ВЧ плазменная модификация поверхности диэлектрических материалов и тонкопленочных покрытий (90

при осаждении покрытия на "холодную" и "горячую" подложки совпадают.

Измерения термических напряжений до и после плазменного воздействия показывают, что при малых исходных значениях (близких к нулю) их величина после обработки практически не изменяется. При больших исходных значениях термических напряжений наблюдается уменьшение этой величины в 3 раза.

Электроннографические исследования пленок до и после плазменного воздействия показали, что в исходном состоянии тонкопленочное алюминиевое покрытие состоит из AI и окcидной пленки γ – AI 2O3. После плазменной обработки

наряду с AI и γ – AI 2O3, появляется высококотемпературная пленка γ – AI 2O3 ивопределенных режимах AIО[ОН].

Принципиальным отличием данного вида обработки от существующих является то, что улучшение электрофизических параметров происходит при взаимодействии плазмы с пленками сразу же после их напыления и после того, как они находились длительное время под влиянием атмосферных факторов. Плазменная обработка пленок, полученных при температуре подложки 393 К, не приводит к рекристаллизации.

Алюминиевые пленки с улучшенными за счет обработки ВЧ плазмой свойствами применялись в качестве обкладок тонкопленочных конденсаторов. В зависимости от толщины

2

. Относительная диэлектрическая проницаемость изменяется

взависимости от скорости подачи порошка от 2,3 до 3,5, tg

δп1 от 0,01 до 0,05. Среднее значение ТКС конденсаторов

–3

составляет 34·10 . Электрическая прочность конденсаторов

8

составляет 10 В/м, а процент выхода годных конденсаторов равняется 100.

Взаимодействие аргоновой плазмы с диэлектрическими слоями проводилось при тех же режимах, что и с

22

металлическими покрытиями при tобр = 300 – 3600 с.

Плазменному воздействию подвергались как отдельные слои, так и каждый напыленный слой без снятия вакуума в случае получения многослойного покрытия. При этом исследовались структура поверхностного слоя и адгезионная прочность для покрытий, применяемых в оптических изделиях.

Структура поверхности изучалась под электронным микроскопом "TESLA-BS-500". Установлено, что после плазменной обработки поверхность становится однородной. Воздействие потока неравновесной низкотемпературной плазмы на образцы с диэлектрическими покрытиями позволяет уменьшить коэффициент рассеяния в 2,5 раза. При этом удается достигнуть значения σ АП = 0,1%.

Режим плазменной обработки диэлектрических покрытий на диэлектрических подложках на 15% “ сильнее", чем при обработке металлических пленок, и составляет Wi = 30 эВ,

–2

ji = 5 А·м . Режим обработки диэлектрических покрытий на

металлических подложках практически не отличается от режима модификации металлических покрытий: Wi = 30 эВ,

–2

ji = 9 А·м .

Адгезионная прочность пленок после плазменного воздействия возросла в этих режимах в 1,8 раза. Аналогичные результаты получены при обработке многослойных покрытий, когда плазменному воздействию подвергался каждый слой. Это позволило получить интерференционную систему с улучшенными характеристиками: с адгезионной прочностью 100 МПа, σ расс. = 0,08. Создание

высококачественного многослойного покрытия со сроком службы в 2 раза больше, чем без плазменной обработки, базируется на улучшении структуры каждого слоя, повышении АП и регулировании напряжениями, возникающими в пленке.

Базируясь на разработанной ранее физической модели, опишем полученные зависимости изменения электрических и

23

механических свойств тонких пленок при обработке их ВЧ плазмой. Ионная бомбардировка поверхности тонких пленок приводит к сильному возбуждению решетки, эквивалентному локальному повышению температуры. За счет локального оплавления и распыления поверхность становится однородной. При этом происходит "залечивание" микропор и микротрещин и миграция атомов примеси: часть из них выходит на поверхность и испаряется, другая – вступает в реакции на дислокациях, третья – объединяется в более крупные агрегаты .

Сопротивление металлических пленок за счет такой модификации поверхности уменьшается. Однако при ионной бомбардировке поверхности происходит увеличение точечных дефектов, что приводит к повышению электросопротивления. При плазменной обработке имеет место и температурное воздействие, что также влечет за собой изменение свойств пленки, в частности, уменьшение R0

иувеличение σ АП. Следовательно, при плазменной

обработке реализуются три процесса, один из которых приводит к увеличению, два других к уменьшению электропроводности.

Следует отметить, что в процессе обработки температура меняется и большую часть времени она меньше температуры отжига. Кроме того, длительность обработки образца плазмой меньше продолжительности проведения отжига. Поэтому полигонизация и рекристаллизация при обработке плазмой пленок в режимах, обеспечивающих максимальное уменьшение R0, играют значительно меньшую роль, чем

образование точечных дефектов и улучшение структуры пленки за счет нейтрализации ионов на поверхности и распыления. Экспериментальным подтверждением отсутствия отжига является сохранение мелкозернистой структуры пленок после плазменного воздействия и уменьшение ТКС. В процессе отжига уменьшение R0

24

сопровождается образованием крупнозернистой структуры и увеличением ТКС .

Число ионов, бомбардирующих пленку, увеличивается с ростом плотности ионного тока. Миграция атомов примеси повышается, что приводит к улучшению структуры пленки. При дальнейшем увеличении ji процесс термообработки

становится доминирующим, что приводит к выгоранию покрытия, и электросопротивление пленки резко возрастает.

Поведение ТКС, подобно проводимости, зависит от микроструктурных особенностей пленки. Чем совершеннее структура (чем ближе она к структуре массивного образца), тем выше ТКС пленок. Основной вклад в электросопротивление пленки при повышении температуры вносит рассеяние носителей заряда на тепловых колебаниях решетки, зависящих от дефектов структуры. Обработка плазмой алюминиевых пленок приводит к уменьшению примесных дефектов и увеличению числа точечных дефектов. Последние играют основную роль в изменении ТКС.

При плазменном воздействии зависимость АП системы "алюминиевая пленка – ситалл" от температуры носит немонотонный характер. Максимальное значение σ АП

достигнуто при длительности обработки tобр = 15 мин, Ттт = 588 К, ji= 9 А/м2. Уменьшение адгезионной прочности при малых и больших плотностях ионного тока (ji< 5 А/м и ji>15 А/м2) можно связать с бомбардировкой пленки ионами.

При малых ji обработка малоэффективна, а при больших значениях jiчисло точечных дефектов возрастает, структура

за счет перегрева становится менее совершенной, что ухудшает физическую сорбцию.

Увеличение АП можно объяснить следующим образом. Проводящие металлы являются легко окисляющимися материалами, поэтому адгезия между ними и подложкой осуществляется через промежуточный слой оксида металла], а также за счет изменения структуры пленки. В результате

25

плазменной обработки появляется новая фаза γ – Аl2O3.

Газовые включения, находящиеся в пленке и подложке, диффундируют к поверхности "пленка – подложка". Слой из Аl2O3 увеличивается, что приводит к возрастанию АП.

Формирование фазы γ – Аl2O3 и рост переходного слоя прекращаются при tобр = 15 мин.

Закономерности процесса модификации поверхностей при плазменной обработке диэлектрических, полупроводниковых и гранатовых пленок объясняются аналогично.

4. Выводы

Анализ результатов обработки неравновесной низкотемпературной плазмой неорганических диэлектриков и тонкопленочных покрытий позволяет сделать следующие выводы:

1. Режимы плазменной модификации в ВЧЕ разряде пониженного давления, при которых происходит

максимальная полировка: Wi = 90 эВ, ji= 2,5 А·м–2 ; очистка:

Wi = 8 эВ, ji = 1,5 А·м–2 ; очистка и активация органических диэлектриков: Wi = 50 эВ, ji= 1,0 А·м–2 .

2. Физическая сущность процесса модификации неравновесной низкотемпературной плазмой диэлектриков и металлов едина и заключается в воздействии на поверхность потока низкоэнергетических ионов.

3. Плазменная обработка в ВЧЕ разряде пониженного давления уменьшает коэффициент рассеяния от 2 до 10 раз, увеличивает прозрачность стекол в 1,5 раза, позволяет достичь класс шероховатости выше 14 без дефектного слоя, что другими методами осуществить невозможно.

4. Производительность процесса плазменной модификации в 3 – 10 раз выше традиционных методов обработки, при этом достигаются такие значения характеристик поверхности, которые другими способами достичь невозможно.

26

5. Обработка в ВЧ разрядах пониженного давления является самым эффективным способом активации полимеров по сравнению с другими методами плазменной модификации. При этом адгезионная прочность в 1,5 раза выше, чем при активации в тлеющем разряде. Наилучший эффект достигается при обработке в азотной плазме.

6. Обработка порошка синтетических алмазов позволила увеличить срок службы алмазированного инструмента в 2 раза, ускорить процесс алмазирования в 1,5...2 раза. Впервые разработаны два новых метода модификации порошка синтетических алмазов – отбраковка и измельчение, которые дополнительно позволяют повысить срок службы алмазированного инструмента.

7. Процесс получения покрытий с помощью ВЧ плазмотронов низкого давления является разновидностью взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с поверхностями твердых тел. Наиболее эффективно проводить обработку тонкопленочных покрытий с помощью плазменной струи комбинированного разряда при варьировании основных обобщенных параметров обработки в следующем диапазоне Wi = 30 – 50 эВ, ji= 5 – 15 А·м–2 .

8. Плазменное воздействие в процессе получения пленок позволяет получать тонкопленочные покрытия толщиной до 50 мкм, с повышенными физико-механическими и физико- химическими свойствами (плотностью, близкой к плотности

объемного материала, адгезионной прочностью не менее 108

– 10 9 Па, с характерным для диффузионных покрытий переходным слоем в основе материала, улучшенной структурой поверхности).

С помощью ВЧ плазмы пониженного давления можно получить качественные тонкие пленки двуокиси кремния, сернистого цинка, халькогенидных стекол, ситалла, AI2O3,

Si, Ge, B4C, TiN, TaC. Толщина получаемых пленок

достигает 50 мкм. Максимальная неравномерность толщин полученных пленок составляет около 0,5%. Все виды

27

полученных пленок по механической прочности относятся к нулевой группе. Нанесение пленок с помощью

высокочастотной плазмы идет со скоростью 10–2 мкм/с и более.

9.Плазменная модификация поверхности пленок позволяет улучшить их электрофизические и физико- механические свойства, а также уменьшать неровности их поверхности и повышать их однородность и за счет этого увеличивать показатель преломления, уменьшать коэффициент рассеяния, увеличивать срок службы покрытий

в2 раза.

10.Плазменная обработка неравновесной ВЧ плазмой является единственным видом модификации, позволяющим улучшать свойства покрытий после их хранения без вакуума.

Воздействие плазменной струей по сравнению с существующим методом прецензионной подгонки параметров является наиболее производительным, экономичным и позволяет плавно (в отличие от лазерной обработки) изменять параметры тонкопленочных структур.

28

Литература

1.Сагбиев И.Р. Исследование характеристик ВЧ плазмы пониженного давления в процессах обработки конструкционных материалов. Казань: изд-во Каз. гос. технол.ун-та, 2007. 44 с.

2.Сагбиев И.Р. ВЧ плазменная модификация поверхностных нанослоев металлов. Казань, изд-во Каз. гос. технол. ун-та, 2007. 65 с.

29