Настала эра высоких технологий, когда на смену Ньютоновской механике приходит квантовая, когда рычаги на приборной доске уступают место сенсорным дисплеям компьютеризированных блоков управления. Новое столетие характеризуется высокой производительностью оборудования и качеством готовых изделий. Есть еще один пункт, напротив которого каждый производственник пожелал бы поставить галочку, но упоминается он в научных трактатах не так уж и часто. Имя ему – универсальность. Нареченное универсальным, вакуумное напыление используется для создания самых разнообразных поверхностных покрытий. Нет на данный момент ни одной технологии со столь широким спектром применения. Итак, вакуумное напыление в разрезе физического мировоззрения.
Аспекты проектирования ионного оборудования
В вакуумном напылении, будь то магнетронная или ионно-плазменная установка, выделяется два технологических этапа. Каждый из них представляет достаточно нетривиальную задачу.
Предварительно нужно осуществить испарение металла с поверхности мишени. Сублимационный подход характеризуется быстрым нагревом мишени до температуры испарения, минуя фазу расплава. На данный момент широко распространены прямонакальные и косвенные нагреватели резистивного типа, хотя повысить уровень кинетической энергии кристаллической решетки можно за счет квантового факела или высокочастотного тока. Очевидно, что выбор технологии разогрева мишени характеризует будущую конструкцию вакуумного напылителя. Сублимационный подход отличается повышенной энергоемкостью. Кроме того, многие металлы вообще не способны сублимировать в условиях глубокого вакуума. В этом случае в активной среде появляется расплав, что требует внедрения системы фильтрации. В качестве альтернативного подхода все чаще используется ионное распыление, когда кристаллическая решетка разрушается под действием магнитного поля или большой разности электрических потенциалов внутри камеры.
Идея распыления позволила снизить энергоемкость испарения и повысить производительность установки, но в этом случае прототип становится более требовательным к рабочему давлению. Очевидно, что формирование пятна осаждения напрямую зависит от стабильности ионного факела. Давление внутри камеры определяет длину свободного пробега для частиц металла. Сегодня в основном используется напыление в глубоком вакууме, когда давление достигает 10-5 Па и ниже, что резко снижает вероятность столкновения частиц между собой и с молекулами ионизирующего газа.
Прямоканальные и косвенные испарители
Прямоканальные и косвенные испарители за счет высокой рабочей температуры изготовляются из тугоплавких материалов. Идея прямого термического воздействия проста в реализации, однако эффективность ее легко ставится под сомнение. Прямоканальный разогрев поверхности до температуры испарения сопровождается распределением тепловых потоков по всему объему мишени. Отсюда низкая производительность и высокое энергопотребление. В конечном счете, давление паров настолько низкое, что напыление слоя в несколько микрометров без специального устройства догрузки становится достаточно проблематичным.
Со временем прямоканальные испарители переросли в тигельные с пассивным нагревом. Использование энергии индукции позволило значительно снизить температуру самого нагревателя и, как следствие, его стоимость. Так или иначе, прямоканальные испарители не удовлетворяли всем требованиям производственников. И если с высоким энергопотреблением можно смириться, то закрывать глаза на значительное загрязнение ионного факела частицами самого испарителя – просто сумасшествие. Т.о. внедрение тиглей в прямоканальные установки было лишь переходным этапом, предваряющим шумное появление лучевых испарителей.
Эклектика в физике или лучевые испарители
Идея электронно-лучевого испарения заключается в непрерывном воздействии потока электронов на поверхность мишени. Кинетическая энергия движения при ударе частично используется на разрыв кристаллических связей, частично превращается в тепло, за счет которого осуществляется нагрев до температуры испарения. Факел содержит не только пар, но и микрочастицы, которые легко поддаются управлению за счет электрических и магнитных полей. Очевидно, что поддержание плотности ионного факела упирается лишь в непрерывное облучение, поэтому нет ограничений на толщину напыления.
Многочисленные инженерно-научные достижения позволили создать несколько разных модификаций электронно-лучевых испарителей. Основное различие прототипов заключается в конструкции катода и системы стабилизации потока, построенной на силовых и магнитных линиях.
В конечном счете, на катоде в месте контакта с факелом формируются так называемые пятна, характеризующиеся высокой энергией и температурой. Давление паров на этом участке в миллионы раз превышает средние показатели рабочей среды, поэтому инертный заполнитель в этот момент физически не может реагировать с напыляемым металлом. Взаимодействие происходит сразу же после смещения катодного пятна. Скорость перемещения факела зависит в основном от скорости испарения поверхностных слоев мишени.
Как уже было сказано, немногие металлы располагают к сублимации, поэтому катодное пятно содержит капли расплава. Размер и концентрация зависит не только от физико-химических показателей напыляемого металла, но и от плотности инициирующей плазму дуги.
Магнетронные испарители
В основу магнетронного распыления положена бомбардировка мишени ионизированным потоком заполняющего газа. Переход в возбужденное состояние инициируется плазмой, возникающей от аномально тлеющего разряда. Подчас возникает вторичная эмиссия, сопровождающаяся встречным электронным потоком. Подобная физическая реакция поддерживает разряд.
Несколько десятилетий исследований процессов магнетронного распыления позволили создать множество конструкций, но большей популярностью пользуются планарные прототипы на магнитомягком основании подложки. Особый ферримагнитный сплав намагничивается и переходит в нейтральное состояние практически одновременно с инициированием и отключением магнитов. Параллельно создается разность потенциалов за счет подачи на катод напряжения до 1000 вольт. Периферические магниты относительно заряженного катода располагаются таким образом, чтобы силовые линии закручивали в спираль ионный факел от мишени. Это позволяет за счет многочисленных столкновений с молекулами заполняющего газа ступенчато ионизировать напыляемые ионы, исключая из технологического процесса стадию ориентирования подложки.
Использование дополнительной ионизации определяет прямую зависимость параметров конденсации от силы тока и давления активной среды. Добиться прецизионного закручивания ионного факела можно лишь при постоянстве магнитных и силовых линий. Кроме того, важным параметром является стабильность плазмы, которая зависит от электрического разряда. Т.о. к источникам тока предъявляется чрезвычайно высокие требования к минимизации колебания выходных характеристик (погрешность не может превышать 2%)
Давление рабочей среды (как правило, инертные смеси) обычно изменяется в пределах ± 5%. Давление влияет на оптико-электрические показатели некоторых материалов. Кроме того, состав поверхностного напыленного слоя сильно зависит от химической чистоты активной среды и мишени. Т.о. магнетронные установки требуют наличия сложных турбомолекулярных насосов непрерывного действия.
При всех положительных моментах магнетронное распыление с постоянным током не позволяет напылять оксиды с большой скоростью. Повышение производительности приводит к сильному окислению самой мишени, что сразу же делает невозможным ее использование. В этих случаях используется модифицированная технология с использованием высокочастотного тока, который препятствует изменению стехиометрического состава напыляемого материала.
Формирование пленки
Анализ процесса формирования поверхностной пленки на подложке требует разделения решающих факторов на физические и технологические. С точки зрения физики, напыление характеризуется структурой вновь образованной кристаллической решетки, микрорельефом поверхности, кинетическими показателями ионного факела и взаимодействием основного и напыляемого металлов.
Многочисленные эксперименты доказали, что для холодной подложки существует критическая температура, зависящая от состава основного материала. Если температура факела превышает это значение, конденсация сменяется отражением и микродеформацией. В этом случае говорят, что необходимо сориентировать подложку путем предварительного подогрева. С другой стороны, ступенчатая ионизация факела позволяет эффективно перестраивать связи в кристаллической решетке за счет энергии столкновения.
Абстрагируясь от физической теории необходимо отметить технологические аспекты вакуумного напыления. До внедрения в производство важно добиться гарантированного контроля толщины осаждаемого слоя. Равномерность упирается в микрорельеф подложки. Решить проблему можно посредством предварительной подготовки поверхностного слоя или путем анализа дефектов в режиме реального времени. Последний метод подразумевает использование зондирования, значительно усложняя устройство вакуумного напылителя.
Постскриптум
Сегодня вакуумное напыление только-только вышло на уровень золотого минимума популярности, за которым вскоре последует широкомасштабное внедрение. Заявление действительно дерзкое и, как может показаться на первый взгляд, поспешное. Но вакуумное напыление при своей универсальности является наиболее экологически чистым и экономичным методом. И разве не эти три достоинства в 21 веке ставятся во главу?
