Плазменные покрытия

Кафедра ВЭПТ
«Плазменные покрытия»
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
1
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).
4 Активируемое лазером или электронным пучком
химическое газофазное осаждение покрытий.
Фотохимическое газофазное осаждение покрытий (2 часа)
5 Нанесение 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).
2
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).
3
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).
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»
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.
6
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.
7
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.
8
Кафедра ВЭПТ
«Плазменные покрытия»
Назначение плазменных покрытий
Fig. Scanning electron
photomicrographs of cross section of
CrAlN films on a Si substrate.
9
Кафедра ВЭПТ
«Плазменные покрытия»
Вакуумные ионно-плазменные методы нанесения
покрытий

Низкотемпературная плазма – это слабоионизованный
разреженный газ при давлении 10-3-10 Па со степенью
ионизации 10-6-10-4 (концентрация электронов 1091012 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).
10
«Плазменные покрытия»
Кафедра ВЭПТ
Тлеющий разряд
1 2
3
4
_
dk
L
5
Рис.
1.
Образование
тлеющего разряда.
1 – катод, 2 – темное
+ катодное пространство,
3 – вакуумный баллон,
4
–
положительный
светящийся столб, 5 – анод.
11
Кафедра ВЭПТ
«Плазменные покрытия»
Дуговой разряд
Параметры плазмы вакуумной дуги
12
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 их полной 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.
13
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.
14
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 15
наносимого материала.
«Плазменные покрытия»
Кафедра ВЭПТ
Взаимодействие осаждаемых частиц с подложкой.
1
2
3
4
8
7
Рис. 2.
5
6
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
16
частица.
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.).
17
«Плазменные покрытия»
Кафедра ВЭПТ
Классификация методов нанесения покрытий.
По способу формирования потоков осаждаемых частиц
методы ассистированного
плазмой химического
газофазного осаждения
(PACVD – plasma assisted
chemical vapour
deposition)
- Тлеющий разряд,
- Дуговой разряд,
- ВЧ или СВЧ разряды
методы физического
газофазного осаждения
(PVD – physical vapour
deposition)
-
термическое испарение,
лазерная абляция,
вакуумное дуговое распыление,
распыление ионным пучком,
магнетронное распыление.
18
Кафедра ВЭПТ
«Плазменные покрытия»
http://www.technopolice.ru/images/technopolice/tehpokpyitiya/06
-11%20metod%20nanesenia.pdf
19
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
20
Рис. 3.
«Плазменные покрытия»
Кафедра ВЭПТ
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.
21
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.
22
«Плазменные покрытия»
Кафедра ВЭПТ
Схема установки для нанесения покрытий методом
PACVD
Рис. 4.
23
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 отладки24
реакционной установки.
«Плазменные покрытия»
Кафедра ВЭПТ
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.
25
Кафедра ВЭПТ
«Плазменные покрытия»
Варианты расположения образцов в вакуумной
камере.
Рис. 5.
26
«Плазменные покрытия»
Кафедра ВЭПТ
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.
27
Кафедра ВЭПТ
«Плазменные покрытия»
Пример процесса PVD.
Рис. 6.
28
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 (аргонноионным или металло-ионным) с последующей откачкой
загрязнений;
29
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.
30
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.
31
Кафедра ВЭПТ
«Плазменные покрытия»
Комбинированные методы нанесения покрытий
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.
32