Нанесение ионным осаждением

Комплекс условий конденсации (зарождения и роста) покрытия при ионном осаждении имеет отличие от вакуумного выпаривания и ионно-плазменного нанесения. В то же время он включает в себя элементы обоих этих методов. Существуют различные модификации метода ионного осаждения, основным отличием которого является протекание на поверхности подложки двух противоположно направленных процессов: осаждения атомов наносимого материала и бомбардировки их ионами рабочего газа и ионами наносимого материала. В результате бомбардировки происходит распыление и активация поверхности подложки и наносимого покрытия.

Технологический процесс ионного осаждения с ионной бомбардировкой подложки является результатом комбинации операции вакуумного выпаривания и ионно-плазменного нанесения (Рис. 9.14).

Рис. 9.14. Схема установки ионного осаждения: 1 — зона тлеющего разряда; 2 — катодная зона; 3 — подложка (изделие); 4 — подложкодержатель; 5 — высоковольтный выпрямитель; 6 — тигель; 7 — испаритель (резистивный, индукционный, электронно-лучевой); 8 — напуск аргона; 9 — вакуумная откачка.

Источник выпаривания 6 нагреваемый воздействием резистивного нагрева, электронной бомбардировки или токов высокой частоты размещается в вакуумной камере. Напротив источника 6 расположен держатель подложки 4, на который подается отрицательный потенциал в пределах -0,5…5 кВ. В камеру установки подается рабочий газ под давлением 10'¹ < Р < 1 Па.

Высокое напряжение, прикладываемое к изделию 3, вызывает тлеющий разряд (плазму). Выделяемые источником 6 выпаривания пары материала, проходя через плазму 1, частично ионизируются, а полученные таким образом положительные ионы за счет действия электрического поля притягиваются к поверхности подпожкодержателя 4. Оставшиеся неионизированные пары, которые представляют собой более 95% всего потока, рассеиваются в камере под действием соударений с молекулами остаточного газа и осаждаются на встречаемых поверхностях изделий или стенках камеры.

Данный метод сочетает в себе некоторые преимущества метода выпаривания (высокая скорость нанесения покрытия) с преимуществом метода ионно-плазменного нанесения (хорошая адгезия покрытий). Скорость нанесения У" зависит от используемого источника выпаривания. Следует заметить, что повышенное рабочее давление Р в камере, необходимое для поддержания разряда, снижает эффективную скорость нанесения покрытия по сравнению со скоростью, которую получают при выпаривании в вакууме.

Изделие перед нанесением на него покрытия может быть подвергнуто ионной очистке, что уменьшает загрязнение покрытия. Количество ионизируемых атомов по отношению к общему количеству атомов, получаемых в процессе выпаривания, не превышает нескольких процентов. Следовательно, только несколько процентов атомного слоя покрытия осаждаются за счет притяжения ионов. Оставшееся число атомов осаждается в результате конденсации нейтральных атомов. Вследствие этого осаждение за счет притяжения ионов в основном происходит на лицевой стороне изделия. Повышенное давление остаточного газа, который рассеивает поток испаряемых атомов, определяет их беспорядочное движение, создавая своего рода «туман», который омывает изделие и обеспечивает нанесение покрытия на все его стороны. Однако, равномерность толщины покрытия достаточно мала. В связи с этим для получения хорошей равномерности необходимо предусматривать систему поворота изделия.

В том случае, когда материал изделия является изолятором или когда покрытие является изолятором, на изделие должно подаваться переменное напряжение высокой частоты.

Наиболее часто используются источники выпаривания за счет электронной бомбардировки или за счет воздействия токами высокой частоты, так как эти источники позволяют получать наиболее высокие скорости выпаривания. Однако применение источников с электронной бомбардировкой осложняется в силу того, что электронная пушка не работает при давлениях свыше 10¹ Па. Поэтому необходимо диафрагмой разделять камеру на две зоны: зона, где происходит образование покрытия и зона, где размещена электронная пушка. Между частями делается отверстие для прохода электронного пучка из одной зоны в другую.

С этой точки зрения источник выпаривания под воздействием токов высокой частоты более предпочтителен: он более прочен, требует более простого обслуживания в промышленных условиях. Однако этот источник не обладает такой же гибкостью, как электронно-лучевой источник.

Метод ионного осаждения может носить характер реактивного процесса, когда поток химически активных ионов на подложке инициирует протекание химических реакций, приводящих к образованию соединений.

Одной из характеристик ионного осаждения является временной режим воздействия ионов на подложку: до начала процесса нанесения; во время процесса нанесения; после процесса нанесения.

По этому признаку различают два способа проведения процесса ионного осаждения: когда материал и бомбардирующие ионы поступают на подложку одновременно — постоянный режим ионного осаждения; когда потоки ионов и материала поступают на подложку периодически — чередующийся режим ионного осаждения. Этот способ обеспечивает большую производительность.

Внедрение ионов, образование дефектов, распыление, разогрев способствуют увеличению десорбции загрязняющих молекул остаточного газа, слабосвязанных частиц покрытия, повышает плотность центров конденсирующихся частиц. Ионная бомбардировка подложки влияет на процесс зародышсобразования и кинетику роста покрытия. Покрытие получается мелкозернистым и более плотным. Происходит выравнивание (сглаживание) поверхности покрытия.

Главной особенностью процесса конденсации при ионном осаждении является постоянная энергетическая активация поверхности растущего покрытия. Энергетика процесса конденсации, следовательно, кинетики роста покрытия могут регулироваться в широких пределах изменением энергий и числа бомбардирующих подложку ионов.