Специальная часть, Вакуумные ионно-плазменные методы нанесения покрытий, Плазмохимическое газофазное осаждение (ПХГО) - Нанесение антидеструкционных покрытий на топливные и кислородные баки космических аппаратов

Вакуумные ионно-плазменные методы нанесения покрытий

В настоящее время существует множество различных способов нанесения покрытий. Наиболее прогрессивными из них являются вакуумные ионно-плазменные методы. Эти методы обладают эффективностью, экологической безопасностью и позволяют наносить высококачественные покрытия из широкой номенклатуры материалов.

По способу формирования ионно-плазменных потоков методы нанесения покрытий делятся на два основных класса - методы плазмохимического газофазного осаждения (ПХГО) и методы физического газофазного осаждения (ФГО).

Проблемой существующих методов нанесения покрытий является либо высокая стоимость оборудования и небольшие скорости осаждения покрытий как в случае ВЧ или СВЧ разрядов, плохая однородность наносимых покрытий, как при использовании дугового распыления, либо небольшие площади обрабатываемых поверхностей, как при лазерной абляции, либо низкая адгезия, как при термическом испарении [1].

Ниже рассмотрены различные методы нанесения тонкопленочных покрытий на подложки большой площади.

Плазмохимическое газофазное осаждение (ПХГО)

Химическое газофазное осаждение является процессом, в котором устойчивые твердые продукты реакции зарождаются и растут на подложке в среде с протекающими в ней химическими реакциями (диссоциация, восстановление и др.).

В этом процессе используются различные источники энергии, такие, например, как плазма, ультрафиолетовое излучение и т. д.

Процесс химического газофазного осаждения, активируемого плазмой (ПХГО), разработан относительно недавно (1974-1978 гг.), главным образом для получения тонких пленок, предназначенных для исследования в микроэлектронике, оптике и солнечной энергетике.

В процессе ПХГО покрытие на подложке образуется в ходе химических реакций, активируемых электрическим разрядом в газовой фазе. Основное преимущество процесса ПХГО заключается в том, что используются относительно низкие температуры подложек (< 300єС), достигаются лучшая покрывающая способность и адгезия, процесс лучше контролируется. Вместо тепловой энергии газы-реагенты активируются быстрыми электронами.

Другим преимуществом процесса ПХГО является то, что часто достигаются более высокие скорости осаждения, чем в процессе обычного (термического) ХГО. И это предоставляет бульшие возможности в выборе различных технологических параметров, хотя контролировать их оказывается сложнее.

Однако осаждение чистых материалов этим методом фактически невозможно (за исключением полимеров), поскольку почти все недесорбируемые газы удерживаются покрытием. Это одно из основных ограничений, которое иногда превращается в преимущество, как, например в случае нанесения аморфного кремния, содержащего Н2.

Другой недостаток - сильное взаимодействие плазмы с растущей пленкой. Высокая скорость осаждения приводит к плохой контролируемости однородности и требует тщательной отладки реакционной установки.

В процессе ПХГО могут быть выделены четыре стадии:

    1) получение плазмы; 2) химическая диссоциация и разложение в результате столкновений с электронами; 3) транспортная реакция; 4) формирование покрытия на подложке.

Метод ПХГО отличается от распыления тем, что используемые газы состоят из полиатомных молекул обычно с низкими потенциалами ионизации в отличие от, например, аргона при распылении. Применяются также более высокие давления (10-100 Па), что обеспечивает бульшую частоту столкновений и меньшую длину свободного пробега.

Процесс ПХГО характеризуется разложением реагентов в разряде в таких условиях, в которых они обычно остаются стабильными и нереагирующими, например, при низкой температуре. Основной механизм разложения в плазме - диссоциация при столкновениях с быстрыми электронами. Ионизация и диссоциация приводят к тому, что скорости реакций в плазме значительно выше скоростей химических процессов в электрически нейтральной системе даже при высоких температурах.

При нанесении покрытий методом ПХГО используются все модификации тлеющего, ВЧ и СВЧ разрядов.

В работе [2] для нанесения толстых пленок алмаза использовалась углеводородная плазма тлеющего разряда с импульсным током. Установка для нанесения покрытий с диодной системой электродов схематически изображена на рис. 2.

экспериментальная установка для нанесения пленок алмаза методом пхго

Рис. 2. Экспериментальная установка для нанесения пленок алмаза методом ПХГО

1 - держатель катода; 2 - катод; 3 - подложка; 4 - анод; 5 - источник питания постоянного тока; 6 - вакуумная камера; 7 - насос; 8 - газонапуск; 9 - плазма.

В качестве катода использовалась круглая молибденовая пластина диаметром 13 см и толщиной 1,5 см, нагреваемая до 1000єС. Вольфрамовая подложка диаметром 10 см располагалась на медном водоохлаждаемом аноде. Катод соединялся с источником питания, генерировавшим импульсы с длительностью 1500 мкс и временем между импульсами 15 мкс.

Использование импульсного тока позволило решить проблему дугообразования.

Напряжение и ток изменялись в пределах от 850 до 950 В и от 35 до 50 А, соответственно.

Источником газа являлась смесь метана с водородом, напускаемая со скоростью 200 мл/мин. Рабочие давления лежат в пределах от 13-103 до 26-103 Па (100-200 Торр).

К одной из разновидностей тлеющего разряда относится разряд с полым катодом.

Его достоинством является увеличение плотности плазмы в 100-1000 раз за счет перекрытия зон отрицательного свечения противоположных частей катода. Наиболее простыми формами полого катода являются цилиндрическая трубка или две прямоугольные параллельные пластины. Последняя конструкция наиболее проста для масштабирования и получила большое распространение, в частности, она применялась в работе [3].

Схема используемого источника плазмы показана на рис.3. Для того чтобы отделить реактивный газ от катода, использовался постоянный поток инертного газа через полый катод. Реактивный газ активировался энергетичными электронами из плазмы. Оптимальное рабочее давление данного источника плазмы составляло 100 Па.

Первые эксперименты были проведены с источником плазмы, имеющим высоту 6 см и ширину 4 см (длина катода всегда равнялась 10 см). Затем, высота и ширина катода были уменьшены в 4 раза для того чтобы увеличить плотность плазмы и уменьшить количество распыленного материала катода на подложке. Расход аргона и мощность также были уменьшены в 4 раза.

По сравнению с первым источником скорость нанесения и однородность пленки не изменились. Это объясняется тем, что произошло увеличение в 4 раза плотности плазмы в полом катоде.

источник плазмы с полым катодом

Рис. 3. Источник плазмы с полым катодом

Большинство экспериментов по нанесению гидрогенизированных углеродных (а-С: Н) пленок было проведено со второй конструкцией плазменного источника. В качестве газа-реагента использовался этан.

Параметры процесса нанесения пленок представлены в таблице 1. Было обнаружено, что скорость нанесения пленки повышается с увеличением мощности разряда и расхода этана.

Таблица 1.

Параметры нанесения а-С: Н пленок с помощью тлеющего разряда с полым катодом

Рабочее давление

80Па

Расход аргона

500 мл/мин

Расход этана

25 мл/мин

Мощность

0,7 кВт (DC)

Напряжение смещения подложки

- 400 В (DC)

Расстояние до подложки

80 мм

Скорость нанесения пленки (в центре)

12 мкм/ч

Температура подложки

200єC

Реализовать нанесение покрытий на подложки большой площади можно за счет увеличения длины линейного полого катода в комбинации со сканированием подложки.

Однако, для повышения производительности или нанесения покрытий на стационарные подложки желательно двухмерное увеличение площади нанесения покрытий. Поскольку ширина полого катода коррелирует с длиной свободного пробега электронов и ионов, то она ограничена диапазоном нескольких сантиметров. Решением этой проблемы авторы считают создание мультикатодного плазменного источника. Разработанный источник, состоящий из пяти параллельно расположенных плоских полых катодов, имеет поперечное сечение размером (10х10) см и позволяет получать достаточно однородное покрытие на площади 160 см2. Хотя следует отметить, что в разряде с полым катодом невозможно достичь очень высоких степеней однородности. В работе [4] для нанесения тонких пленок использовалась линейно протяженная плазма, возбуждаемая СВЧ излучением. Экспериментальная установка схематически представлена на рис.4.

Источник плазмы был установлен в цилиндрической вакуумной камере 1 диаметром 800 мм. Система вакуумной откачки 2 позволяла работать в диапазоне давлений от 5 до 500 Па. Газ в вакуумную камеру подавался через распределительную систему 5, обеспечивающую его равномерное распространение по объему камеры.

схематическое изображение источника свч плазмы

Рис.4. Схематическое изображение источника СВЧ плазмы

    1 - вакуумная камера; 2 - система откачки; 3 - вакуумметр; 4 - расходомер; 5 - распределитель газа; 6 - подложки; 7 - кварцевая трубка; 8 - медный стержень; 9 - магнетрон; 10 - коаксиальный волновод.

Два коаксиальных параллельных волновода располагались на расстоянии 90 мм друг от друга. Они представляли собой кварцевые трубки 7 с расположенными внутри них медными стержнями 8. СВЧ излучение генерировалось двумя магнетронами 9 с частотой 2,45 ГГц и мощностью 1,2 кВт, связанными друг с другом через коаксиальную линию 10. Микроволны распространялись в основном вдоль медного стержня и кварцевой трубки, заполненной воздухом при атмосферном давлении. При увеличении СВЧ мощности, плазма, возникающая на концах кварцевой трубки, постепенно распространялась к ее центру, до тех пор, пока вся поверхность трубки не покрывалась плазмой. Рекомбинация частиц на поверхности кварцевой трубки приводила к ее нагреву, поэтому применялось охлаждение трубки потоком воздуха, пропускаемым внутри нее. Пригодность данного источника плазмы для технологических применений демонстрировалась нанесением кварцеподобных пленок из смеси гексаметилдисилоксана с кислородом. В данном случае однородность толщины наносимых пленок достигается, главным образом, за счет использования распределенного газонапуска.

Похожие статьи




Специальная часть, Вакуумные ионно-плазменные методы нанесения покрытий, Плазмохимическое газофазное осаждение (ПХГО) - Нанесение антидеструкционных покрытий на топливные и кислородные баки космических аппаратов

Предыдущая | Следующая