Формирование наноструктурированных покрытий методом магнетронного распыления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное бюджетное образовательное учреждение

Школа № 1862 г. Москвы Школьное подразделение № 5

Исследовательская работа

Формирование наноструктурированных покрытий методом магнетронного распыления

Выполнила: Пересадько Александра Вадимовна,

ученица 9 класса "А",

Научный руководитель:

Казакова Юлия Владимировна, к.п.н., учитель физики

Москва, 2017-18 г.

Содержание

магнетронный распыление вакуумный пленка

Введение

1. Метод магнетронного распыления

2. Устройство малогабаритной вакуумной установки модульного типа

3. Этапы нанесения покрытий

4. Определение толщины плёнки меди на ситалловой подложке с помощью атомно-силового микроскопа АСМ

5. Установление зависимости толщины тонких плёнок меди от времени процесса при магнетронном распылении

6. Преимущества и недостатки метод магнетронного распыления

Результаты работы

Вывод

Источники информации

Введение

Наноструктурированные покрытия - это покрытия толщиной от 1 до 100 нм. Они предназначены для увеличения сроков эксплуатации оборудования нефтегазовой, авиационной, атомной, машиностроительной, металлургической, строительной и других отраслей промышленности. В зависимости от наносимого вещества поверхности приобретают следующие свойства: гидрофобность (коррозионностойкость) - Al₂O₃; износостойкость - Ti и Ni; высокую отражающую способность - Cu.

Цель работы: подбор оптимальных параметров технологического процесса формирования наноструктурированных покрытий методом магнетронного распыления для получения тонких плёнок меди с заданными характеристиками.

Объект исследования: толщина наноструктурированных покрытий.

Предмет исследования: технологический процесс получения нанопокрытий.

Задачи:

1. изучить устройство малогабаритной вакуумной установки модульного типа;

2. выделить этапы технологического процесса нанесения тонких покрытий методом магнетронного распыления; изучить физические явления, лежащие в основе метода магнетронного распыления;

3. изучить зависимость характеристик тонких плёнок меди (Сu) от параметров технологического процесса;

4. выделить преимущества и недостатки метода магнетронного распыления для нанесения тонких покрытий.

Методы исследования:

1. анализ материалов по данной теме;

2. беседа с сотрудниками кафедры Электронные технологии в машиностроении (МТ-11), МГТУ им. Н. Э. Баумана;

3. наблюдение технологического процесса нанесения покрытий методом магнетронного распыления.

1. Метод магнетронного распыления

Процесс нанесения тонких плёнок в вакууме состоит в создании потока частиц наносимого вещества и последующей их конденсации с образованием тонкоплёночных слоёв на поверхности подложки. Метод ионного распыления основан на бомбардировке мишени, изготовленной из осаждаемого материала высокой чистоты, положительными ионами аргона. Выбитые из мишени в результате бомбардировки частицы образуют поток наносимого материала, который осаждается в виде тонкой плёнки на подложке, расположенной на некотором расстоянии от мишени (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Ионное распыление

Принцип действия устройств ионного распыления базируется на таких физических явлениях, как ионизация атомов и молекул газа электронным ударом, распыление вещества мишени при бомбардировке ускоренными ионами.

Ионизация - это процесс превращения нейтральных атомов и молекул газа в положительно заряженные ионы (рис.2). Находящийся между двумя электродами газ всегда содержит некоторое количество свободных электронов. Если между электродами создать электрическое поле, то в этом поле свободные электроны будут ускоряться. При встрече с нейтральными атомами или молекулами газа они выбивают из них вторичные электроны, превращая их в положительные ионы. Таким образом, в результате столкновения появляются новые пары заряженных частиц: выбитый вторичный электрон и положительно заряженный ион. Положительные ионы движутся к катоду. Вторичные электроны и первичные отражённые электроны, ускоренные электрическим полем, вновь ионизируют молекулы газа. Общее количество электронов будет возрастать по мере продвижения электронов к аноду лавинообразно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Ионизация электронным ударом

Ионное распыление можно объяснить с позиции импульсного механизма воздействия ускоренных ионов на поверхностные частицы мишени. В атомном масштабе это явление сравнимо с ударом двух бильярдных шаров, из которых один представляет собой падающий ион, а другой - атом твёрдого тела, встреченного ионом (рис. 3). При распылении вещества 3 положительный ион 1 передаёт энергию атому вещества 2, который, в свою очередь, может передать её другим атомам, вызвав тем самым каскад столкновений, как это показано стрелками на рисунке. В этом случае, когда поверхностный атом 2 распыляемого вещества 3 получит достаточную для разрыва связи с ближайшими содержащими атомами энергию, он покинет её. Направление движения этого атома соответствует направлению полученного при ударе импульса.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3

Показателем эффективности процесса ионного распыления является коэффициент распыления, который выражается числом выбитых частиц распыляемого вещества, приходящихся на один бомбардирующий ион, и обычно составляет от долей единиц до нескольких единиц. Коэффициент распыления зависит от энергии иона, его массы, угла падения, распыляемого материала и состояния распыляемой поверхности.

Магнетронные системы ионного распыления имеют в прикатодной области магнитное поле, направленное перпендикулярно электрическому полю. Это увеличивает степень ионизации рабочего газа, а, следовательно, и скорость нанесения плёнок до 20 нм/с.

Рассмотрим влияние скрещенных полей на процесс ионного распыления. Если наложить параллельно катоду и очень близко к нему магнитное поле, перпендикулярное электрическому полю (рис.4), то траектории электронов будут представлять собой циклоиды. Вторичные электроны, эмитируемые катодом под действием ионной бомбардировки, не могут при этом двигаться к аноду, т.к. оказываются в своеобразной ловушке, создаваемой магнитным полем. Большая часть энергии электронов расходуется на ионизацию в непосредственной близости от катода, где создаётся высокая концентрация положительных ионов. В результате возрастают интенсивность бомбардировки катода и скорость его распыления.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4

2. Устройство малогабаритной вакуумной установки модульного типа

Основными элементами магнетронной распылительной системы, являются катод, анод и магнитная система, предназначенная для локализации плазмы у поверхности мишени-катода. Элементы магнетронной системы смонтированы на фланце, присоединяемом к корпусу рабочей камеры байонетным соединением.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

3. Этапы нанесения покрытий

1. Установка подложки из керамики, кремния, сапфира или ситалла Al₂O₃ на подложкодержатель.

2. Установка фланца с подложкой в рабочую камеру.

3. Установка в рабочей камере магнетронной системы с медной мишенью.

4. Закрепление фланцев байонетным соединением.

5. Откачка камеры форвакуумным насосом от 10⁵ Па до 3*10¹ Па.

6. Откачка камеры турбомолекулярным насосом от 3*10¹ Па до 6,3*10^-3 Па (рабочее давление).

7. Нанесение медного покрытия.

8. Прекращение процесса.

9. Остановка турбомолекулярного насоса.

10. Остановка форвакуумного насоса.

11. Открытие рабочей камеры и извлечение фланца с образцом.

4. Определение толщины плёнки меди на ситалловой подложке с помощью атомно-силового микроскопа АСМ

Методика измерения топологии поверхности на АСМ

1. Включить микроскоп и компьютер.

2. Запустить программу.

3. Открыть дверцу АСМ.

4. Установить образец на столик.

5. Вывести головку АСМ.

6. Закрыть дверцу.

7. Сфокусировать лазер на кантилевер.

8. Подвести кантилевер к образцу в полуконтактном режиме.

9. Выбрать область сканирования 5*5 мкм.

10. Начать сканирование (5-15 мин).

11. Сохранить данные в файл.

12. Открыть окно «дата» и файл эксперимента в этом окне.

13. Выбрать команду Section analysis.

14. Навести масштабный отрезок на измеряемую структуру и снять размеры по оси Z (высота) и Х (длина).

15. Программа строит график 1, по которому определяется размер «ступеньки» - 16 нм. Данный образец напылялся 10 с и был тестовым.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

График 1

5. Установление зависимости толщины тонких плёнок меди от времени процесса при магнетронном распылении

При напылении тонких плёнок очень удобно заранее знать зависимость их толщины от времени осаждения. Это позволяет сделать процесс нанесения плёнок контролируемым. Известно, что толщина получаемой плёнки линейно зависит от тока распыления (чем больше ток, тем толще получается плёнка при том же времени осаждения) и времени осаждения (чем длительнее процесс - тем толще плёнка). Причём, для каждого напыляемого вещества эти зависимости индивидуальны.

Мы измерили толщину четырёх плёнок меди и изучили зависимость толщины от времени нанесения. Данные о времени осаждения и соответствующей толщине плёнки приведены в таблице 1.

Таблица 1

По полученным данным построен график зависимости толщины медного покрытия от времени процесса (график 2). Данная зависимость может быть использованы для установления требуемого времени при осаждении медных плёнок заданной толщины.

График 2

6. Преимущества и недостатки метод магнетронного распыления

Магнетронный метод нанесения тонких плёнок имеет свои преимущества: при магнетронном распылении увеличивается интенсивность бомбардировки катода, что ведет к увеличению скорости нанесения пленок. Это способствует уменьшению включений рабочего газа в пленках. Процесс магнетронного распыления является легко управляемым. Количество распыленного материала линейно изменяется во времени, достижение заданной толщины пленок регулируется потенциалом мишени и временем распыления. В нужный момент распыление можно мгновенно прекратить, сняв с мишени потенциал. Магнетронное распыление позволяет получать пленки с заданным химическим составом практически из любых металлов и сплавов. В зависимости от состава рабочей атмосферы (присутствия в ней азота, кислорода, диоксида, углерода и т.д.), можно получать пленки оксидов, нитридов карбидов и т.д. Такое распыление получило название реактивного.

Недостатки метода: состав получаемых распылений зависит от чистоты применяемых газов и распыляемых материалов, а также от натекания и газовыделений в рабочей камере, поэтому требуются сложные системы откачки газов и высокочистые исходные материалы для распыления.

Результаты работы

1. Изучено устройство малогабаритной вакуумной установки модульного типа.

2. Выделено 12 этапов технологического процесса нанесения тонких покрытий методом магнетронного распыления.

3. Измерена толщина 4 образцов тонких плёнок меди на ситалловых подложках при помощи АСМ.

4. Построен график зависимости толщины тонких плёнок меди от времени их нанесения.

5. Выделены преимущества и недостатки метода магнетронного распыления для нанесения тонкопленочных покрытий.

Вывод

Процесс магнетронного распыления является легко управляемым. Количество распыленного материала линейно изменяется во времени, достижение заданной толщины пленок регулируется потенциалом мишени и временем распыления. Знание зависимости толщины тонких плёнок от времени процесса при магнетронном распылении позволяет получать покрытия нужной толщины. Тонкоплёночные покрытия, полученные магнетронным методом, нашли широкое применение во многих областях.

Источники информации

1. Панфилов Ю.В. Конспект лекций по курсу «Элионные процессы и нанотехнологии».

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%80%D0%B0%D1%81%D0%BF%D1%8B%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5. Магнетронное распыление.

3. http://www.vacuum-metallization.ru/vakuumnoe-napylenie-tehnologia/polezno. Нанесение покрытий на изделие.

Размещено на Allbest.ru