Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема напыления.

Осаждение напылением - это метод физического осаждения из паровой фазы (PVD), заключающийся в нанесении тонких пленок распылением . Это включает выброс материала из «мишени», которая является источником, на «подложку», такую ​​как кремниевая пластина . Повторное испускание - это повторная эмиссия осажденного материала во время процесса осаждения ионной или атомной бомбардировкой. Распыленные атомы, выброшенные из мишени, имеют широкое энергетическое распределение, обычно до десятков эВ (100000 К ). Распыленные ионы (обычно только небольшая часть выброшенных частиц ионизирована- порядка 1 процента) может баллистически лететь от цели по прямым линиям и энергично воздействовать на подложки или вакуумную камеру (вызывая повторное нанесение). В качестве альтернативы, при более высоких давлениях газа ионы сталкиваются с атомами газа, которые действуют как замедлитель, и движутся диффузионно, достигая подложек или стенки вакуумной камеры и конденсируясь после случайного блуждания . Весь диапазон от баллистического удара высокой энергии до термализованного движения с низкой энергией доступен за счет изменения фонового давления газа. Газ для распыления часто представляет собой инертный газ, например аргон . Для эффективной передачи импульса атомный вес распыляющего газа должен быть близок к атомному весу мишени, поэтому для распыления легких элементовнеон предпочтительнее, а для тяжелых элементов используется криптон или ксенон . Реактивные газы также могут использоваться для распыления соединений. Состав может быть сформирован на поверхности мишени, в полете или на подложке в зависимости от параметров процесса. Наличие многих параметров, которые контролируют напыление, делают этот процесс сложным, но также позволяют специалистам в значительной степени контролировать рост и микроструктуру пленки.

Использует [ редактировать ]

Одним из первых широко распространенных коммерческих применений напыления, которое до сих пор остается одним из наиболее важных его приложений, является производство компьютерных жестких дисков . Распыление широко используется в полупроводниковой промышленности для нанесения тонких пленок из различных материалов при обработке интегральных схем . Тонкие просветляющие покрытия на стекле для оптических применений также наносятся распылением. Из-за используемых низких температур подложки распыление является идеальным методом нанесения контактных металлов для тонкопленочных транзисторов . Еще одно известное применение распыления - это покрытия на стекле с низким коэффициентом излучения., используется в оконных сборках с двойным остеклением. Покрытие представляет собой многослойное , содержащее серебро и металлические оксиды , такие как оксид цинка , окись олова , или диоксид титана . Крупная промышленность получила развитие в области покрытия долота инструмента с использованием распыленных нитридов, таких как нитрид титана , создавая знакомое твердое покрытие золотого цвета. Распыление также используется в качестве процесса нанесения металлического (например, алюминиевого) слоя во время производства компакт-дисков и DVD-дисков.

Поверхности жесткого диска используют распыленный CrO x и другие распыленные материалы. Распыление - один из основных процессов производства оптических волноводов и еще один способ создания эффективных фотоэлектрических солнечных элементов.

Покрытие напылением [ править ]

Образец муравья, покрытый распылением ( Aulacopone relicta ) для исследования с помощью SEM .

Покрытие распылением в сканирующей электронной микроскопии - это процесс напыления [ требуется пояснение ], чтобы покрыть образец тонким слоем проводящего материала, обычно металла, такого как сплав золото / палладий (Au / Pd). Проводящее покрытие необходимо для предотвращения зарядки образца электронным пучком в обычном режиме SEM (высокий вакуум, высокое напряжение). Хотя металлические покрытия также полезны для увеличения отношения сигнал / шум (тяжелые металлы являются хорошими вторичными эмиттерами электронов), они имеют худшее качество при использовании рентгеновской спектроскопии . По этой причине при использовании рентгеновской спектроскопии предпочтительнее углеродное покрытие. [1]

Сравнение с другими методами осаждения [ править ]

Типичная мишень для распыления с кольцевой геометрией, здесь золото показывает катод, сделанный из осаждаемого материала, анодный противоэлектрод и внешнее кольцо, предназначенные для предотвращения разбрызгивания пода, удерживающего мишень.

Важным преимуществом напыления является то, что даже материалы с очень высокими температурами плавления легко распыляются, в то время как испарение этих материалов в испарителе сопротивления или ячейке Кнудсена проблематично или невозможно. Пленки, напыленные напылением, имеют состав, близкий к составу исходного материала. Разница возникает из-за того, что разные элементы распространяются по-разному из-за их разной массы (легкие элементы легче отклоняются газом), но эта разница постоянна. Напыленные пленки обычно имеют лучшую адгезию к подложке, чем напыленные.фильмы. Мишень содержит большое количество материала и не требует обслуживания, что делает методику пригодной для применения в сверхвысоком вакууме. Источники распыления не содержат горячих частей (во избежание нагрева они обычно охлаждаются водой) и совместимы с химически активными газами, такими как кислород. Распыление можно выполнять сверху вниз, а испарение - снизу вверх. Возможны продвинутые процессы, такие как эпитаксиальный рост.

Некоторые недостатки процесса напыления заключаются в том, что этот процесс труднее сочетать с отрывом для структурирования пленки. Это связано с тем, что характерный для распыления диффузный перенос делает полную тень невозможной. Таким образом, нельзя полностью ограничить направление атомов, что может привести к проблемам загрязнения. Кроме того, активный контроль послойного роста затруднен по сравнению с импульсным лазерным осаждением, и инертные газы для распыления встраиваются в растущую пленку как примеси. Импульсное лазерное напыление - это вариант метода напыления, в котором лазерноепучок используется для распыления. Роль распыленных и повторно распыленных ионов и фонового газа полностью исследована в процессе импульсного лазерного осаждения. [2] [3]

Типы напыления [ править ]

Источник магнетронного распыления

Источники для распыления часто используют магнетроны, которые используют сильные электрические и магнитные поля для удержания заряженных частиц плазмы близко к поверхности мишени для распыления. В магнитном поле электроны движутся по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, подвергаясь большему количеству ионизирующих столкновений с газообразными нейтралами вблизи поверхности мишени, чем в противном случае. (По мере того, как материал мишени истощается, на поверхности мишени может появиться эрозионный профиль «беговой дорожки».) Газ для распыления обычно представляет собой инертный газ, например аргон. Дополнительные ионы аргона, образующиеся в результате этих столкновений, приводят к более высокой скорости осаждения. плазмытаким образом также можно поддерживать более низкое давление. Распыленные атомы заряжены нейтрально, поэтому на них не действует магнитная ловушка. Накопления заряда на изолирующих мишенях можно избежать с помощью высокочастотного распыления, при котором знак смещения анод-катод изменяется с высокой скоростью (обычно 13,56 МГц ). [4] Радиочастотное напыление хорошо работает для получения оксидных пленок с высокой изоляцией, но требует дополнительных затрат на источники высокочастотного питания и схемы согласования импеданса . Рассеянные магнитные поля, исходящие от ферромагнитных мишеней, также нарушают процесс распыления. Для компенсации часто приходится использовать специально разработанные распылительные пистолеты с необычно сильными постоянными магнитами.

Ионно-лучевое распыление [ править ]

Пистолет для магнетронного распыления, показывающий поверхность для установки мишени, вакуумный ввод, разъем питания и водяные линии. В этой конструкции используется дисковая мишень в отличие от геометрии кольца, показанной выше.

Ионно-лучевое распыление (IBS) - это метод, в котором мишень находится вне ионного источника . Источник может работать без какого-либо магнитного поля, как в датчике ионизации с горячей нитью . В источнике Кауфмана ионы генерируются в результате столкновений с электронами, которые удерживаются магнитным полем, как в магнетроне. Затем они ускоряются электрическим полем, исходящим от сетки по направлению к цели. Когда ионы покидают источник, они нейтрализуются электронами из второй внешней нити. IBS имеет преимущество в том, что энергию и поток ионов можно регулировать независимо. Поскольку поток, падающий на мишень, состоит из нейтральных атомов, можно распылять как изолирующие, так и проводящие мишени. IBS нашла применение в производстве тонкопленочных головок длядисководы . Градиент давления между источником ионов и камерой для образца создается за счет помещения впускного отверстия для газа в источнике и выстрела через трубку в камеру для образца. Это экономит газ и снижает загрязнение в сверхвысоковольтных системах. Главный недостаток IBS - это большой объем технического обслуживания, необходимого для поддержания работы ионного источника. [5]

Реактивное распыление [ править ]

При реактивном напылении распыленные частицы из материала мишени подвергаются химической реакции, направленной на осаждение пленки различного состава на определенной подложке. Химическая реакция, которую претерпевают частицы, происходит с химически активным газом, вводимым в камеру распыления, например кислородом или азотом, что позволяет получать оксидные и нитридные пленки соответственно. [6]Введение в процесс дополнительного элемента, то есть химически активного газа, оказывает значительное влияние на желаемые отложения, что затрудняет поиск идеальных рабочих точек. Таким образом, подавляющее большинство процессов распыления, основанных на реакциях, характеризуются гистерезисоподобным поведением, поэтому для его подрыва требуется надлежащий контроль задействованных параметров, например парциального давления рабочего (или инертного) и реактивного газов. [7] Berg et al. предложила важную модель, например, модель Берга, для оценки влияния добавления химически активного газа в процессах распыления. Как правило, влияние относительного давления и потока реактивного газа оценивалось в соответствии с эрозией мишени и скоростью осаждения пленки на желаемой подложке. [8]Состав пленки можно контролировать, изменяя относительное давление инертных и реактивных газов. Стехиометрия пленки является важным параметром для оптимизации функциональных свойств, таких как напряжение в SiN x и показатель преломления SiO x .

Ионное осаждение [ править ]

При ионном осаждении (IAD) на подложку воздействует вторичный ионный пучок, работающий с меньшей мощностью, чем распылительная пушка. Обычно вторичный пучок подается от источника Кауфмана, подобного тому, который используется в IBS. IAD можно использовать для осаждения углерода в алмазоподобной форме на подложке. Любые атомы углерода, попадающие на подложку, которые не могут должным образом соединиться в кристаллической решетке алмаза, будут отброшены вторичным лучом. НАСА использовало эту технику для экспериментов с нанесением алмазных пленок на лопатки турбин в 1980-х годах. IAD используется в других важных промышленных приложениях, таких как создание тетраэдрических аморфных углеродных поверхностных покрытий на жестком диске. пластины и покрытия из твердого нитрида переходных металлов на медицинских имплантатах.

Сравнение целевой загрузки по процессу HiTUS - 95%

Распыление с высоким коэффициентом использования мишени (HiTUS) [ править ]

Распыление также может производиться путем удаленной генерации плазмы высокой плотности. Плазма генерируется в сторону камеры отверстие в основной технологической камере, содержащий мишень и подложка должна быть покрыта. Поскольку плазма генерируется удаленно, а не от самой мишени (как при обычном магнетронном распылении), ионный ток к мишени не зависит от напряжения, приложенного к мишени.

Мощное импульсное магнетронное напыление (HiPIMS) [ править ]

Основная статья: Импульсное магнетронное распыление высокой мощности

HiPIMS - это метод физического осаждения тонких пленок из паровой фазы, основанный на магнетронном напылении. HiPIMS использует чрезвычайно высокую плотность мощности порядка кВт / см 2 в коротких импульсах (импульсы) длительностью в десятки микросекунд при низком рабочем цикле <10%.

Распыление газового потока [ править ]

Распыление газовым потоком использует эффект полого катода , тот же эффект, с которым работают лампы с полым катодом . При распылении газового потока рабочий газ, такой как аргон, проходит через отверстие в металле, подвергающемся отрицательному электрическому потенциалу. [9] [10] Повышенная плотность плазмы возникает в полом катоде, если давление в камере p и характерный размер L полого катода подчиняются закону Пашена 0,5 Па · м < p · L<5 Па · м. Это вызывает сильный поток ионов на окружающие поверхности и большой эффект распыления. Таким образом, распыление газовым потоком на основе полого катода может быть связано с большими скоростями осаждения, вплоть до значений нескольких мкм / мин. [11]

Структура и морфология [ править ]

В 1974 г. Дж. А. Торнтон применил модель структурных зон для описания морфологии тонких пленок для напыления. В исследовании металлических слоев, полученных методом напыления на постоянном токе, [12] он расширил концепцию структурных зон, первоначально введенную Мовчаном и Демчишиным, для напыленных пленок . [13] Торнтон ввел дополнительную структурную зону Т, которая наблюдалась при низких давлениях аргона и характеризовалась плотно упакованными волокнистыми зернами. Наиболее важным моментом в этом расширении было подчеркнуть давление p как решающий параметр процесса. В частности, если для сублимации исходных атомов используются гипертермические методы, такие как распыление и т. Д. , Давление регулируется черездлина свободного пробега - распределение энергии, с которой они сталкиваются с поверхностью растущей пленки. Таким образом, наряду с температурой осаждения T d при рассмотрении процесса осаждения всегда следует указывать давление в камере или длину свободного пробега.

Поскольку напыление относится к группе процессов с использованием плазмы, наряду с нейтральными атомами также заряженные частицы (например, ионы аргона) попадают на поверхность растущей пленки, и этот компонент может оказывать большое влияние. Обозначив потоки поступающих ионов и атомов J i и J a , оказалось, что величина отношения J i / J a играет решающую роль в микроструктуре и морфологии, получаемой в пленке. [14] Эффект ионной бомбардировки может быть количественно выведен из структурных параметров, таких как предпочтительная ориентация кристаллитов или текстуры, и из состояния остаточного напряжения.. Было показано недавно [15] , что текстуры и остаточные напряжения могут возникать в газе потока распыленных слоев Ti , которые сравнивают с результатами , полученными в макроскопических заготовках Ti , подвергнутых сильную пластическую деформацию путем дробеструйной обработки .

См. Также [ править ]

  • Покрытие

Ссылки [ править ]

  1. ^ Ньюбери, Дейл .; и другие. (1986). Расширенная сканирующая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ . Пленум Пресс. ISBN 978-0-306-42140-2.
  2. ^ Рашидиан Вазири, MR; и другие. (2010). «Микроскопическое описание процесса термализации при импульсном лазерном осаждении алюминия в присутствии фонового газа аргона». Журнал физики D: Прикладная физика . 43 (42): 425205. Bibcode : 2010JPhD ... 43P5205R . DOI : 10.1088 / 0022-3727 / 43/42/425205 .
  3. ^ Рашидиан Вазири, MR; и другие. (2011). «Моделирование методом Монте-Карло подповерхностного режима роста во время импульсного лазерного осаждения». Журнал прикладной физики . 110 (4): 043304–043304–12. Bibcode : 2011JAP ... 110d3304R . DOI : 10.1063 / 1.3624768 .
  4. ^ Ohring, Милтон. Материаловедение тонких пленок (2-е изд.). Академическая пресса . п. 215.
  5. ^ Бернхард Вольф (1995). Справочник по источникам ионов . CRC Press . п. 222. ISBN. 978-0-8493-2502-1.
  6. ^ Сафи, I. (2000-05-22). «Последние аспекты, касающиеся реактивного магнетронного распыления тонких пленок на постоянном токе: обзор» . Технология поверхностей и покрытий . 127 (2): 203–218. DOI : 10.1016 / S0257-8972 (00) 00566-1 . ISSN 0257-8972 . 
  7. ^ Спроул, WD; Кристи, диджей; Картер, округ Колумбия (22 ноября 2005 г.). «Управление процессами реактивного распыления» . Тонкие твердые пленки . 491 (1): 1–17. DOI : 10.1016 / j.tsf.2005.05.022 . ISSN 0040-6090 . 
  8. ^ Berg, S .; Нюберг, Т. (2005-04-08). «Фундаментальное понимание и моделирование процессов реактивного распыления» . Тонкие твердые пленки . 476 (2): 215–230. DOI : 10.1016 / j.tsf.2004.10.051 . ISSN 0040-6090 . 
  9. Перейти ↑ K. Ishii (1989). «Высокопроизводительная система газового распыления с низкой кинетической энергией». Журнал вакуумной науки и техники А . 7 (2): 256–258. DOI : 10.1116 / 1.576129 .
  10. ↑ Т. Юнг и А. Вестфаль (1991). "Осаждение тонкой пленки диоксида циркония на кремнии путем распыления реактивного потока газа: влияние бомбардировки частицами низкой энергии". Мат. Sci. Англ. . 140 : 528–533. DOI : 10.1016 / 0921-5093 (91) 90474-2 .
  11. ^ К. Ортнер; М. Биркхольц и Т. Юнг (2003). "Neue Entwicklungen beim Hohlkatoden-Gasflusssputtern" (PDF) . Vac. Praxis (на немецком языке). 15 (5): 236–239. DOI : 10.1002 / vipr.200300196 .
  12. ↑ JA Thornton (1974). «Влияние геометрии аппарата и условий нанесения на структуру и топографию толстых напыленных покрытий». Журнал вакуумной науки и техники . 11 (4): 666–670. Bibcode : 1974JVST ... 11..666T . DOI : 10.1116 / 1.1312732 .
  13. ^ Б.А. Мовчан, А.В. Демчишин (1969). «Исследование структуры и свойств толстых вакуумных конденсатов никеля, титана, вольфрама, оксида алюминия и диоксида циркония». Phys. Встретились. Металлогр . 28 : 83–90.
  14. ^ Х. Виндишман (1992). «Внутреннее напряжение в тонкой пленке, нанесенной напылением». Крит. Преподобный Sol. Санкт-Мат. Sci . 17 (6): 547–596. Bibcode : 1992CRSSM..17..547W . DOI : 10.1080 / 10408439208244586 .
  15. ^ М. Биркхольц; К. Гензель и Т. Юнг (2004). «Рентгеноструктурное исследование остаточных напряжений и предпочтительной ориентации в тонких пленках титана, подвергшихся воздействию высокого ионного потока во время осаждения» (PDF) . J. Appl. Phys . 96 (12): 7202–7211. Bibcode : 2004JAP .... 96.7202B . DOI : 10.1063 / 1.1814413 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Основы технологии вакуумного покрытия Д. Маттокс
  • Уильям Д. Вествуд (2003). Распыление, Серия книг Комитета по образованию AVS . 2 . ISBN 978-0-7354-0105-1.
  • Киётака Васа и Сигэру Хаякава (1992). Справочник по принципам, технологии и применению технологии напыления . ISBN 0815512805.

Внешние ссылки [ править ]

  • Руководство по испарению тонкой пленки
  • Основы распыления - анимационный фильм о процессе распыления
  • Sputter Анимация
  • Анимация магнетронного распыления