Технология напыления нитрида титана и используемое оборудование

photo_2

Теория вакуумного напыления

Историческая справка о применении напыления нитрида титана

Производство товаров в 21 веке невозможно представить без нанесения пленочных покрытий в вакууме (вакуумное напыление). По применению покрытия можно разбить на два класса: защитно-декоративные и функциональные.

Когда говорят о «функциональности», чаще всего имеют ввиду полезное использование физических и химических свойств покрытий: электрических, оптических, магнитных, механических, коррозионных и каталитических, или их комбинации (оптических и электрических — пленки окисла сплава индий-олово обладают одновременно и оптической прозрачностью и электропроводностью). В качестве функциональных покрытий чаще всего используются пленки металлов в виде сплавов и их соединений с кислородом, азотом, углеродом (так называемые реактивные покрытия).

Сложный химический состав покрытий можно получить только с использованием техники ионного распыления в вакууме, разновидностями которой является катодное распыление и его промышленная модификация магнетронное распыление.

Развитие техники магнетронного распыления позволило решать в настоящее время целый комплекс задач, ранее являющихся исключительной прерогативой гальваники и дугового испарения в вакууме. При этом качество покрытий, полученных методом магнетронного распыления, существенно выше, чем полученных традиционными способами. Главным изменением в технике магнетронного распыления, приводящим к этим новым возможностям является существенное увеличение и возможность регулирования степени «ионного сопровождения» в процессе роста покрытия (увеличение и регулирование «ассистирующей» ионной бомбардировки растущего покрытия). Эти магнетронные распылители сегодня получили название несбалансированных магнетронов (НМ) и магнетронов с двойным незатухающим разрядом (ДНР).

За счет особой конфигурации магнитного поля НМ позволяют осуществлять нанесение покрытий, обеспечивая воздействие на поверхность растущей пленки потоком ионов плазмы на больших dS-T=150-200 мм расстояниях от распылителя до подложки.

Ионная бомбардировка поверхности растущей пленки позволяет регулировать характеристики зародышеобразования, морфологию, химический состав, микроструктуру и напряжение в пленке. Эти возможности к увеличению мобильности адсорбированных атомов или повторному распылению слабо связанных, обусловлены высокой энергией бомбардирующих ионов, приводящих частиц. Благодаря эффекту «атомной проковки» ионная бомбардировка позволяет получать плотные беспористые пленки с высокими напряжениями сжатия, имеющие гладкую блестящую поверхность.

И наконец, что особенно актуально, при достаточно высоких уровнях ионного воздействия можно получать так называемые «ионные» реактивные покрытия (пленки нитридов, карбидов, оксидов металлов), обладающие комплексом экстраординарных механических, теплофизических и оптических свойств (высокой твердостью, износостойкостью, электро- и теплопроводностью, оптической плотностью), коренным образом отличающихся от гальванических покрытий и покрытий, полученных вакуумной дугой с их пористостью и капельной фазой.

Новые возможности, обеспечиваемые магнетронными распылительными системами (МРС) на основе НМ, расширяют старые или привносят новые функциональные и технологические возможности в промышленном производстве покрытий.

Так возможность нанесения ионных реактивных покрытий при низких (до 373 К) температурах позволяет наносить эти покрытия на перспективные изделия из материалов с низкой температурной стойкостью (например, латуни, пластмассы) или из углеродистых сталейс низкой температурой отпуска. Существенное, по сравнению с обычными магнетронам, увеличение предельных расстояний мишень-подложка (ds-T), на которых обеспечиваются необходимые условия олучения качественных реактивных покрытий (от 50мм – для обычных магнетронов, до 100п…200мм — для несбалансированных МРС), позволяет увеличить производительность промышленных установок, за счет увеличения размеров «эффективной» зоны нанесения покрытий, а так же наносить покрытия на изделия больших размеров и сложных конфигураций.

Ионное воздействие на поверхность растущей пленки описывается следующими параметрами: — плотностью ионного тока js; — отношением потока ионов к потоку осажденных атомов (число падающих ионов на осажденный атом) v = ni/na; — энергией ионов Ei или величиной отрицательного (относительно плазмы) потенциала самосмещения Usb;

При этом Usb определяет Ei в случаях нанесения диэлектрических пленок или электропроводящих пленок на диэлектрические подложки; при нанесении электропроводящих пленок на электропроводный материал Ei может регулироваться величиной потенциала смещения Us, подаваемого на подложку от внешнего источника.

Повышение этих параметров соответствует увеличению интенсивности и энергетики ионного воздействия.

Уровень ионного воздействия, необходимый для получения высококачественных покрытий, различен в зависимости от вида осаждаемых пленок.

Так, для получения высококачественных «ионных» реактивных пленок нитрида титана и карбидов металлов (TiN, TiC, ZrN), обеспечивается ионное воздействие с v>2 и Ei=50..150 эВ.

Качественные диэлектрические оксидные пленки (ТiО2, ZrCb, AI2O3) получаются при умеренном ионном воздействии (v = 1…2), но с достаточно высокой энергетикой ионов (Ei >40 эВ), которая в этом случае должна обеспечиваться высокими значениями потенциала самосмещения Usb.

Мы использовали НМ для осаждения окисных слоев In2O3 и ТiО2. Несбалансированные магнетроны служили в качестве источника с высокой электронной температурой, дававшей высокий отрицательный потенциал на подложки, находившиеся в плазме (Usb= -10 ? -60 В) и относительно сильную ионную бомбардировку диэлектрических пленок без какого-либо внешнего смещения.

Для получения плотных беспористых металлических пленок,при замене гальваники, в состоянии сжатия (Al, Сu, Ti, Сг, Мо) предпочтительны низкие уровни ионной поддержки (v=0,1… 1,0), так как при более интенсивной ионной бомбардировке, возрастание сжимающего напряжения выше определенного предела может привести к разрушению пленки.

В качестве основных технологий фирма «Технопрофиль-2000» использует магнетронные методы распыления в самой современной модификации НМ и ДНР, в самой производительной и воспроизводимой форме – шлюзовых вакуумных установок непрерывного действия.

Комментарии недоступны