Хімічне осадження з парової фази ( у газовому середовищі).

Процес CVD – (Chemical vapour deposition) – нанесення компонентів, які виділяються (створюються) у результаті термічних (хімічних) реакцій на поверхні основи. Процес розвивається постадійно: адсорбція, утворення зародків, формування покриття. На відміну від фізичного осадження з парової фази, коли утворення зародків підсилюється з підвищенням температури, хімічне осадження відбувається звичайно лише при підвищених або високих температурах. Тому температура нагрівання поверхні має визначальне значення.

Термічне осадження обумовлене певними хімічними реакціями, у результаті яких відбувається виборчий масопереніс компонентів з газової фази на поверхню підстави. Для синтезу покриттів найбільш підходящими виявляються речовини, що легко переходять у газоподібний стан (галогени, карбоніли, гідриди, елементоорганічні сполуки). Реакція протікає з виділенням в осад компонентів, що утворюють покриття.

Розрізняють декілька типів реакцій осадження вибраних компонентів - термічне розкладання (піроліз) летучих сполук металів і неметалів; відновлення (розкладання) летучих сполук - донорів воднем, аміаком, гідрозином і іншими кисневмісними речовинами, а також парами металів; гідроліз газоподібних галогенідів водяний пором.

 

Фізичне осадження з парової фази – PVD – Physical vapour deposition. Вітчизняна термінологія – ВКНП – вакуумне конденсаційне нанесення покриттів.

Термін описує три основних способи нанесення покриттів: випар, розпилення й іонне осадження.

Процес осадження протікає в кілька стадій:

1. Підготовка матеріалу, що осаджується:

а) перехід від матеріалу в конденсованому стані (у твердій або рідкій фазі) до матеріалу в паровій фазі;

б) у випадку осадження сполуки проведення реакції між компонентами, деякі з яких можуть бути уведені в камеру у вигляді газу або пари.

2. Переніс пари між джерелом і підложкою.

3. Конденсація пари (і газів) на підложці, що приводить до зародження й росту плівки, формуванню покриття.

Кожна із цих стадій у процесі нанесення покриття методом PVD може контролюватися незалежно від інших, у чому полягає перевага цього методу над методом, наприклад, CVD.

Для одержання якісних покриттів необхідно гнучке керування цим процесами за допомогою створення оптимальних режимів їхнього протікання.

Дві перші стадії визначають третю стадію. Це треба з аналізу швидкості осадження покриттів V_п.

Для крапкового джерела розпилення або випару, коли площа розпилення (випару) у багато разів перевищує дистанцію напилювання, тобто при S≤≤L вираження для швидкості осадження покриттів має вигляд

(10.9)

Для плоского джерела вираження має вигляд

(10.10)

де α – кут між напрямком потоку частинок і нормаллю до поверхні напилювання; θ – кут між напрямком потоку частинок і нормаллю до поверхні розпилення (випару).

Процес випаровування

При нанесенні покриття за допомогою випаровування проводяться два основних процеси: властиво випаровування матеріалу покриття і його наступне осадження на підложці Спочатку такий процес проводився у вакуумі й застосовувався для нанесення простих металевих покриттів. Надалі завдяки зміні робочої атмосфери камери шляхом введення плазми або хімічно активних газів з'явилася можливість реалізувати різні способи випару й одержувати більше складні покриття.

У всіх випадках камера, у яку завантажують оброблювані деталі, відкачують до приблизно 10^-3 Па, а лише потім у неї вводиться будь-який потрібний газ при тиску від 0,1 до 10 Па.

Для осадження різноманітних матеріалів – металів, сплавів, хімічних сполук і механічних сумішей метал-діелектрик з успіхом застосовується методика миттєвого випару при спалаху.

Пряме, або вакуумне, випаровування. Це основний метод, при якому матеріал нагрівається за допомогою високоінтенсивного джерела тепла й випаровується у вакуумній камері, а потім осаджується на попередньо нагріту підложку. Швидкість осадження може бути різної. Для одержання високих швидкостей осадження матеріалу з парової фази його нагрівання здійснюється за допомогою електронного пучка, а також лазера. Прості покриття з одного елемента можуть бути отримані з використанням єдиного випарника. Конкретний вибір випарника залежить від температури плавлення металу, тиску його пари і сумісності розплавленого металу з матеріалом випарника.

Нанесення покриттів зі сплавів може бути здійснено й іншим способом з використанням декількох випарників. Матеріалом, що випаровується з кожного джерела, може бути метал, сплав або сполука.

Активоване випаровування. Цей метод, у якому використовується парова фаза у вигляді плазми.

Реакційне випаровування. Процес випаровування здійснюється так само, як при прямому випаровуванні, за винятком того, що в робочій камері перебуває хімічно активний газ. Внаслідок низького парціального тиску реагуючих частинок (< 10^-3 Па) середня довжина їхнього вільного пробігу більше відстані між випарником і підложкою і, отже, реакція між атомами металу й газу відбувається тільки на підложці, наприклад 2А1 (пара) + (3/2)О₂ (газ) = Аl₂O₃ (тверде покриття).

Активоване реакційне випаровування. Цей метод застосовується для одержання високих швидкостей осадження сполук. Парціальні тиски металевої пари і газу становлять звичайно 6…10^-2 Па або вище. При таких тисках довжина вільного пробігу менше відстані між випарником і підложкою і тому зіткнення реагуючих частинок відбуваються ще в газовій фазі.

 

Процес осадження покриття із плазми, називаний високочастотним реакційним іонним осадженням, був розроблений і використаний для нанесення тонких плівок А1₂O₃, TiN та ТаМо. Випаровування матеріалу здійснюється за допомогою електронагрівача або електронного пучка, а плазма генерується наведенням високочастотного електромагнітного поля між вугільним електродом і електродом у вигляді алюмінієвого дроту, розташованими в області між випарником і підложкою.

Розпилення

Розпилення — це процес передачі імпульсу, у якому швидка частинка, наприклад Аr⁺, вибиває атом з поверхні (як правило) катода. Ефективність процесу характеризується виходом розпилення – числом вибитих атомів на кожну падаючу частинку (іон). Розпиленим (вибитим) атомам передається порядку 1% енергії частинки, що бомбардує, тоді як близько 75% енергії витрачається на нагрівання мішені (катода). Вихід розпилення росте зі збільшенням маси і енергії падаючих частинок, поки вони не занадто глибоко проникають у бомбардуємий матеріал, а також зростає приблизно у два рази зі збільшенням кута падіння до 70^o, після чого знову зменшується. Внаслідок ослаблення зв'язків на поверхні через прогресуюче нагромадження ушкодженні з ростом дози опромінення спостерігається непропорційно швидке збільшення виходу розпилення з ростом дози; вихід розпилення зменшується зі збільшенням тиску газу через зворотне розсіювання.