ВЧ плазменная модификация поверхности диэлектрических материалов и тонкопленочных покрытий (90

У алмазного порошка, не подвергавшегося плазменной обработке, при исследовании под микроскопом прозрачные кристаллы обнаружены в незначительном количестве, что говорит о наличии сростков и примесей. Кристаллы алмаза необработанного в плазме порошка имеют форму неправильных многогранников. Цветпорошка– серо-зеленый.

Особой разновидностью плазменной обработки порошка является модификация в более "жестких" режимах – Wi = 80

эВ, ji = 3 А·м–2 . Обработка в плазме ВЧЕ разряда

пониженного давления позволяет на этапе взаимодействия с неравновесной низкотемпературной плазмой произвести раскол дефектных алмазов, полностью исключив этот вид брака. Разновидностью данного вида обработки является самостоятельный процесс плазменного измельчения алмазного порошка. Продолжительность процесса взаимодействия зерен алмаза с плазмой в зависимости от режима обработки (скорости потока плазмы) и длины реакционной зоны составляет 2...12 мс.

Исследования стабильности результатов модификации показали, что порошок сохраняет свои свойства в течение 10...15 дней после плазменного воздействия. После хранения обработанного порошка дольше этого срока наблюдается ухудшение эксплуатационных характеристик готовых изделий по сравнению с изделиями, изготовленными с использованием порошка сразу после плазменной обработки (увеличивается время наработки, снижается продолжительность осаждения алмазов на инструмент в 1,5...

2 раза). Продолжительность заращивания алмазов никелем сохраняется.

Испытания по определению времени наработки показали, что алмазированные изделия из порошка синтетического алмаза, обработанного плазмой, имеют повышенную в 1,5...2 раза производительность по удельному съему материала.

Очистка стекол, ситалла, сапфира, поликора производилась в следующих режимах: Wi = 80 эВ, ji =

12

1,5 А·м–2 . Качество очистки этих материалов определялось в основном по величине адгезионной прочности покрытия SiO2

к подложке. Данные представлены в таблице 1.

Таблица 1

Зависимость величины адгезионной прочности покрытия SiO2 от способов очистки материалов

13

Как видно из таблицы, очистка в ВЧЕ струе низкого давления позволяет увеличить адгезионную прочность по сравнению с очисткой в тлеющем разряде не менее чем в 1,5 раза.

3. Влияние ВЧ плазменной обработки на свойства тонкопленочных покрытий

Закономерности процесса взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с тонкопленочными покрытиями рассмотрены на примере обработки металлических (алюминиевых и медных) пленок, диэлектрических пленок из

SiO2, AI2O3, TiN, TaC, ZnS и YF3, магнитных пленок-

полупроводниковых покрытий Si, Ge.

У металлических пленок исследовались основные электрофизические и механические свойства. Часть образцов металлических пленок после обработки плазмой напылялись диэлектриком SiO2, полученным плазменным способом на

той же установке.

Изучение состава продуктов осаждения на подложку при распылении SiO2 методом ЭПР позволило установить, что

пленка состоит из стеклообразной фазы SiO2. Плотность

покрытия практически равна плотности объемного материала.

Сравнительный анализ покрытий из SiO2, полученных

вышеперечисленными методами, показывает, что наилучшими характеристиками обладает пленка SiO2,

нанесенная с помощью ВЧ плазмы, поэтому она и использовалась в качестве диэлектрика для изготовления ТПК. В таблице 2 приведены характеристики плeнoк, полученных с помощью ВЧ плазмы пониженного давления. Bce покpытия относятся к нулевой группе механической прочности.

14

Покрытия из перечисленных материалов имеют влагостойкость и термостойкость, достаточную для использования их в полевых условиях, т.е. отвечают требованиям защитных покрытий. Однако для ряда отраслей промышленности (например, оптической) необходимо соблюдение ряда специфических свойств. Это прежде всего

Таблица 2

Характеристики пленок SiO2, нанесенных с помощью ВЧ плазмы

прозрачность в диапазоне рабочих длин волн, стойкость к окислительной атмосфере, реагентам, высокая однородность и беспористость. Наиболее полно этим требованиям отвечает пленка карбида титана TiC, которую можно наносить как на металлические, так и на диэлектрические подложки.

Пленки из Аl2О3 и SiО2 с высокими диэлектрическими и

механическими свойствами использовались также, как защитные изоляционные покрытия. Пленки из ТаС и В4С,

имеющие высокую температуру плавления и механическую прочность, отвечают требованиям, предъявляемым к износостойким и жаропрочным покрытиям. Испытания на влагоустойчивость показывают, что пленки сохраняют защитные свойства при кипячении в дистиллированной воде в течение 10 мин.

15

Существенным преимуществом данного вида напыления является высокая степень концентрации потока испаряемого материала. Это позволяет получать покрытия из TiC, AI2O3,

ZnS и т.д. на изделиях сложной конфигурации, на внутренней поверхности трубок. Неравномерность покрытия не превышает 0,02 мкм при толщине 10 мкм. Высокая степень чистоты процесса позволяет получить пленки из кремния с коэффициентом преломления до 3.

Процесс получения покрытий с помощью неравновесной ВЧ плазмы представляет собой разновидность взаимодействия с твердым телом. Первая стадия – это обработка материала в виде стержня или порошка в режимах, при которых происходит интенсивное испарение-распыление. Вторая стадия – взаимодействие плазмы с напыляемыми частицами в процессе транспортировки к подложке. Третья стадия – обработка осаждаемого покрытия. Непрерывный процесс взаимодействия плазмообразующего газа с напыляемым покрытием позволяет получать пленки с улучшенными параметрами: повышенной адгезионной прочности за счет образования диффузного переходного слоя; плотность приближается к плотности объемного материала; поверхностью, на которой практически отсутствуют примесные дефекты, микропоры, микротрещины.

Это позволило установить влияние напыления пленок двуокиси кремния на свойства обработанных пленок. На основе двухслойной системы AI–SiO 2 и Cu–Si О2,

изготовляют ТПК, нанося методом термовакуумного

испарения на диэлектрический слой алюминий. В ТПК

–6

толщина диэлектрика составляет (0,05...1)·10 м. Последняя ограничена снизу допустимым процентом выхода годных конденсаторов и рабочим напряжением, а сверху механической прочностью получаемой структуры. Пленка толщиной в несколько микрон и более имеет малую адгезионную прочность к нижележащим слоям из-за больших внутренних напряжений. У ТПК исследовались удельная

16

емкость C~уд , диэлектрическая проницаемость ε , тангенс угла

наклона tg δ1 . У всех покрытий исследовалось изменение структуры поверхности под воздействием ВЧ плазмы. Степень воздействия плазменного потока на пленки из ZnS и YFe3 определялась по изменению адгезионной прочности и

коэффициента рассеяния.

Исследования показали, что режимы, при которых происходит плазменная полировка металлов и диэлектриков, приводят к интенсивному распылению покрытия (рис. 4). Это связано с тем, что энергия связи атомов в покрытии всегда меньше энергии связи в объёмном материале.

Дальнейшие исследования проводились при следующих значениях основных обобщенных параметров обработки: Wi

2

= 30 – 50 эВ, ji = 5 – 15 А/м , что соответствует обработке в

плазменной струе комбинированного разряда. При этом входные характеристики разряда менялись в следующих пределах. Мощность разряда от 1,5 до 2,8 кВт, длительность

ионного тока для трех толщин пленки. Видно, что изменение R0 с увеличением ji носит немонотонный характер.

Существует значение ji, при котором наблюдается максимальное необратимое уменьшение R0. Минимальное значение R0 и соответствующий режим плазменной обработки зависят от толщины пленки. Так, например, у

пленки δ n = 0,12·10–6 R0 после плазменного воздействия уменьшается на 30%, а для δ n = 0,8·10–6 м на 50%. Более толстые пленки (δ n = 0,8·10–6 м) изменяют свое сопротивление существеннее, чем пленки толщиной 0,6·10–6

17

и 0,12·10–6 м. К тому же для них минимум R0 достигается при больших временах обработки.

Рис.4. Зависимость относительного снижения неровностей поверхности металлических пленок от плотности ионного тока (1) и энергии ионов (2), плазмообразующий газ Ar, tобр=900 с

Рис. 5. Зависимость удельного сопротивления металлических пленок от плотности ионного тока в ВЧК плазме аргона (Wi=30 эВ):

tо=300 с, dn=57 нм; 2 - tо=600 с, dn=120 нм; 3 - tо=2000 с, dn=900 нм.

18

R0 в оптимальных режимах изменяется на 50%. Характер зависимостей R0n /R0g для всех толщин покрытий от

режимов обработки однотипен. Различие температуры на подложках при осаждении металлических пленок не влияет на вид зависимости

R0n /R0g = f (t, Wi, ji , δ n ).

Однако в структуре пленок происходят при этом процессы, характерные для термообработки, а именно, наблюдается частичная рекристаллизация. На снимке поверхности пленки (рис. 6а) видны неровности и черные пятна, которые можно классифицировать как примесные дефекты. После обработки плазмой эти неровности и дефекты в зависимости от режима обработки либо уменьшаются, либо исчезают, поверхность становится однородной (рис. 6б).

Рис. 6. Фотографии микроструктуры алюминиевых пленок х28000:а) до обработки, б) после обработки ВЧ плазмой пониженного давления

Таким образом, микроструктура поверхности пленок в результате обработки ВЧИ плазмой пониженного давления существенно изменяется. Полученные данные полностью подтверждают ранее результаты исследований. Эксперименты по изучению структуры покрытий и переходной зоны "покрытие – основной материал"

19

показывают, что в приповерхностных слоях практически всегда имеются готовые зародыши разрушения различной величины и формы. В покрытии концентраторами напряжений являются поры, несплошности на границе с основным материалом, трещины, возникающие в процессе напыления, рыхлые границы между слоями. Поэтому наиболее эффективным методом улучшения характеристик является модификация самого поверхностного слоя либо дополнительная обработка покрытия с целью устранения вышеперечисленных дефектов.

Удельное поверхностное сопротивление проводящих пленок после обработки плазмой имеет одну и ту же величину, независимо от первоначальной температуры подложки. После обработки ТКС составляет 80 – 85% от первоначального значения. Удельное поверхностное сопротивление пленок после плазменной обработки с течением времени не меняется.

Установлено, что обработка плазмой, в зависимости от режима работы плазмотрона, может вызвать как увеличение, так и уменьшение адгезии (рис.7, 8). Зависимость отношения адгезионной прочности обработанных и необработанных плазмой пленок от ji при фиксированном времени обработки

tобр = 900 с носит немонотонный характер. При увеличении времени обработки до tобр = 900 с наблюдается постоянный рост σ АП/σ АПо. Дальнейшее увеличение времени обработки

не приводит к изменению АП. Максимальное увеличение σ АП/σ АПо = 1,8 достигается при том же режиме, при котором наблюдается уменьшение удельного поверхностного сопротивления и ТКС.

Обработка пленок, нанесенных на подложки при

комнатной температуре и имеющих малую АП (106 – 1,5·10 6 Па), позволяет увеличить ее в зависимости от режима работы плазмотрона в 30 – 70 раз. Однако конечные значения σ АП

20