom v koaksialni izvedbi se katodne lise nagibajo k stranski površini katode (v območje, kjer je razdalja do anode minimalna). To izključuje možnost nanosa filma na podlage, ki se nahajajo nad (pod) končno površino katode. Za držanje katodnih madežev na končni površini katode se uporabljata dve vrsti struktur.

1. Uparjalniki z elektrostatičnim zadrževanjem katodnih lis. V strukturah te vrste je stranska površina katode, ki ni izpostavljena izhlapevanju, prekrita z zaslonom, izoliranim od elektrod uparjalnika. Katodna pega, ki pade na stransko površino katode (pod zaslonom), preneha obstajati, saj je prekinjen tok plazme, ki služi kot tokovni prevodnik med katodno pego in anodo. Za normalno delovanje uparjalnika z elektrostatičnim zaslonom je treba tok obloka povečati tako, da na površini katode obstajata vsaj dve katodni lisi hkrati. V tem primeru, ko eno mesto ugasne, gorenje loka podpirajo drugi. V mnogih primerih je povečanje toka obloka nezaželeno, saj to vodi do povečanja vsebnosti kapljične faze katodnega materiala v nanesenih prevlekah, kar zmanjša njihovo kakovost. Zato so konstrukcije druge vrste našle najširšo uporabo.

2. Uparjalniki z magnetnim zadrževanjem katodnih lis.

Zadrževanje katodnih madežev na izhlapevalni površini katode se izvaja z magnetnim poljem. Ko katodna pega teži k bočni površini katode, radialna komponenta sile, ki izhaja iz interakcije toka z magnetnim poljem, usmerjenim pod kotom nanjo, zadrži katodno pego na površini izhlapevanja. Resna težava, ki se pojavi pri obločnem izhlapevanju hladne katode, je erozija kapljic iz katodne pege, kar povzroči pojav mikrodefektov v kondenziranem filmu in lahko privede do zmanjšanja učinkovitosti prevlek. Tvorba kapljične faze je povezana s katodnimi procesi v vakuumskem obloku in je odvisna tako od termofizikalnih lastnosti katodnega materiala ( Specifična toplota, koeficient toplotne difuzivnosti, tališče, specifična talilna toplota, vrelišče, nasičen parni tlak), stanje njegove delovne površine (prisotnost mikrohrapavosti, razpok) in notranji volumen (prisotnost plinskih vključkov) ter o tehnoloških parametrih. prevleke) tok obloka, prednapetost toka, parcialni tlaki plinov v namestitveni komori).

Po trenutnih zamislih se emisija kapljic tekočine s katodne točke vakuumskega obloka pojavi, ko na površini katode nastanejo erozijski kraterji in je posledica učinka plazemskega tlaka na površino tekoče kovine. Ta mehanizem nastanka kapljične faze ne omogoča razlage eksperimentalno ugotovljene odvisnosti vsebnosti mikrokapljic v prevleki od vsebnosti plinskih vključkov v katodi (zlasti dejstva popolne odsotnosti mikrokapljic v prevlekah pri uporabi katod). z vsebnostjo plina manj kot 10 -6%). Upoštevati je treba tudi, da se mora med postopkom taljenja-izpiranja tekočega filma s stranske površine erozijskega kraterja širitev kapljic zgoditi predvsem pod majhnim kotom na površino katode. Medtem so v prevlekah praviloma fiksirane kapljice, ki se razpršijo v smeri normale na površino katode. Njihov nastanek je po mnenju avtorjev povezan s procesi volumetričnega uparjanja (vretje mehurčkov) v katodni točki.

Na podlagi tega mehanizma lahko ločimo naslednje fizično pomembne parametre tvorbe mikrokapljic: koncentracijo plinskih vključkov v katodi N 0 (določa število uparjevalnih centrov, ki povzročajo vrenje mehurčkov), koncentracijo moči v katodni točki q (določa debelino plasti taline, življenjsko dobo mehurčka v talini in polmer mehurčka, ki ustreza trajanju njegovega obstoja), hitrost katodne pege (omejuje časovni okvir procesa).

Glavni parametri, ki označujejo naprave za nanašanje premazov z metodo vakuumskega električnega obloka

Specifična stopnja izhlapevanja - 2 10 -4 -5 10 -3 g / (cm 2 s);

Učinkovitost procesa uparjanja je 2·10 -6 -10 -5 g/J;

Stopnja ionizacije - 10-90%;

Energija generiranih delcev – 10 – 100 eV;

Hitrost nanašanja ~5 nm/s.

Glavne prednosti nanašanja tankega filma z vakuumskim električnim obločnim izparevanjem vključujejo naslednje:

Sposobnost natančnega nadzora hitrosti nanašanja premaza s spreminjanjem obločnega toka;

Sposobnost nadzora sestave prevleke z uporabo več katod iz različnih materialov ali kompozitnih (večkomponentnih) katod;

Visoka energija plazemskega curka, ki prispeva k doseganju visokega oprijema prevleke;

Visoka stopnja ionizacije, ki prispeva k učinkoviti aglomeraciji jeder in tvorbi neprekinjenih filmov najmanjše možne debeline;

Možnost pridobivanja tankih plasti kovinskih spojin z vnosom reakcijskega plina v komoro;

Izdelljivost postopka nanašanja, ki omogoča uporabo računalnikov za nadzor procesa.

epitaksija z naprševanjem z elektronskim žarkom

Termično vakuumsko nanašanje ima številne pomanjkljivosti in omejitve, od katerih so glavne naslednje:

Nanašanje filmov iz ognjevzdržnih materialov (W, Mo, SiO 2 , Al 2 O 3 itd.) zahteva visoke temperature na uparjalniku, pri katerih je kontaminacija toka z materialom uparjalnika neizogibna;

Pri nanosu zlitin razlika v hitrosti izhlapevanja posameznih komponent povzroči spremembo sestave filma v primerjavi z začetno sestavo materiala, ki je postavljen v uparjalnik;

Vztrajnost procesa, ki zahteva vnos lopute z elektromagnetnim pogonom v delovno komoro;

Neenakomerna debelina filma, ki zahteva uporabo naprav za premikanje substrata in korektivnih diafragm.

Prve tri pomanjkljivosti so posledica potrebe po visokotemperaturnem segrevanju snovi, zadnja pa zaradi visokega vakuuma v delovni komori.

Na tem temelji princip delovanja naprav za ionsko razprševanje fizikalni pojavi, kot je ionizacija plinskih delcev, žareča razelektritev v vakuumu in razprševanje snovi z obstreljevanjem s pospešenimi ioni.

Ionizacija je proces pretvorbe nevtralnih plinskih delcev (atomov in molekul) v pozitivno nabite ione. Bistvo tega procesa je naslednje. Plin med dvema elektrodama vedno vsebuje nekaj prostih elektronov. Če med elektrodama anoda in katoda - ustvarite električno polje, bo to polje pospešilo proste elektrone. Ob srečanju z nevtralnim plinastim delcem pospešeni primarni elektron iz njega izbije sekundarni elektron in spremeni nevtralni plinski delec v pozitivno nabit ion. Tako se kot posledica trka pojavi nov par nabitih delcev: izbit sekundarni elektron in pozitivno nabit ion.

Odbiti primarni elektron in sekundarni elektron se lahko pospešita z električnim poljem in pri interakciji z nevtralnimi delci plina tvorita vsak par nabitih delcev. Tako se razvije plazovit proces pojavljanja dveh vrst nabitih delcev v plinskem mediju, plin pa, ki je v normalne razmere električni izolator postane prevodnik.

Sodobne ideje o procesu interakcije, ki vodi do razprševanja, kažejo, da kot posledica prodiranja iona v material nastane kaskada binarnih elastičnih trkov premaknjenih atomov, v katerih se energija in gibalna količina izmenjujeta med atomi. Povprečni čas za razvoj kaskade trkov je približno 2·10 -13 s. Končni rezultat kaskade trkov je lahko prenos na površinski atom (v plasti debeline ~1 nm) zadostne količine energije in potrebne količine želene smeri (v smeri meje med trdno in vakuumsko snovjo), da premaga njegovo vezne sile na površini, kar vodi do razprševanja.

Postopek razprševanja z ionskim obstreljevanjem je "hladen" postopek, ker atomski tok snovi na podlago nastane z obstreljevanjem površine trdnega vzorca (tarče) z ioni inertnega plina in vzbujanjem površine atoma do energije, ki presega energijo vezave s sosednjimi atomi. Pretok ionov, ki je potreben za to, se ustvari v električnem plinskem praznjenju, za katerega mora biti tlak plina v delovni komori znotraj 0,1 × 10 Pa, tj. nekaj velikostnih redov višje kot v komori za termično vakuumsko nanašanje.

Slednja okoliščina vodi do sipanja toka atomov iz tarče in povečanja enakomernosti debeline nanesenega filma do ±1% in brez uporabe dodatnih naprav.

Metoda ionskega razprševanja temelji na obstreljevanju tarče iz nanesenega materiala s hitrimi delci. Delci, izbiti iz tarče zaradi bombardiranja, tvorijo tok odloženega materiala, ki se v obliki tankega filma odloži na substrate, ki se nahajajo na določeni razdalji od tarče.

Pomemben dejavnik, ki določa operativne značilnosti in zasnovo naprav za ionsko razprševanje, je metoda generiranja ionov, ki obstreljujejo cilj. V skladu s tem so naprave za ionsko razprševanje opremljene s preprostim dvoelektrodnim ali magnetronskim sistemom.

2.1 Katodno razprševanje

Načini katodnega razprševanja.

Slika 6a prikazuje tokovno-napetostno karakteristiko razelektritve. Pri uporabi konstantne napetosti več kilovoltov pride do razpada medelektrodne reže, hitrega povečanja toka in padca napetosti v razelektritvi (območje vžiga razelektritve I). S povečanjem toka praznjenja zaradi zmanjšanja upora Rn se površina katodne tarče, ki jo pokriva razelektritev, poveča, gostota toka praznjenja in napetost praznjenja ostaneta konstantni in nizki, stopnja razprševanja pa je nizka ( območje normalno žareče razelektritve II). V regiji III je celotno ciljno območje pokrito z razelektritvijo, povečanje razelektritvenega toka pa vodi do povečanja gostote razelektritvenega toka, napetosti praznjenja in hitrosti razprševanja. Območje W, imenovano območje nenormalne žareče razelektritve, se uporablja kot delovno območje v postopkih katodnega razprševanja. Za preprečevanje prehoda v območje obločne razelektritve (območje IV), intenzivno vodno hlajenje cilje in omejitev oskrbe z električno energijo v smislu moči.

Na sl. 6b je poudarjeno delovno območje III CVC. Strmina karakteristike v tem območju je odvisna od tlaka delovnega plina, v našem primeru argona. Delovna točka, ki označuje načine obdelave - tlak plina P, tok J p in napetost praznjenja U p, leži na karakteristiki obremenitve vira energije

(2.1)

kjer je U p - napajalna napetost.

Po drugi strani pa ciljna hitrost razprševanja W g/cm 2 ×s

(2.2)

kjer je C koeficient, ki označuje vrsto razpršenega materiala in vrsto delovnega plina;

U nk - normalni padec katodne napetosti (območje II CVC);

j p - gostota toka praznjenja;

d TP je širina temnega katodnega prostora.

Iz (2.2) sledi, da je največja hitrost razprševanja dosežena pri največji moči, ki se sprošča pri razelektritvi. Glede na obremenitveno karakteristiko (2.1)

(2.3)

Hkrati je jasno opredeljena optimalna vrednost tlak delovnega plina. Izbira vrednosti U n in R n bi morala, kot je bilo rečeno, preprečiti prehod v območje praznjenja obloka, v katerem se iz tarče izvržejo veliki delci in postane odlaganje tankega filma enakomerne debeline. nemogoče.

2.2 Magnetronsko razprševanje

Omejitve in slabosti postopka katodnega naprševanja vključujejo:

Možnost razprševanja samo prevodnih materialov, ki so sposobni oddajanja elektronov v razelektritev, ki ionizirajo molekule argona in vzdržujejo gorenje razelektritve;

Nizka hitrost rasti filma (enote nm/s) zaradi znatne disperzije atomov razpršenega materiala v prostornini delovne komore.

Različna metoda, ki temelji na žareči razelektritvi, je magnetronsko razprševanje. Magnetronski sistemi za ionsko razprševanje so diodni sistemi za razprševanje, v katerih se atomi razpršenega materiala odstranijo s površine tarče, ko jo obstreljujejo z ioni delovnega plina (običajno argona), ki nastanejo v plazmi nenormalne žareče razelektritve. Za povečanje hitrosti razprševanja je potrebno povečati intenzivnost ionskega obstreljevanja tarče, to je gostoto ionskega toka na površini tarče. V ta namen uporabimo magnetno polje B, katerega silnice so vzporedne s poškropljeno površino in pravokotne na silnice električnega polja E.

Katoda (tarča) je postavljena v križno električno (med katodo in anodo) in magnetno polje, ki ga ustvarja magnetni sistem. Prisotnost magnetnega polja v bližini površine razpršene tarče omogoča lokalizacijo plazme nepravilnega žarečega praznjenja neposredno na tarči. loki silnice B se zapre med poloma magnetnega sistema. Ciljna površina, ki se nahaja med točkama vstopa in izstopa poljskih linij B in je intenzivno razpršena, ima obliko zaprte sledi, katere geometrija je določena z obliko polov magnetnega sistema. Ko se med tarčo (negativni potencial) in anodo (pozitiven ali ničelni potencial) uporabi konstantna napetost, nastane nehomogeno električno polje in vzbuja se nenormalna žareča razelektritev. Elektrone, ki jih pod vplivom ionskega obstreljevanja izpusti katoda, ujame magnetno polje in se tako rekoč znajdejo v pasti, ki jo na eni strani ustvari magnetno polje, ki vrne elektrone na katodo, na drugi pa po drugi strani pa ciljna površina, ki odbija elektrone. Kot rezultat, elektroni izvajajo kompleksno cikloidno gibanje blizu površine katode. V procesu tega gibanja so elektroni podvrženi številnim trkom z atomi argona, kar zagotavlja visoko stopnjo ionizacije, kar vodi do povečanja intenzivnosti ionskega bombardiranja tarče in s tem do znatnega povečanja hitrosti razprševanja.

Glavni parametri sistemov za magnetronsko ionsko razprševanje:

Specifična količina pršenja - (4-40) 10 -5 g/(cm 2 s);

Učinkovitost procesa generiranja (za baker) - 3·10 -6 g/J;

Energija generiranih delcev - 10-20 eV;

Energija nanesenih delcev je 0,2-10,0 eV;

Hitrost nanašanja 10-60 nm/s;

Delovni tlak - (5-50) 10 -2 Pa.

Glavne prednosti magnetronskih razpršilnih sistemov vključujejo:

Visoke hitrosti škropljenja pri nizkih delovnih napetostih (≈500 V) in nizkih tlakih delovnih plinov;

Nizke radiacijske napake in brez pregrevanja podlage;

Majhna stopnja kontaminacije filmov z vključki tujih plinov;

Možnost pridobivanja filmov enakomerne debeline na velika površina podlage.

2.3 Visokofrekvenčno pršenje

Visokofrekvenčno naprševanje se je začelo uporabljati, ko je bilo treba uporabiti dielektrične. Kovine in polprevodniški materiali se običajno napršijo pri konstantni napetosti na tarčo. Če je ciljni material dielektrik, se pri konstantni napetosti na ciljni elektrodi razprševanje hitro ustavi, saj površina dielektrika med ionskim obstreljevanjem pridobi pozitiven potencial, po katerem odbije skoraj vse pozitivne ione. Za izvedbo postopka dielektričnega naprševanja je potrebno občasno nevtralizirati pozitivni naboj na njem. V ta namen se RF napetost s frekvenco 1-20 MHz dovaja na kovinsko ploščo, ki se nahaja neposredno za napršeno dielektrično tarčo (najpogostejša frekvenca za RF naprševanje je 13,56 MHz, kar je dovoljeno za industrijsko uporabo).

Pri negativnem napetostnem polvalu na dielektrični tarči (katodi) pride do navadnega katodnega razprševanja. V tem času se površina tarče napolni s pozitivnimi ioni, zaradi česar se ionsko obstreljevanje tarče ustavi. Pri polvalu pozitivne napetosti je tarča bombardirana z elektroni, ki nevtralizirajo pozitivni naboj na površini tarče, kar omogoča razprševanje v naslednjem ciklu.

Glavni parametri, ki jih je mogoče doseči pri HF-pršilnih materialih:

Specifična hitrost razprševanja - 2·10 -7 - 2·10 -6 g/(cm 2 s);

Učinkovitost postopka pršenja (za baker) - 6·10 -7 g/J;

Energija generiranih delcev – 10-200 eV;

Hitrost nanašanja - 0,3-3,0 nm/s;

Energija nanesenih delcev je 0,2-20 eV;

Delovni tlak v namestitveni komori je 0,5-2,0 Pa.

2.4 Plazemsko ionsko razprševanje pri nesamovzdržni plinski razelektritvi

Pri tovrstnih razpršilnih sistemih je izgorevanje plinske razelektritve podprto z dodatnim virom (magnetno polje, RF polje, toplotna katoda). Slika 7 prikazuje trielektrodni razpršilni sistem, v katerem se toplotna katoda uporablja kot dodatni vir elektronov.

Vroča katoda (1) oddaja elektrone proti anodi (3). Ta tok ionizira ostanke plina, kar ohranja razelektritev goreče. Na razpršeno tarčo (2) se uporabi visok negativni potencial, zaradi česar se pozitivni ioni plazme (4) vlečejo na tarčo in obstreljujejo njeno površino, kar povzroči razprševanje materiala tarče. Nosilci (5) so nameščeni nasproti tarče in na njih se nanese napršen material.

Uporaba nesamostojne plinske razelektritve omogoča nanašanje premazov pri nizkem obratovalnem tlaku v instalacijski komori (5 10 -2 Pa), kar zagotavlja zmanjšanje koncentracije plinov, ujetih v film, kot tudi povečanje povprečne energije nanesenih delcev zaradi zmanjšanja števila trkov razpršenih delcev z molekulami plina na poti do substrata.

Hitrost razprševanja v obravnavanem 3-elektrodnem sistemu nadzirajo emisijski tok toplotne katode, tlak v nastavitveni komori in ciljna napetost ter se lahko spreminjajo v širokem območju (1–1000 A/min).

Prednosti triodnih razpršilnih sistemov v primerjavi s standardnimi diodnimi razpršilnimi sistemi torej vključujejo: višje stopnje nanašanja; zmanjšanje poroznosti in povečanje čistosti nanesenih filmov; povečanje oprijema filmov na podlago.

Klasična metoda pridobivanja čistih površin za številne materiale je izhlapevanje in kondenzacija v ultravisokem vakuumu. Tanke plasti kovin ali elementarnih polprevodnikov, pridobljene z vakuumskim izparevanjem, so običajno polikristalne ali amorfne, tj. dokončna kristalografska orientacija površine pri njih ni mogoča.

Tehnologija večplastnih struktur naj bi zagotovila visoko kakovost rasti materialov slojevitih struktur in popolnost vmesnikov med temi materiali. Samo v tem primeru se lahko uresničijo potencialne možnosti, ki so del polprevodniških supermrež in večplastnih magnetnih struktur.

Za pridobivanje tankih visokokakovostnih filmov in večplastnih struktur se najpogosteje uporabljajo mehanizmi epitaksialne rasti filmskega materiala na ustreznem monokristalnem substratu. Najbolj razširjena metoda je molekularna epitaksija (MBE), ki omogoča oblikovanje popolnih monokristalnih plasti različnih materialov v pogojih ultravisokega vakuuma. Ta metoda je bila uspešno uporabljena za gojenje tankih filmov polprevodnikov, kovin, dielektrikov, magnetnih materialov, visokotemperaturnih superprevodnikov in številnih drugih snovi. Do danes se je na tem področju nabralo precej veliko teoretičnih raziskav in praktičnega dela, zato je tehnologija MBE najpogostejša metoda za pridobivanje polprevodniških supermrež in večplastnih magnetnih struktur.

V zadnjih letih je tehnologija rasti iz plinske faze z uporabo organokovinskih spojin (RGF MOS) postala vse bolj razširjena za gojenje polprevodniških supermrež. Ta metoda uporablja tudi postopek epitaksialne rasti materialov na segretem substratu med termično razgradnjo organokovinskih spojin. Mehanizmi rasti pri metodi RHF MOS niso bili raziskani tako globoko kot pri MBE; vendar se večina polprevodniških spojin A III B V, A II B IV in A IV B VI uspešno goji s to metodo.

Od metod epitaksialne rasti lahko za pridobivanje polprevodniških supermrež uporabimo tudi tekočefazno epitaksijo, pri kateri iz prenasičenih raztopin v stiku s substratom pridobimo monokristalne plasti. Ko se temperatura zniža, se odvečna količina polprevodnika odloži iz raztopine na podlago, kar je povezano z zmanjšanjem topnosti polprevodniškega materiala. Najboljše rezultate dobimo s tekočefazno epitaksijo za polprevodniške spojine tipa A III B V in njihove trdne raztopine. Večplastne polprevodniške strukture so pridobljene v večkomornih reaktorjih za tekočefazno epitaksijo z zaporednim ustvarjanjem stika z različnimi talinami.

Tanke magnetne filme in večplastne magnetne strukture je mogoče pridobiti z različnimi metodami razprševanja, vključno z visokofrekvenčnim in magnetronskim razprševanjem. Te metode omogočajo pridobivanje slojev praktično katere koli sestave. Nekateri raziskovalci verjamejo, da so najboljše možnosti za tehnologijo večplastnih magnetnih struktur različne metode elektrolitsko odlaganje.

3.1 Mehanizmi epitaksialne rasti tankih plasti

Vprašanja, povezana z mehanizmi rasti, postanejo izjemno pomembna pri ustvarjanju heterostruktur in večplastnih struktur, ki zahtevajo najvišjo stopnjo homogenosti sestave pri debelini manj kot 100 Å.

Najpomembnejši posamezni atomski procesi, ki spremljajo epitaksialno rast, so naslednji:

Adsorpcija sestavnih atomov ali molekul na površini substrata;

Površinska migracija atomov in disociacija adsorbiranih molekul;

Pritrjevanje atomov na kristalno mrežo substrata ali prej zrasle epitaksialne plasti;

Toplotna desorpcija atomov ali molekul, ki niso vgrajeni v kristalno mrežo.

Kondenzacija na substratu novega materiala iz plinske faze je določena s hitrostjo trkov atomov ali molekul s substratom (število delcev, ki prispejo na enoto časa na enoto površine)

(3.1)

kjer je p parni tlak, M je molekulska masa delcev, k je Boltzmannova konstanta in T je temperatura vira.

Delec, kondenziran iz plinske faze, lahko takoj zapusti površino substrata ali pa difundira po površini. Proces površinske difuzije lahko vodi do adsorpcije delca na površini substrata ali rastočega filma ali do procesa površinske agregacije, ki ga spremlja tvorba nove kristalne faze kondenziranega materiala na površini. jedra. Adsorpcija posameznih atomov se praviloma pojavi na stopnicah rasti ali drugih okvarah. Igra se atomski proces medsebojne difuzije, pri katerem si atomi filma in substrata izmenjajo mesta pomembno vlogo med epitaksialno rastjo. Zaradi tega postopka postane meja med substratom in rastočim filmom bolj gladka.

Površinske procese, ki spremljajo epitaksialno rast med MBE, je mogoče opisati kvantitativno. Za vsakega od zgoraj obravnavanih posameznih atomskih procesov je značilna lastna aktivacijska energija in ga lahko v prvem približku predstavimo z eksponentnim zakonom. Stopnja desorpcije, na primer

(3.2)

kjer je E d aktivacijska energija procesa desorpcije, T s je temperatura substrata.

Na fenomenološki ravni obstajajo tri glavne vrste rasti tankih epitaksialnih filmov:

1. Rast po plasteh. Pri tem mehanizmu rasti začne vsaka naslednja plast filma nastajati šele, ko je rast prejšnje plasti popolnoma končana. Ta mehanizem rasti imenujemo tudi rast Frank-van der Merve (FM). Do rasti po plasteh pride, ko je interakcija med substratom in plastjo atomov veliko večja kot med najbližjimi atomi v plasti. Shematski prikaz rasti filma plast za plastjo za različno pokritost  (v frakcijah enoplastnih ML) je prikazan na sliki 3. 8, a.

2. Otočna rast ali Vollmer-Webrova rast (otočna rast, Vollmer Weber, VW). Ta mehanizem je pravo nasprotje rasti po plasteh. Pogoj za njegovo izvedbo je prevlada interakcije med najbližjimi atomi nad interakcijo teh atomov s substratom. Z otočnim mehanizmom rasti se snov že od samega začetka usede na površino v obliki večplastnih konglomeratov atomov (glej sliko 8b).

3. Vmesnik med tema dvema mehanizmoma je rast Stransky-Krastanov (SK, sloj-plus-otoček raste), pri katerem prvi sloj popolnoma prekrije površino substrata, na njej pa rastejo tridimenzionalni filmski otoki. Številni dejavniki lahko privedejo do tega mehanizma, zlasti precej velika razlika med parametri kristalnih mrež filma in substrata (glej sliko 8c).

Pogoj, ki razmejuje izvedbo enega ali drugega mehanizma rasti, lahko dobimo iz analize razmerij med koeficienti površinske napetosti med substratom in vakuumom  S , med filmom in vakuumom  F ter med substratom in filmom  S / F (slika 9).

Koeficient površinske napetosti površine je enak prosti energiji enote površine. V skladu s tem ti koeficienti določajo sile površinske napetosti, ki delujejo na enoto dolžine elementa vmesnika. Po tej definiciji je sila dF, ki deluje na infinitezimalni element dl vmesnika med dvema medijema, enaka

Iz pogoja ravnovesja za kateri koli element dolžine kontaktne črte substrata, tridimenzionalnega filmskega otoka in vakuuma (slika 9.) dobimo

kjer je  kontaktni kot, tj. kot, ki ga tvorita tangenta na površino filmskega otoka in površino podlage.

Če je kontaktni kot enak nič, se otok "razširi" tanek sloj nad površino substrata, kar ustreza mehanizmu rasti plast za plastjo. Ta pogoj vodi do naslednjega razmerja med koeficienti površinske napetosti:

, rast po plasteh (3.4)

Če je uresničen mehanizem rasti otoka, katerega pogoj je

rast otočkov (3,5)

Za popolnejšo izpeljavo pogojev, pod katerimi se uresničuje en ali drug mehanizem rasti, je treba upoštevati vpliv na stanje ravnovesja med oblikovanim filmom in substratom plinske faze v območju rasti filma.

V literaturi se pogosto obravnava še en mehanizem rasti - statistične padavine. S tem mehanizmom rasti filma se atomi nanešene snovi nahajajo na površini po Poissonovi porazdelitvi, kot da bi jih slučajno vrglo in bi se preprosto zalepili na mesto udarca.

3.2 Epitaksija z molekularnim žarkom

Molecular beam epitaxy (MBE) je v bistvu razvoj do popolnosti tehnologije vakuumskega nanašanja tankih plasti. Njena razlika od klasične tehnologije vakuumskega nanašanja je povezana z višjo stopnjo nadzora procesa. Pri metodi MBE nastanejo tanke monokristalne plasti na segretem monokristalnem substratu zaradi reakcij med molekulskimi ali atomskimi žarki in površino substrata. Visoka temperatura substrata spodbuja migracijo atomov po površini, zaradi česar atomi zasedajo strogo določene položaje. To določa usmerjeno kristalno rast oblikovanega filma na monokristalnem substratu. Uspešnost postopka epitaksije je odvisna od razmerja med mrežnimi parametri filma in substrata, pravilno izbranih razmerij med intenzitetami vpadnih žarkov in temperature substrata. Ko monokristalni film raste na substratu, ki se razlikuje od filmskega materiala in ne vstopa v kemično interakcijo z njim, se ta proces imenuje heteroepitaksija. Kadar se substrat in film ne razlikujeta po kemijski sestavi ali se med seboj malo razlikujeta, se postopek imenuje homoepitaksija ali avtoepitaksija. Usmerjena rast filmskih plasti, ki vstopi v kemično interakcijo s substratno snovjo, se imenuje kemoepitaksija. Vmesna ploskev med filmom in substratom ima enako kristalno strukturo kot substrat, vendar se razlikuje po sestavi tako od materiala filma kot materiala substrata.

V primerjavi z drugimi tehnologijami, ki se uporabljajo za gojenje tankih filmov in večplastnih struktur, sta za MBE značilni predvsem nizka hitrost rasti in relativno nizka temperatura rasti. Prednosti te metode so možnost nenadne prekinitve in kasnejšega ponovnega vklopa dovoda molekularnih žarkov različnih materialov na površino substrata, kar je najpomembnejše za nastanek večplastnih struktur z ostrimi mejami med plastmi. K pridobivanju popolnih epitaksialnih struktur prispeva tudi možnost analize strukture, sestave in morfologije rastočih plasti med njihovim nastajanjem z difrakcijo odbitih visokoenergijskih elektronov (HEED) in Augerjevo elektronsko spektroskopijo (AES).

Spodaj na sl.10. prikazan je poenostavljen diagram rastne komore MBE.

Izhlapevanje materialov, odloženih v ultravisokem vakuumu na substrat, pritrjen na manipulatorju z grelno napravo, se izvaja z uporabo efuzijskih celic (izliv je počasen odtok plinov skozi majhne luknje). Shema efuzijske celice je prikazana na sliki 11. Efuzijska celica je cilindrično steklo iz pirolitičnega borovega nitrida ali grafita visoke čistosti. Na vrhu lončka sta grelna tuljava iz tantalove žice in toplotni ščit, običajno iz tantalove folije.

Efuzijske celice lahko delujejo v temperaturnem območju do 1400 0 C in prenesejo kratkotrajno segrevanje do 1600 0 C. Za uparjanje ognjevzdržnih materialov, ki se uporabljajo v tehnologiji tankih magnetnih filmov in večplastnih struktur, se uparjajoči material segreje z elektronsko bombardiranje. Temperaturo uparjene snovi uravnava volfram-renijev termočlen, pritisnjen na lonček. Uparjalnik je nameščen na ločeni prirobnici, na kateri so električni priključki za napajanje grelnika in termoelementa. Praviloma je v eni rastni komori nameščenih več uparjalnikov, od katerih vsaka vsebuje glavne sestavine filmov in dopantne materiale.

Rastne komore sodobnih tehnoloških kompleksov MBE so praviloma opremljene s kvadrupolnim masnim spektrometrom za analizo preostale atmosfere v komori in nadzor elementarne sestave skozi celoten tehnološki proces. Za kontrolo strukture in morfologije nastalih epitaksialnih struktur je v rastni komori nameščen tudi difraktometer odbitih hitrih elektronov. Difraktometer je sestavljen iz elektronske puške, ki ustvarja dobro fokusiran elektronski žarek z energijami 10-40 keV. Elektronski žarek vpada na podlago majhen kot njegovi ravnini razpršeni elektronski valovi dajejo uklonski vzorec na luminiscenčnem zaslonu. Pogosto v rastnih komorah ali v večkomornih kompleksih MBE komora za pripravo in analizo substratov in epitaksialnih struktur vsebuje elektronsko pištolo z energetskim analizatorjem sekundarnih elektronov in ionsko pištolo za čiščenje substratov z ionskim jedkanjem in analizo po plasteh. sestava epitaksialnih struktur.

Za tehnološki proces najpomembnejši predel rastne komore se nahaja med izlivnimi celicami in substratom (slika 10). To območje lahko razdelimo na tri cone, ki so na sliki označene s številkami I, II in III. Območje I je območje generiranja molekularnih žarkov; v tem območju se molekularni žarki, ki jih tvori vsaka od izlivnih celic, ne sekajo in ne vplivajo drug na drugega. V drugi coni (cona II - cona mešanja izhlapelih elementov) se molekularni žarki križajo in pride do mešanja različne komponente. Cona III, cona kristalizacije, se nahaja v neposredni bližini površine substrata. V tem območju pride do epitaksialne rasti med epitaksijo z molekularnim žarkom.

V industriji, raziskovalnih laboratorijih, se zdaj pogosto uporabljajo avtomatizirani večmodulni kompleksi za epitaksijo z molekularnim žarkom. Modul je del instalacije, ki ga odlikujejo funkcionalne in oblikovne lastnosti. Module delimo na tehnološke in pomožne. Vsak tehnološki modul je zasnovan za izvajanje določenega tehnološkega procesa (čiščenje substratov in analiza njihovega površinskega stanja, epitaksija polprevodniških filmov, nanašanje kovin in dielektrikov itd.). Pomožni moduli so na primer modul za nakladanje in razkladanje substratov, modul za predhodno praznjenje in razplinjevanje vakuumskih komor itd. Glede na tehnološke naloge je lahko kompleks za MBE opremljen z različnim številom specializiranih modulov, ki so med seboj povezani z prehodne naprave in sistem za premikanje substratov in vzorcev iz enega modula v drugega brez prekinitve vakuuma.

Trendi razvoja razvoja v smeri ustvarjanja instalacij za MBE so povezani z vse večjo uporabo vgrajene analitske opreme in avtomatizacijo tehnološkega procesa, kar omogoča izboljšanje ponovljivosti lastnosti gojenih epitaksialnih struktur in ustvariti kompleksne večplastne strukture. Analitično opremo kompleksa predstavlja v modulu PAP vgrajen Auger spektrometer in ionska pištola za čiščenje substratov in Auger profiliranje. Vsak od blokov EPS in EPM vsebuje masni spektrometer za spremljanje preostalih plinov in molekularnih žarkov ter difraktometer za odbite hitre elektrone za spremljanje strukture in morfologije epitaksialnih plasti med rastjo. Poleg vakuumsko-mehanskega sistema kompleks vključuje avtomatiziran sistem za nadzor procesov, ki vam omogoča neodvisno in hkratno krmiljenje tehnoloških procesov, tako pod nadzorom operaterja kot v avtomatskem načinu.

Tanke folije se pogosto uporabljajo v tehniki kot premazi, odporni proti obrabi, koroziji, proti trenju, zaščitno-dekorativni in drugi premazi. Našli so široko uporabo v optiki (polarizacijski filtri, razdelilniki žarkov, antirefleksni premazi itd.) in v elektronski industriji pri izdelavi naprav in integriranih vezij (ohmski kontakti, tokovne steze, izdelava kondenzatorjev, naprav z magnetnim filmom). , polprevodniški epitaksialni filmi).

Literatura

1. Epifanov G. I., Moma Yu A. Fizični principi načrtovanja in tehnologije REA in EVA: Učbenik za univerze. - M .: Sovjetski radio, 1979. - 352 str.

2. Vakuumsko nanašanje filmov v kvazizaprtem volumnu. M., "Sovjetski radio", 1975, 160 str. / Yu. Z. Bubnov, M. S. Lurie, F. G. Staros, G. A. Filaretov.

3. Tehnologija polprevodniških elementov in mikroelektronskih izdelkov. V 10 knjigah: Proc. Dodatek za poklicne šole. Knjiga. 6. Odlaganje filmov v vakuumu / Minaichev V. E. - M.: Vyssh. šola, 1989. - 110 str.: ilustr.

4. Efimov I. E. et al., Mikroelektronika. Fizične in tehnološke osnove, zanesljivost. Proc. Dodatek za univerze. M: "Višje. šola”, 1977. – 416 str. od bolnega.

5. G. D. Karpenko in V. L. Rubinshtein, Sodobne metode za generiranje nanesene snovi pri nanosu tankoplastnih prevlek v vakuumu. Minsk: BelNIINTI, 1990 - 36 str.

6. Kostrzhitsky A. I., Lebedinsky. Večkomponentni vakuumski premazi. -M: "Inženiring", 1987 - 207 str.

7. Butovsky KG, Lyasnikov VN Brizgani premazi, tehnologija in oprema. – Saratov: „Saratovsko državno sodišče. tehn. Univerza”, 1999 – 117 str.

8. Kudinov V. V., Bobrov G. V. Nanos premazov z brizganjem. Teorija, tehnologija in oprema. - M .: "Metalurgija", 1992 - 431 str.

9. O. S. Trushin, V. F. Bochkarev, V. V. Naumov. Simulacija procesov epitaksialne rasti filmov v pogojih ionsko-plazemskega nanašanja.//Mikroelektronika, 2000, zvezek 29, №4, str. 296-309

Navigacija:

Postopek vakuumskega nanašanja je sestavljen iz skupine metod za nanašanje prevlek (tankih filmov) v vakuumski krogli, pri katerih se kompenzacija pojavi z delovanjem neposredne kondenzacije hlapov, ki jih povzroči element.

Obstajajo naslednje stopnje vakuumskega nanašanja:

• Proizvodnja plinov (pare) iz komponent, ki proizvajajo kompenzacijo;
• Prenos pare na podlago;
• Kopičenje hlapov v substratu in nastanek razprševanja;

Seznam metod vakuumskega nanašanja vključuje naslednja znanstvena in tehnična gibanja, poleg tega pa tudi hitre vrste teh operacij.

Seznam metod termičnega pršenja:

• Uparjanje z galvanskim žarkom;
• Izhlapevanje z laserskim žarkom.

Izparevanje z vakuumskim oblokom:

• Surovina se upari v katodni točki, za to je odgovoren električni oblok;
• Epitaksija z uporabo molekularnega žarka.

Sipanje ionov:

• Prvotne surovine so razpršene z bombardiranjem z ionskimi žarki in udarcem po substratu.

Aplikacija

Vakuumska kompenzacija se uporablja za razvoj ravninskih komponent, naprav in mehanizmov operativnih prevlek - prevodnikov, izolatorjev, odpornih proti obrabi, odpornih proti koroziji, odpornih proti eroziji, proti trenju, proti zasegu, pregrad in drugih. Te manipulacije se uporabljajo za nanašanje dekorativnih premazov, na primer pri sestavljanju urnih mehanizmov s pozlačeno površino in premazovanjem okvirjev za očala. Ena glavnih operacij mikroelektronike, kjer se uporablja za nanašanje prevodnih plasti (metalizacija). Vakuumska kompenzacija se uporablja za pridobivanje optičnih prevlek: antirefleksne, odbojne, filtrirne.

Kemično aktiven plin, na primer acetilen (za namen premazov, ki vnašajo ogljik), nekovin, zračni prostor, se lahko uvede v znanstveno in tehnično področje. Chem. odziv v ravnini substratov se sproži s segrevanjem ali z ionizacijo in disociacijo plinov v eni od konfiguracij plinskega sistema.

Zahvaljujoč uporabi metod vakuumskega nanašanja dobimo prevleko, katere debelina je lahko več angstromov ali doseže veliko mikronov, praviloma zaradi nanašanja površina ne zahteva dodatne obdelave.

Metode vakuumskega nanašanja

Usoda vsakega od zrn brizgane komponente ob udarcu s površino, sestavinami, je odvisna od njegove energije, ravninske temperature in kemikalije. afinitete filmskih elementov in sestavin. Atomi ali molekule, ki so dosegle ravnino, imajo vse možnosti, da se od nje odbijejo ali adsorbirajo in jo po določenem času zapustijo (desorpcija) ali pa se adsorbirajo in ustvarijo kondenzat v ravnini ( tesnilo). Pri visokih energijah zrn, visoki ravninski temperaturi in nepomembni kemikaliji afiniteto, se element odbija od površine. Temperatura ravnine dela, nad katero se od nje odbijajo vsi delci in se plast ne oblikuje, se imenuje resna temperatura vakuumskega nanašanja, njen pomen je odvisen od narave elementov filma in ravnine komponent. , in o stanju letala. Pri izredno nizkih tokovih izhlapljivih elementov, tudi v primeru, ko so ti delci adsorbirani v ravnini, le redko pa se pojavijo z drugimi podobnimi delci, se desorbirajo in ne morejo ustvariti jeder, to pomeni, da plast sploh ne raste. Resna frekvenca toka izhlapevalnih komponent za dano temperaturo ravnine je najnižja gostota, pri kateri se delci kondenzirajo in tvorijo pokrov.

Vakuumsko plazemsko brizganje

Po tej metodi dobimo tanke plasti z debelino 0,02-0,11 μm kot rezultat segrevanja, izhlapevanja in odlaganja komponente na podlago v ločeni komori pod pritiskom stisnjenega plina v njej. V komori se s pomočjo vakuumske črpalke ustvari največji učinek zaostalih plinov, približno 1,2x10-3 Pa.

Delovna komora je kovinska oz steklena kapica s konceptom zunanjega vodnega hlajenja. Komora se nahaja v osrednji plošči in ustvarja z njo vakuumsko zaščiteno povezavo. Substrat, v katerega se izvaja nanos, je pritrjen na držalo. Ob substratu je nameščen grelec, ki segreje substrat do 2400-4400 °C, da izboljša oprijem nanesenega filma. Kondenzator vključuje grelec in vir razpršene komponente. Prehodna loputa zapre pretok pare iz uparjalnika v substrat. Kompenzacija traja toliko časa, dokler se zaklop ne zaloputne.

Za ogrevanje razpršene komponente se uporabljata predvsem 2 vrsti uparjalnikov:

• Neposredno ogrevan večžični ali dvotračni izmenjevalnik toplote iz volframa ali molibdena;
• Elektronsko-radialni uparjalniki s segrevanjem uparjene komponente z galvanskim obstreljevanjem.

Eksplozivno izhlapevanje se uporablja za nanašanje filmov iz večkomponentnih elementov. V tem primeru se kondenzator segreje na 15000 ° C in posuje s prahom iz mešanice izhlapljivih elementov. Po podobni metodi možna je pridobitev kompozitnih premazov.

Nekateri priljubljeni elementi za prevleko (na primer zlato) imajo slab oprijem na silicij in druge polprevodniške elemente. V primeru slabe kakovosti oprijema izparilnega elementa na podlago se izparilnik položi v 2 slojih. Najprej se na podlago nanese plast zlitine, ki ima odličen oprijem na podlago polprevodnika. Nato se nabrizga glavni sloj, pri katerem je bil predhodno odličen oprijem na podsloj.

Ionsko vakuumsko nanašanje

Ta metoda je sestavljena iz razprševanja elementa vzročne komponente, ki je prisotna pred negativnim potencialom, zaradi bombardiranja z ioni neaktivnega plina, ki se pojavi med vzbujanjem žarečega praznjenja znotraj naprave za vakuumsko nanašanje.

Material negativno nabite elektrode se razprši pod vplivom ioniziranih atomov neaktivnega plina, ki ga zadenejo. Ti razpršeni prehodni atomi se nanesejo na vrh substrata. Glavna prednost metode ionsko-vakuumskega nanašanja je odsotnost potrebe po segrevanju uparjalnika na visoko temperaturo.

Mehanizem nastanka prelivajočega se izcedka. Upadajoča razelektritev se spremlja v komorah z nizkim tlakom plina med 2 kovinskima elektrodama, na katere se napaja visoka napetost do 1-3 kW. V tem primeru je negativna elektroda običajno ozemljena. Katoda je tarča z napršenim elementom. Zračni prostor se predhodno izprazni iz komore, nato se zažene plin do tlaka 0,6 Pa.

Žarilna razelektritev je dobila ime zaradi prisotnosti tako imenovanega žarečega sijaja v tarči (katodi). Ta sij je posledica velikega padca kapacitete v tesnem rezervoarju prostorskega naboja blizu katode. V bližini območja TC je območje Faradayeve temne točke, ki prehaja v pozitivni stolpec, ki je neodvisen del izpusta, popolnoma neprimeren za druge plasti izpusta.

V bližini anode je poleg tega majhna plast prostorskega naboja, imenovana anodna plast. Drugi element medelektrodne reže je zajet s kvazinevtralno plazmo. Na podoben način se v kameri sledi rastrskemu siju iz izmenjujočih se temnih in svetlih trakov.

Za prehod toka med elektrodama je potrebna stabilna emisija katodnih elektronov. To emisijo lahko sprožimo pod prisilo s segrevanjem katode ali z obsevanjem z ultravijolično svetlobo. Tovrstno praznjenje je nesamovzdržno.

Vakuumsko nanašanje aluminija

V nekaterih primerih, zlasti pri brizganju plastike, se uporablja aluminij, ta kovina pa je dokaj lahka surovina in prav nič odporna na obrabo, v tem primeru določene posebne znanstvene in tehnične načine. Uporabnik mora razumeti, da so podobne komponente najbolje zaščitene pred kontaminacijo takoj po žigosanju, poleg tega pa je nezaželena uporaba različnih mazalnih praškov in praškov v kalupih.

Vakuumsko nanašanje kovin

Kovine, ki lahko izhlapevajo samo pri temperaturi, nižji od njihovega tališča, je dovoljeno segrevati z enosmernim tokom, srebrni in zlati aranžmaji pa se izhlapevajo v kopelih s tantalom ali volframom. Kompenzacijo je treba izvesti v komori pri tlaku manj kot 10-3 mm Hg. Umetnost.

Vakuumsko ionsko-plazemsko brizganje

Za nastanek samostojne žarilne razelektritve je potrebno povzročiti emisijo elektronov iz katode z uporabo visoke napetosti 2-4 kW med elektrodama. Če uporabljena napetost preseže ionizacijsko zmogljivost plina v komori (običajno Ar), se v tem primeru zaradi trkov elektronov z molekulami Ar plin ionizira in tvori pozitivno nabite Ar+ ione. Posledično se v območju katodnega črnega prostora pojavi majhna vizualna razelektritev in posledično močno električno polje.

Ioni Ar+, ki pridobivajo energijo v predvidenem območju, izbijajo atome katodnega elementa, hkrati pa izzovejo emisijo stranskih elektronov iz katode. Prav ta emisija ohranja neodvisno žarečo razelektritev. Prehodni atomi iz katodnega elementa dosežejo substrat in se odložijo na njegovo ravnino.

Vakuumska brizgalna enota UVN

Zasnova je oborožena s pomembnim kompleksom sodobnih instrumentov in naprav, ki zagotavljajo nanašanje prevlek iz kovin njihovih sintez in zlitin z uveljavljenimi lastnostmi, odlično oprijemljivostjo in visoko enakomernostjo glede na del območja.

Kompleks naprav in naprav, ki so vključeni v strukturo naprave:

• Polavtomatski vir nadzora vakuumskega sistema;
• Teorija magnetronskega razprševanja v stabilnem toku;
• Koncept ogrevanja (z nadzorom in vzdrževanjem nastavljene temperature);
• Koncept čiščenja razpršenega blaga v območju prelivnega izpusta;
• Koncept premikanja izdelkov v vakuumski sferi;
• Numerični vakuumski merilnik;
• Koncept nadzora protidelovanja rastočih filmov;
• Inverterski napajalnik za magnetrone.

Pozdravljeni prijatelji.

Torej, zgodba se je začela malo prej, ko smo dobili vakuumsko komoro. Njena pot do nas ni bila blizu in jo je mogoče opisati v ločeni zgodbi, a to je, kot pravijo, "povsem druga zgodba." Lahko samo rečem, da je še prej ljudem prinesla nekaj koristi v enem od laboratorijev univerze v Göttingenu.

Prva stvar, s katero smo začeli uporabljati vakuumsko komoro, je bila preizkušanje metode termičnega nanašanja kovin na substrate. Metoda je preprosta in stara kot svet. Tarča razpršene kovine, na primer srebro, se postavi v lonček iz molibdena. Postavljen okoli njega grelni element. Uporabili smo žico iz volfram-renijeve zlitine, ki smo jo navili v spiralo.

Celotna naprava za termično pršenje izgleda takole:

Orodja za termično brizganje kovin. a. Sestavljeno ( zaščitni zaslon in ventil odstranjen). Oznake: 1 – lonček, 2 – grelni element, 3 – parna cev, 4 – tokovni vod, 5 – termočlen, 6 – okvir vzorca.

Po prehodu toka (gre skozi tlačna tesnila v vakuumsko komoro) se spirala segreje, segreje čoln, v katerem se tudi ciljni material segreje in izhlapi. Oblak kovinskih hlapov se dvigne vzdolž parovoda in ovije telo, na katerega je potrebno nanesti kovinski film.

Sama metoda je enostavna in dobra, vendar ima tudi slabosti: velika poraba energije, težko je postaviti površine (telesa) v parni oblak, na katerega je treba nanesti film. Tudi oprijemljivost ni najboljša. Nanašali so jih na različne materiale, med drugim na kovine, steklo, plastiko itd. Predvsem v raziskovalne namene, saj smo vakuumsko opremo šele obvladovali.

Zdaj je čas za pogovor o vakuumskem sistemu. Poskusi so bili izvedeni v vakuumski komori, opremljeni z vakuumskim sistemom, sestavljenim iz rotacijske predvakuumske in turbomolekularne črpalke, ki zagotavlja preostali tlak 9,5 10 -6 - 1,2 10 -5 mm Hg.
Če se na prvi pogled zdi, da ni težko, potem v resnici ni. Prvič, sama komora mora imeti potrebno tesnost za vzdrževanje visokega vakuuma. To dosežemo s tesnjenjem vseh funkcionalnih prirobnic in odprtin. Zgornji in spodnji pokrovi prirobnice imajo načeloma enake gumijasta tesnila, kot tudi najmanjše luknje, namenjene vgradnji oken, senzorjev, naprav, tlačnih tesnil in drugih pokrovov prirobnic, le z veliko večjim premerom. Na primer za zanesljivo tesnjenje takšne luknje

Zahteva prirobnico, tesnilo in pritrdilne elemente, kot je prikazano na tej fotografiji.

Ta senzor meri vakuum v komori, signal iz njega gre v napravo, ki prikazuje nivo visokega vakuuma.

Vakuum zahtevane ravni (npr. 10-5 mm Hg) se doseže na naslednji način. Najprej se nizek vakuum izčrpa s predvakuumsko črpalko do stopnje 10-2. Ob dosegu te stopnje se vklopi visokovakuumska črpalka (turbomolekularna), katere rotor se lahko vrti s hitrostjo 40.000 vrt/min. Hkrati predvodna črpalka še naprej deluje - črpa tlak iz same turbomolekularne črpalke. Slednji je precej muhasta enota in njegova "tanka" naprava je igrala določeno vlogo v tej zgodbi. Uporabljamo japonsko vakuumsko turbomolekularno črpalko Osaka.

Zrak, izčrpan iz komore z oljnimi hlapi, je priporočljivo izpustiti v ozračje, saj lahko drobne kapljice olja "poškropijo" ves prostor.

Po tem, ko smo se ukvarjali z vakuumskim sistemom in obdelali termično nanašanje, smo se odločili, da preizkusimo drugo metodo nanašanja filma - magnetron. Imeli smo dolgoletne izkušnje komuniciranja z enim velikim laboratorijem, ki nam je nanesel funkcionalne nanoprevleke za nekatere naše razvoje z metodo magnetronskega naprševanja. Poleg tega imamo dokaj tesne vezi z nekaterimi oddelki MEPhI, moskovske višje tehnične šole in drugih univerz, ki so nam tudi pomagale obvladati to tehnologijo.

Sčasoma pa smo želeli izkoristiti več možnosti, ki jih omogoča vakuumska komora.

Kmalu smo imeli majhen magnetron, ki smo se ga odločili prilagoditi za nanašanje filma.

Magnetronska vakuumska metoda nanašanja tankih kovinskih in keramičnih filmov velja za eno najbolj produktivnih, ekonomičnih in enostavnih za uporabo. fizikalne metode razprševanje: termično izparevanje, magnetron, ion, laser, elektronski žarek. Magnetron je nameščen v eni od prirobnic, kar je priročno za uporabo. Vendar to še vedno ni dovolj za nanašanje, saj zahteva določeno napetost, dovod hladilne vode in plinov, ki zagotavljajo vžig plazme.

Teoretična ekskurzija

Poenostavljeno je magnetron urejen na naslednji način. Na podlagi, ki služi tudi kot magnetni krog, so nameščeni močni magneti, ki tvorijo močno magnetno polje. Po drugi strani pa so magneti pokriti s kovinsko ploščo, ki služi kot vir razpršenega materiala in se imenuje tarča. Potencial se nanese na magnetron, zemlja pa na telo vakuumske komore. Potencialna razlika, ki nastane med magnetronom in telesom komore v redčeni atmosferi in magnetnem polju, vodi do naslednjega. Atom plina argona, ki tvori plazmo, pade pod delovanje magnetnih in električnih silnic in se pod njihovim delovanjem ionizira. Izbiti elektron privlači telo komore. Pozitiven ion pritegne tarča magnetrona in, pospešen pod delovanjem magnetnih silnic, zadene tarčo in iz nje izloči delec. Izleti pod kotom, ki je nasproten kotu, pod katerim je ion atoma argona zadel tarčo. Kovinski delec odleti od tarče proti substratu, ki se nahaja nasproti njega in je lahko iz katerega koli materiala.

Naši univerzitetni prijatelji so za ta magnetron naredili enosmerni napajalnik z močjo okoli 500 W.

Izgradili smo tudi plinovodni sistem za plin argon, ki tvori plazmo.

Za namestitev predmetov, na katere bodo razpršene folije, smo izdelali naslednjo napravo. V pokrovu komore so tehnološke luknje, v katere lahko vgradimo različne naprave: dovode električne energije, dovode prometnega tlaka, prozorna okna, senzorje ipd. V eno od teh lukenj smo vgradili tlačno tesnilo vrtljive gredi. Zunaj komore smo na to gred pripeljali vrtenje iz majhnega elektromotorja. Z nastavitvijo hitrosti vrtenja bobna reda 2-5 hercev smo dosegli dobro enakomernost nanosa folij po obodu bobna.

Od spodaj, tj. v notranjosti komore smo na gred namestili lahko kovinsko košaro, na katero lahko obešamo predmete. V pisarniški trgovini se tak standardni boben prodaja kot koš za smeti in stane približno 100 rubljev.

Sedaj smo imeli na zalogi skoraj vse, kar je potrebno za nanašanje filma. Kot tarče smo uporabili naslednje kovine: baker, titan, nerjavno jeklo, aluminij, bakrovo-kromovo zlitino.

In začeli so prašiti. Skozi prozorna okna v komoro je bilo mogoče opazovati sijaj plazme na površini magnetronske tarče. Na ta način smo »na oko« kontrolirali trenutek vžiga plazme in intenziteto usedanja.

Način nadzora debeline škropljenja je prišel z dokaj preprostim. Enak kos folije z izmerjeno površino smo položili na boben, njegovo maso pa izmerili pred in po škropljenju. Ob poznavanju gostote nanesene kovine je bila enostavno izračunana debelina nanesene prevleke. Debelina prevleke je bila nadzorovana bodisi s spreminjanjem časa nanašanja bodisi s prilagajanjem napetosti na viru napajanja magnetrona. Ta fotografija prikazuje natančno tehtnico, ki vam omogoča merjenje mase vzorcev z natančnostjo desettisočink grama.

Nanašali smo se na različne materiale: les, kovine, folije, umetne mase, papir, polietilenske folije, tkanine, skratka vse, kar je bilo mogoče postaviti v komoro in pritrditi na boben. V bistvu smo se osredotočili na doseganje dekorativnih učinkov – spreminjanje barve ali tipne zaznave površine. Na teh vzorcih organskega in anorganskega izvora lahko vidite razliko v barvi pred in po nanosu različnih kovinskih folij.

Še jasneje je razlika v barvi pred in po pršenju vidna na tkaninah in filmih. Tukaj je pravi kos običajnega polietilenska folija- ni škropljen, leva pa je prekrita s plastjo bakra.

Drug učinek, ki se lahko uporablja za različne potrebe, je prevodnost tankih filmov na podlagah. Ta fotografija prikazuje upornost kosa papirja (v ohmih) s tanko plastjo titana, debelo nekaj več kot mikron.

Za nadaljnji razvoj smo izbrali več smeri. Eden od njih je izboljšanje učinkovitosti nanašanja filma z magnetroni. »Zamahnili« bomo k lastnemu razvoju in izdelavi močnejšega magnetrona z višino kamere in 2-krat večjo močjo od prikazane v tem sestavku. Preizkusiti želimo tudi tehnologijo reaktivnega nanašanja, ko skupaj s plinom, ki tvori plazmo argonom, v komoro dovajamo kisik ali dušik, pri nanašanju filmov na površino substrata pa nastajajo nečisti kovinski filmi. , ampak oksidi ali nitridi, ki imajo drugačen obseg lastnosti kot čisti kovinski filmi.

Za pridobitev videza in določenih tehničnih lastnosti v sodobni proizvodnji so vsi končni izdelki obloženi z različnimi materiali. To vprašanje je še posebej pomembno za kovinski deli, kjer premaz ne igra le dekorativne vloge, temveč ščiti kovino pred korozijo in drugimi škodljivimi okoljskimi dejavniki.

Vakuumski premaz

V sodobni proizvodnji je najnaprednejša tehnologija premazovanja delov vakuumsko nanašanje. Tehnologija je sestavljena iz neposredne kondenzacije hlapov nanesenega premaza na površini dela. Obstajajo tri glavne stopnje takega odlaganja:

Izhlapevanje snovi, iz katere bo ustvarjen premaz;

Prenos ustvarjene pare na površino, na katero bo snov nanesena;

Kondenzacija pare na površini dela in ustvarjanje prevleke iz nje.

Stroj za kromiranje alu platišč

Metode vakuumskega nanašanja

Poleg vakuuma, dr fizikalni procesi. Naslednja razvrstitev bo veljala tudi za snovi, ki bodo razpršene na površino.

Vakuumsko plazemsko brizganje

Prevleka z vakuumskim oblokom se izvaja po naslednjem mehanizmu. Katoda je površina, na katero je treba nanesti film, anoda pa je substrat za praznjenje plina. Ko oblok segreje atmosfero na mejno temperaturo, preide brizgalni material v plinasto fazo in se prenese na katodo. Nato se molekule razpršilca ​​kondenzirajo na površini izdelka in tvorijo enotno plast. Homogenost v napravah za vakuumsko obločno brizganje je mogoče prilagoditi do pridobitve originalnega izdelka z vzorcem brizganja.

Ta sofisticirana tehnologija se uporablja za nanašanje supertrdnih premazov na orodja za rezanje in vrtanje. Močni, obrabno odporni svedri za perforatorje so izdelani z uporabo vakuumskega plazemskega razprševanja.

Visokotrdni perforatorski svedri

Ionsko vakuumsko nanašanje

Velja za okolju najprijaznejši način premazovanja katerega koli kovinska površina. Slaba stran je draga oprema, ne more si vsako podjetje privoščiti nakupa in namestitve.

Stroge zahteve so tudi glede čistoče površin, vendar končni rezultat presega vsa pričakovanja. Naneseni premaz se odlikuje po visoki enakomernosti, trdnosti in odpornosti proti obrabi, zato se na ta način nanesejo premazi na dele in mehanizme, ki bodo delovali v težkih podnebnih razmerah. Gre za zadnjo operacijo, po kateri nadaljnjo obdelavo deli niso dovoljeni - ne sme biti varjenja ali rezanja.

Vakuumsko nanašanje aluminija

Uporaba aluminija velja za najbolj priljubljeno metodo galvanizacije skoraj vseh površin. Vsestranskost aluminija omogoča, da se nanaša na tako nenavadne površine, kot sta plastika in steklo, in za razliko od drugih kovin ne potrebuje dodatnih premaz z lakom za moč. Aluminij se pogosto uporablja v dekorativne namene- predeluje avtomobilske dodatke in reflektorje za žaromete, kozmetične izdelke, kljuke za omare in vrata, šivalni material. Čeprav ta kovina ni zelo trpežna, pa je razvoj tehnologije močno pocenil takšno nanašanje, zaradi česar je najpogostejše na svetu.

Avtomobilski reflektor za žaromete z aluminijasto prevleko

Vakuumsko nanašanje kovin

Poleg aluminija obstajajo številne enako pogoste kovine za brizganje. Zaradi različnih fizikalnih in kemijskih lastnosti so našli uporabo v popolnoma vseh panogah. Glavni nameni brizganih kovin:

izboljšanje prevodnosti;

povečana izolacija;

daje lastnosti odpornosti proti obrabi in proti koroziji.

Nadzor temperature med nanosom prevlečnega sloja vam omogoča, da končnemu izdelku daste skoraj vsak odtenek, to se pogosto uporablja za nanašanje "zlatih" premazov (uporabljajo se zlitine nikelj-titan).

Razprševanje titana in srebra se pogosto uporablja v medicini. Te edinstvene kovine zelo dobro delujejo s človeškim telesom in imajo antibakterijske lastnosti. Vsadki in kirurški instrumenti (pa tudi zobozdravstveni in drugi) so skoraj povsod posrebreni - visoka garancija trajnosti in sterilnosti instrumenta.

Vakuumsko ionsko-plazemsko brizganje

Pod vplivom visokih temperatur se premaz ne le kondenzira na površini dela, temveč se na njem dobesedno zapeče, kar daje končnemu izdelku zelo visoke tehnične lastnosti - odpornost proti obrabi pri mehanskih obremenitvah in dobro odpornost na težke vremenske razmere.

Vakuumska brizgalna enota UVN

Naprave tipa UVN so sodobne visokotehnološke enote za vakuumsko nanašanje. Odvisno od namena je lahko opremljen s poljubnimi napravami za izhlapevanje snovi in ​​njen prenos na površino dela. Struktura:

Tehnološka komora zaprtega tipa - območje, kjer se nahaja del, ki se obdeluje v procesu vakuumskega nanašanja.

Krmilna enota je plošča z gumbi in gumbi, ki vam omogočajo nastavitev vseh potrebnih parametrov pred začetkom dela. Sodobne različice naprav za vakuumsko nanašanje so opremljene z digitalnimi zasloni za prikaz procesnih parametrov v realnem času.

Telo enote skriva vse pomembne mehanske in elektronske komponente enote, jih ščiti pred naključnimi in nepooblaščenimi posegi ter zagotavlja varnost upravljavca stroja. Odvisno od velikosti stroja je opremljen s kolesi (z zavornimi ploščicami, za majhne modele) ali trajno nameščen (za zmogljive in produktivne kamere).

Klasični UVN

Spremembe različnih struktur, delov in funkcionalnih elementov se pogosto izvajajo s popolno spremembo strukture materialov. Za to se uporabljajo sredstva globoke toplotne, plazemske in kemične obdelave. Obstaja pa tudi širok segment metod za spreminjanje obratovalnih lastnosti zaradi zunanjih premazov. Takšne metode vključujejo vakuumsko metalizacijo, zahvaljujoč kateri je mogoče izboljšati dekorativne, prevodne, odbojne in druge lastnosti materialov.

Splošne informacije o tehnologiji

Bistvo metode je v odlaganju kovinskih delcev na delovno površino. Proces nastajanja nove prevleke nastane zaradi izhlapevanja donorskih kovin v vakuumu. Tehnološki cikel vključuje izvedbo več stopenj strukturne spremembe ciljne podlage in prevlečnih elementov. Posebej ločimo procese izhlapevanja, kondenzacije, absorpcije in kristalizacije. Ključni postopek lahko imenujemo interakcija kovinskih delcev s površino v posebnem plinastem okolju. Na tej stopnji tehnologija vakuumske metalizacije zagotavlja procese difuzije in pritrjevanja delcev na strukturo obdelovanca. Na izhodu, odvisno od načinov brizganja, lastnosti premaza in vrste obdelovanca, lahko dobite različne učinke. Sodobna tehnična sredstva omogočajo ne samo izboljšanje posameznega delovanja izdelka, temveč tudi razlikovanje površinskih lastnosti na posameznih področjih z visoko natančnostjo.

Uporabljena oprema

Za to tehnologijo se uporabljajo tri glavne skupine strojev. Ta oprema je neprekinjena, polkontinuirana in občasna. V skladu s tem se razlikujejo glede na splošno organizacijo procesa obdelave. Enote z neprekinjenim delovanjem se pogosto uporabljajo v masovni proizvodnji, kjer je potrebna in-line vakuumska metalizacija. Oprema te vrste je lahko enokomorna ali večkomorna. V prvem primeru so enote usmerjene v izvedbo neposredne metalizacije. Večkomorni modeli predvidevajo tudi možnost izvajanja dodatnih postopkov - primarna priprava izdelka, kontrola, toplotna obdelava itd. Ta pristop vam omogoča optimizacijo proizvodnega procesa. Stroji za šaržno in polkontinuirano galvanizacijo imajo na splošno eno glavno komoro. Prav zaradi nepravilnosti proizvodnje uporabljajo za točno določen postopek, ter pripravljalne operacije in isti nadzor kakovosti se izvaja v ločenem vrstnem redu - včasih v ročnem načinu brez avtomatiziranih linij. Zdaj je vredno podrobneje razmisliti, iz katerih vozlišč so sestavljeni takšni agregati.

Naprava strojev za metalizacijo

Poleg glavne komore, kjer potekajo škropilni procesi, oprema vključuje številne pomožne sisteme in funkcionalne komponente. Najprej je treba izpostaviti neposredno vire razpršenega materiala, katerih komunikacije so povezane s kompleksom distribucije plina. Da lahko obrat za vakuumsko metalizacijo zagotovi potrebno določeno nalogo procesni parametri, ki napajajo pršilne kanale z regulatorji, omogočajo zlasti prilagajanje temperaturni nivo, hitrost smeri toka in prostornine. Zlasti to infrastrukturo tvorijo puščanja, črpalke, ventili, prirobnični elementi in druga oprema.

AT sodobne instalacije za enako regulacijo parametrov delovanja se uporabljajo senzorji, povezani z mikroprocesorsko enoto. Ob upoštevanju danih zahtev in določanju trenutnih dejanskih vrednosti lahko oprema popravi načine obdelave brez sodelovanja operaterja. Poleg tega je za olajšanje delovnih procesov oprema dopolnjena s sistemi za čiščenje in kalibracijo v komori. Zahvaljujoč takšni opremi je popravilo vakuumiranja stroja poenostavljeno, saj stalno in pravočasno čiščenje zmanjša tveganje preobremenitve zračnih motorjev, manipulatorjev in komunikacijskih vezij. Slednji se v celoti štejejo za potrošni del, katerega zamenjava se v kontinuiranih enotah izvaja v okviru rednega vzdrževalnega postopka.

Ciljni materiali za metalizacijo

Najprej se postopku podvržejo kovinski surovci, ki so med drugim lahko izdelani iz posebnih zlitin. Dodaten premaz je potreben za zagotovitev protikorozijske plasti, izboljšanje kakovosti električna napeljava ali spremembe dekorativne lastnosti. V zadnjih letih se v zvezi s polimernimi izdelki vedno bolj uporablja vakuumska metalizacija. Ta proces ima svoje posebnosti zaradi značilnosti strukture predmetov te vrste. Manj pogosto se tehnologija uporablja za izdelke z nizko trdoto. To velja za les in nekatere sintetične materiale.

Značilnosti metalizacije plastike

Razprševanje na površini plastičnih delov lahko spremeni tudi njeno električno, fizično in Kemijske lastnosti. Pogosto se metalizacija uporablja tudi kot sredstvo za izboljšanje optičnih lastnosti takih surovcev. Glavna težava pri izvajanju takšnih operacij je proces intenzivnega toplotnega izhlapevanja, ki neizogibno pritiska na tokove delcev, ki pršijo površino elementa. Zato so potrebni posebni načini regulacije difuzije osnovnega materiala in porabljene mase.

Vakuumska metalizacija plastike, za katero je značilna toga struktura, ima svoje posebnosti. V tem primeru bo pomembna prisotnost zaščitnih in temeljnih lakov. Da bi ohranili zadostno raven oprijema za premagovanje ovir teh filmov, bo morda potrebno povečati energijo toplotnega delovanja. Toda tu spet obstaja težava s tveganjem uničenja plastične strukture pod vplivom toplotnih tokov. Posledično so za lajšanje prekomerne obremenitve v delovnem okolju uvedene modifikacijske komponente, kot so mehčala in topila, ki omogočajo ohranjanje oblike obdelovanca v optimalnem stanju, ne glede na temperaturni režim.

Značilnosti obdelave filmskih materialov

Tehnologije za izdelavo embalažnih materialov vključujejo uporabo metalizacije za PET folije. Ta postopek zagotavlja aluminizacijo površine, zaradi česar je obdelovanec obdarjen z večjo trdnostjo in odpornostjo na zunanje vplive. Odvisno od parametrov obdelave in zahtev glede končnega premaza, različne poti toplotno telo. Ker je film temperaturno občutljiv, je uveden dodaten postopek nanašanja. Kot v primeru plastike vam omogoča prilagajanje toplotnega ravnovesja in ohranja optimalno okolje za obdelovanec. Debelina filmov, ki se obdelujejo z metodo vakuumske valjčne metalizacije, je lahko od 3 do 50 mikronov. Postopoma se uvajajo tehnologije, ki zagotavljajo tovrstne prevleke na površinah materialov debeline 0,9 mikronov, vendar je to večinoma še vedno le eksperimentalna praksa.

Metalizacija reflektorjev

To je tudi ločena smer uporabe metalizacije. Ciljni objekt v tem primeru so avtomobilski žarometi. Njihova zasnova predvideva prisotnost reflektorjev, ki sčasoma izgubijo svojo učinkovitost - zbledijo, rjavijo in posledično postanejo neuporabni. Poleg tega se lahko celo nov žaromet po nesreči poškoduje, kar bo zahtevalo njegovo popravilo in obnovo. Ravno na to nalogo je osredotočena vakuumska metalizacija reflektorjev, ki zagotavlja obrabno odporno nanašanje na zrcalno površino. Polnjenje zunanje strukture z metaliziranimi delci po eni strani odpravlja manjše napake, po drugi strani pa deluje kot zaščitni premaz, ki preprečuje morebitne poškodbe v prihodnosti.

Organizacija postopka doma

Brez posebne opreme je mogoče uporabiti tehnologijo površinskega kemičnega premaza, vendar bo za vakuumsko obdelavo v vsakem primeru potrebna ustrezna komora. Na prvi stopnji je sam obdelovanec pripravljen - ga je treba očistiti, razmastiti in po potrebi obrusiti. Nato se predmet postavi v vakuumsko metalizacijsko komoro. Z lastnimi rokami lahko iz profilnih elementov izdelate tudi posebno opremo na tirnicah. To bo priročen način za nalaganje in razkladanje materiala, če ga nameravate redno obdelovati. Kot vir metalizacijskih delcev se uporabljajo tako imenovani surovci - iz aluminija, medenine, bakra itd. Po tem se komora nastavi na optimalen način obdelave in začne se postopek nanašanja. Končni izdelek takoj po metalizaciji lahko ročno premažemo s pomožnimi zaščitnimi premazi na osnovi lakov.

Pozitivne povratne informacije o tehnologiji

Metoda ima veliko pozitivnih lastnosti, ki jih uporabniki opazijo. končnih izdelkov na različnih področjih. Zlasti visoko zaščitne lastnosti premaz, ki preprečuje procese korozije in mehanskega uničenja podlage. Pozitivno se odzivajo tudi običajni potrošniki izdelkov, ki so bili izpostavljeni vakuumski metalizaciji, da bi izboljšali ali spremenili svoje dekorativne lastnosti. Poudarjajo tudi strokovnjaki okoljska varnost tehnologija.

Negativne povratne informacije

Po slabostih ta metoda izdelki za predelavo vključujejo kompleksnost tehnične organizacije procesa in visoke zahteve na pripravljalne dejavnosti javnega naročila. In to ne omenjam uporabe visokotehnološke opreme. Samo z njegovo pomočjo lahko dobite visokokakovostno škropljenje. Na seznamu slabosti vakuumiranja je tudi cena. Cena obdelave enega elementa je lahko 5-10 tisoč rubljev. odvisno od površine ciljnega območja in debeline nanosa. Druga stvar je, da serijska metalizacija zniža stroške posameznega izdelka.

Končno

S spreminjanjem tehničnih, fizikalnih in dekorativnih lastnosti določenih materialov se širijo možnosti njihove nadaljnje uporabe. Razvoj metode vakuumske metalizacije je privedel do nastanka posebnih področij obdelave s poudarkom na specifični izvedbi. Tehnologi delajo tudi na poenostavitvi samega procesa nanašanja, kar se že danes kaže v obliki zmanjšanja dimenzij opreme in zmanjšanja postopkov naknadne obdelave. Kar se tiče uporabe tehnike doma, je to najbolj problematična metoda pokrivanja, saj od izvajalca zahteva posebne veščine, da ne omenjam tehnična sredstva. Po drugi strani pa cenovno ugodnejše metode brizganja ne omogočajo pridobitve enako kakovostnih premazov – naj gre za zaščitno plast ali dekorativno oblikovanje.