Кафедра ВЭПТ

1. «Плазменные покрытия» Кафедра ВЭПТ Лекция 1 Соловьев Андрей Александрович, Доцент кафедры ВЭПТ, Н.с. Института сильноточной электроники СО РАН Тема: Классификация основных методов нанесения покрытий с помощью низкотемпературной плазмы. Общие черты и особенности этих методов. Структура, цели и задачи настоящего курса

2. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Содержание курса «Плазменные покрытия» • 1 Введение (2 часа) • 2 Методы нанесения покрытий ассистированным плазмой химическим газофазным осаждением(2 часа). • 3 Конструкции генераторов плазмы и источников ионов (2 часа). • 4Активируемое лазером или электронным пучком химическое газофазное осаждение покрытий. Фотохимическое газофазное осаждение покрытий (2 часа) • 5Нанесение покрытий с использованием процесса испарения (2 часа). • 6,7 Нанесение покрытий с использованием процесса распыления (4 часа). • 8 Пути повышения эффективности магнетронных распылительных систем (2 часа). • 9 Комбинированные методы нанесения покрытий (2 часа).

3. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Содержание курса «Плазменные покрытия» • 10 Вакуумные технологические установки для нанесения покрытий (2 часа). • 11 Контрольная работа по теме «Вакуумные ионно-плазменные методы нанесения тонкопленочных покрытий» (2 часа). • 12-14 Виды покрытий и их свойства. Особенности их нанесения (6 часов). • 15 Подготовка поверхности изделий перед нанесением покрытий (2 часа). • 16 Методы контроля качества вакуумно-плазменных покрытий (2 часа). • 17 Оборудование для контроля качества вакуумно-плазменных покрытий (2 часа). • 18 Контрольная работа по теме «Свойства и применение плазменных покрытий» (2 часа). • 19. Семинарское занятие, посвященное обзору проблемы нанесения тонкопленочных покрытий (выступления студентов с докладами по темам подготовленных рефератов) (2 часа).

4. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Содержание курса «Плазменные покрытия» Тематика лабораторных занятий (16 часов) • Исследование влияния предварительной ионно-плазменной очистки на адгезию наносимых тонкопленочных покрытий. Методы измерения адгезии (4 часа). • Изучение процесса нанесения металлических покрытий методом магнетронного распыления. Измерение толщины покрытия (4 часа). • Изучение процесса нанесения тонкопленочных покрытий методом реактивного магнетронного распыления (4 часа). • Нанесение многослойных функциональных покрытий методом магнетронного распыления с контролируемой толщиной слоев (4 часа).

5. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Содержание курса «Плазменные покрытия» Тематика лабораторных занятий (16 часов) • Исследование влияния предварительной ионно-плазменной очистки на адгезию наносимых тонкопленочных покрытий. Методы измерения адгезии (4 часа). • Изучение процесса нанесения металлических покрытий методом магнетронного распыления. Измерение толщины покрытия (4 часа). • Изучение процесса нанесения тонкопленочных покрытий методом реактивного магнетронного распыления (4 часа). • Нанесение многослойных функциональных покрытий методом магнетронного распыления с контролируемой толщиной слоев (4 часа).

6. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Рейтинг – лист по курсу «Плазменные покрытия» для студентов V курса ЕНМФ ТПУ X семестр • Общий максимальный рейтинг за семестр – 800 баллов; • лекционный рейтинг - 390 баллов (26 часов*15 баллов/час); • рейтинг за выполнение и защиту лабораторных работ –200 баллов (4 лабораторные работы * 50 баллов/работа); • рейтинг за контрольные работы – 110 баллов (2 контрольные работы * 55 баллов/работа); • рейтинг за реферат – 100 баллов. • К зачету допускаются студенты, набравшие не менее 600 баллов.

7. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Рекомендуемая литература. Основная литература • 1. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок / Б.С. Данилин // М.: Энергоатомиздат, 1989. • 2. Нанесение пленок в вакууме / В.Е. Минайчев // Сер. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Кн. 6. М.: Высшая школа, 1989, 110 с. • 3. Нанесение покрытий плазмой / В.В. Кудинов, П.Ю. Пекшев, В.Е. Белащенко и др. // М.: Наука, 1990. • 4. Физические основы электронно-ионной технологии / И.А. Аброян, А.Н. Андронов, А.И.Титов // М.: В.Ш., 1984. • 5. Металличекие и керамические покрытия / М. Хокинг, В. Васантасри, П. Сидки // М.: Мир, 2000, 516 с. • 6. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование / В.В. Кудинов, Г.В Бобров. Под ред. Б.С. Митина // Учебник. М.: Металлургия, 1992. 432 с. • 7. Технология и оборудование вакуумного напыления / М.М. Никитин // Учебное пособие.- М.: Металлургия, 1992, 238 с.

8. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Рекомендуемая литература. Дополнительная литература • 8. Введение в физику плазмы / Б.М.Смирнов // М.: Наука, 1982. • 9. Технология тонких пленок / Справочник под ред. Л. Майссела, Р. Гленга // М.: Сов. радио, 1977, т.1. • 10. Основы современной физики газоразрядных процессов / Ю.П. Райзер // М.: Наука, 1980.  • 11. Физика химически активной плазмы / В.Д. Русанов, А.А. Фридман // М.: Наука, 1984. • 12. Магнетронные распылительные системы / Б.С. Данилин, В.К. Сырчин // М.: Р. и С., 1982. • 13. Применение низкотемпературной плазмы для очистки и травления материалов / Б.С. Данилин, В.Ю. Киреев // М.: Энергоатомиздат, 1987. 367 с.

9. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Назначение плазменных покрытий Fig. Scanning electron photomicrographs of cross section of CrAlN films on a Si substrate.

10. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Вакуумные ионно-плазменные методынанесения покрытий • Низкотемпературная плазма – это слабоионизованный разреженный газ при давлении 10-3-10 Па со степенью ионизации 10-6-10-4 (концентрация электронов 109-1012 см-3), в котором электроны имеют среднюю энергию 1-10 эВ (температура порядка 104-105 К), в то время как тяжелые газовые частицы (ионы, атомы, молекулы) имеют среднюю энергию на два порядка ниже (температура 300-500 К).

11. 1 2 3 4 5 _ + dk L Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Тлеющий разряд Рис. 1. Образование тлеющего разряда. 1 – катод, 2 – темное катодное пространство, 3 – вакуумный баллон, 4 – положительный светящийся столб, 5 – анод.

12. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Дуговой разряд Параметры плазмы вакуумной дуги

13. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Достоинства вакуумных ионно-плазменных методов нанесения покрытий • возможность достижения высокой чистоты покрытий и однородности их толщины, • возможность формирования сложных покрытий различного • стехиометрического состава, • возможность нанесения высокоадгезионных покрытий, • возможность проведения процесса нанесения при низкой температуре подложки, что позволяет обрабатывать даже легкоплавкие материалы, • возможность высокоскоростного нанесения покрытий, • возможность точного регулирования технологических процессов и ихполной автоматизации, • безопасность для окружающей среды и экономическая выгодность. • эффективность: в ионизованном или возбужденном состоянии атомы и молекулы легче взаимодействуют друг с другом, делая процесс нанесения покрытий более эффективным с разных точек зрения.

14. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Процессы, протекающие при нанесении тонких пленок • генерация направленного потока частиц осаждаемого вещества; • пролет частиц в разреженном (вакуумном) пространстве от их источника к обрабатываемой поверхности; • осаждение (конденсация) частиц на поверхности с образованием тонкопленочных слоев.

15. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Состав вакуумных установок для нанесения тонких пленок • источник генерации потока частиц осаждаемого материала; • вакуумная система, обеспечивающая требуемые условия для проведения технологического процесса; • транспортно-позиционирующие устройства, обеспечивающие ввод подложек в зону нанесения пленок и ориентирование обрабатываемых поверхностей относительно потока частиц наносимого материала.

16. 1 2 3 4 7 5 8 6 Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Взаимодействие осаждаемых частиц с подложкой. 1 – частицы в вакуумном пространстве, 2 – дуплет частиц, 3 – центр кристаллизации, 4 – адсорбированный дуплет частиц, 5 – рост кристаллита за счет мигрирующих частиц, 6 – подложка, 7 – поверхностная миграция частиц, 8 – адсорбированная частица. Рис. 2.

17. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Классификация методов нанесения покрытий. • по состоянию вещества для получения покрытий (твердое, жидкое, атомарное или ионизованное); • по способу получения вещества для нанесения покрытий (CVD, PVD и комбинированные); • по составу транспортной, защитной или реакционной атмосферы (вакуум, инертный газ, плазма, реактивный газ); • по способу активации процесса формирования покрытий (термический, плазменный, ионная бомбардировка, электронная или фотонная стимуляция); • по характеру процессов, протекающих в зоне формирования покрытий (физическая конденсация, химические или плазмохимические реакции, диффузионное насыщение и т.п.).

18. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Классификация методов нанесения покрытий. По способу формирования потоков осаждаемых частиц методы ассистированного плазмой химического газофазного осаждения (PACVD – plasma assisted chemical vapour deposition) методы физического газофазного осаждения (PVD – physical vapour deposition) • термическое испарение, • лазерная абляция, • вакуумное дуговое распыление, • - распыление ионным пучком, • - магнетронное распыление. • Тлеющий разряд, • Дуговой разряд, • ВЧ или СВЧ разряды

19. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» http://www.technopolice.ru/images/technopolice/tehpokpyitiya/06-11%20metod%20nanesenia.pdf

20. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Схема установки для нанесения покрытий методом CVD TiCl4 + CH4 → TiC + 4HCl TiCl4 + 2H2 + 1/2N2 → TiN + HCl Al2Cl6 + 3CO2 + 3H2 → Al2O3 + 3CO + 6HCl Рис. 3.

21. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» PACVD Процесс CVD, активируемого плазмой (PACVD), разработан относительно недавно (1974-1978 гг.) главным образом для получения тонких пленок, предназначенных для исследования в микроэлектронике, оптике и солнечной энергетике.

22. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Процесс PACVD. • Стадии осаждения покрытий в процессе PACVD: • 1) получение плазмы, • 2) химические диссоциация и разложение в результате столкновений с электронами, • 3) транспортная реакция, • 4) формирование покрытия на подложке.

23. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Схема установки для нанесения покрытий методом PACVD Рис. 4.

24. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Процесс PACVD. • Достоинства процесса PACVD: • используются относительно низкие температуры подложек (< 300ºС), • достигается лучшая покрывающая способность и адгезия покрытий, • лучшая контролируемость процесса. • вместо тепловой энергии газы-реагенты активируются быстрыми электронами. • достигаются более высокие скорости осаждения, чем в процессе обычного (термического) CVD. • Недостатки процесса PACVD: • невозможно осаждение чистых материалов этим методом, поскольку почти все недесорбируемые газы удерживаются покрытием, • сильное взаимодействие плазмы с растущей пленкой, • высокая скорость осаждения приводит к плохой контролируемости однородности и требует тщательной отладки реакционной установки.

25. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Процесс PVD. Термин «физическое газофазное осаждение» описывает три основных способа нанесения покрытий: испарение, распыление и ионное осаждение. При физическом осаждении материал покрытия переходит в газовую фазу из твердого состояния в результате испарения под воздействием тепловой энергии или в результате распыления за счет кинетической энергии столкновения частиц материала.

26. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Варианты расположения образцов в вакуумной камере. Рис. 5.

27. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Процесс PVD. Стадии осаждения покрытий в процессе PVD: • 1. Переход материала из твердой в паровую фазу. • 2. Перенос паров от источника к подложке. • 3. Конденсация паров на подложке, приводящая к зарождению и росту пленки.

28. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Пример процесса PVD. Рис. 6.

29. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Цикл нанесения покрытия • загрузка в очищенную камеру подставки с тщательно очищенным материалом (инструментами), на который будет наноситься покрытие; • откачивание воздуха из камеры; • нагрев материала внешним нагревом или ионной бомбардировкой (при положительном напряжении смещения на материале); • очистка материала ионным травлением (аргонно-ионным или металло-ионным) с последующей откачкой загрязнений;

30. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Цикл нанесения покрытия • испарение или распыление и ионизация материала «мишени» (например, титана) с одновременной подачей энергии, рабочего газа (например, аргона) и реакционного газа (азота — для образования нитридов, углеводорода — для образования карбидов и кислорода — для образования оксидов). • Перенос частиц (ионов, атомов, молекул, электронов, радикалов) в среде ионизированного газа (плазме). • Столкновение частиц с материалом и конденсация, для улучшения применяется отрицательное напряжение смещения на материале; • охлаждение камеры и материала; • после выравнивания давления выгрузка подставки с материалом.

31. Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» Достоинства процесса PVD • Исключительное разнообразие составов осаждаемого материала. Может наноситься практически любой металл, сплав, тугоплавкое соединение, некоторые типы полимеров и их смеси. • Возможность изменения температуры подложки в широких пределах. • Возможность наносить покрытия, не искажающие формы детали при высокой скорости осаждения. • Высокая чистота наносимого материала. • Хорошая связь покрытия с подложкой. • Превосходное качество поверхности покрытия, сравнимое с качеством исходной поверхности подложки.

32. Комбинированные методы нанесения покрытий Кафедра ВЭПТ «Плазменные покрытия» В некоторых случаях CVD и PVD процессы могут быть одновременно объединены в одной камере для нанесения покрытий «гибридными» методами. Например, нанесение карбонитрида титана (TiCxNy) может осуществляться гибридными процессами, в которых атомы титана образуются за счет распыления титановой мишени, атомы углерода извлекаются из паров ацетилена и все это происходит в атмосфере, содержащей азот.