Министерство Образования Республики Беларусь

Белорусский Государственный Университет

Факультет Радиофизики и Компьютерных Технологий

Кафедра физической электроники и нанотехнологий

Магнетронное нанесение покрытий TiCrN

в условиях малоразмерного катода

Курсовая работа студента 4 курса

Двораковского С.В.

Руководитель: кандидат физ.-мат. наук,

доцент кафедры ФЭ и нанотехнологий

Бурмаков А. П.

Минск, 2011

Содержание:

Введение…………………………………………………………………………...3

1. Магнетронная технология нанесения пленочных покрытий..……….……...4

1.1. Магнетронные распылительные системы……………………………….4

1.2. Реактивное магнетронное распыление…………………………………8

2. Алгоритмы и системы управления процессами реактивного магнетронного осаждения………………………………………………………………………..13

3. Магнетронное нанесение покрытий TiCrN в условиях малоразмерного катода……………………………………………………………………………..16

3.1. Экспериментальная установка…………………………………………..16

3.2. Методика нанесения покрытий Ti-Cr-N c помощью контролируемого

магнетронного распыления……………………………………………...17

3.3. Методика нанесения переходного слоя на основе TiCrN_x c помощью контролируемого магнетронного распыления………………………………..22

Заключение……………………………………………………………………….26

Список литературы………………………………………………………………27

Введение.

Покрытия типа Ti-B-N из-за своих физических и химических свойств нашли широкое применение в промышленности для повышения работоспособности различных изделий, где в качестве легирующих элементов используются Zr, Mo, Cr, Al, Si и др.

Введение в состав пленки нитрида титана третьего компонента позволяет повысить физико-механические свойства и значительно расширить область применения защитных покрытий. Большой интерес к системе Ti-В-N связан, в первую очередь, с тем, что пленки обладают высокими значениями твердости, термической стабильностью, стойкости к окислению при высоких температурах и сопротивлением абразивному износу.

Наноструктурные пленки в системе Ti-B-N также обладают целым рядом важных эксплуатационных характеристик: высокой твердостью, термической стабильностью вплоть до 1000^оС в вакууме, повышенной жаростойкостью, износо- и коррозионной стойкостью, устойчивостью к ударным воздействиям, высокими значениями электросопротивления.

Введение легирующих элементов Al, Si и Cr в состав защитных покрытий позволяет добиться сочетания высокой твердости и износостойкости с относительно низким коэффициентом трения.

Наиболее распространенными методами нанесения пленок типа Ti-B-N являются: магнетронный, вакуумно-дуговой, плазменно-детонационный. Основное преимущество магнетронного метода заключается в том, что он позволяет получать бездефектные плотные пленки заданного состава, с размерами зерен от нескольких нанометров до десятков микрометров, обеспечивающие такие уникальные свойства, как коррозионная стойкость и высокая износоустойчивость, термостойкость.

Цель работы:

1.Разработать методику магнетронного формирования пленок TiCrN с адгезионным подслоем TiCrN_х (0≤х≤1).

1. Магнетронная технология нанесения пленочных покрытий.

1.1. Магнетронные распылительные системы.

Магнетронные распылительные системы (МРС) считаются наиболее перспективными устройствами для нанесения тонкопленочных покрытий сложного химического состава, в частности, оксидов, нитридов, карбидов, карбонитридов и т.д. различных материалов. Достоинствами таких устройств является: относительно высокие скорости нанесения, высокая адгезия покрытия, возможность получения равномерных по толщине покрытий на большой площади подложки, возможность получения пленок химических соединений заданного состава.

Рис.1.1. Схема магнетронной распылительной системы.

Принцип работы магнетронных распылительных систем основан на физическом распылении материала мишени (катода) в тлеющем газовом разряде в скрещенном электрическом и магнитном полях. Особенности функционирования магнетронных распылительных систем (МРС): наличие скрещенных электрического и магнитного полей; локализация электронов в области катода (обусловлено максимальной напряженностью магнитного и электрического полей в области катода); увеличение степени ионизации плазмы разряда за счет увеличения длины траектории электронов.

Нанесение тонких пленок методом магнетронного распыления основано на следующих физических принципах. Тлеющий разряд на постоянном токе зажигается между катодом и анодом в среде инертного газа (чаще всего аргона) при пониженном давлении 0,1 – 1 Па. Такая величина давления выбирается из условия, что длина свободного пробега электронов плазмы разряда значительно меньше расстояния катод – анод. Это приводит к непрерывному возобновления заряженных частиц (электронов и ионов) в разряде путем ударной ионизации нейтральных атомов в электрон-атомных столкновениях. При отсутствии магнитного поля ионы аргона ускоренно движутся к катоду, приобретая энергию, близкую к разности потенциалов катод – анод. При разности потенциалов в сотни вольт – единицы кВ происходит интенсивное физическое распыление катода. Распыленные нейтральные частицы материала катода, покидая катод с энергией единицы – десятки эВ, осаждаются на подложку или стенки вакуумной камеры, образую там пленочное покрытие. Относительно большая энергия распыленных частиц по сравнению с энергией частиц при термическом испарении вносит свои особенности в процесс формирования покрытия.

Относительно высокая энергия конденсирующихся частиц и наличие активирующего воздействия на подложку (основной вклад вносит ионная бомбардировка) привели к следующим особенностям формирования пленок:

- образование переходного слоя (ПС) на границе раздела пленка подложка;

- сплошные пленки образуются при их минимальных толщинах, причем обладают меньшим размером зерен и большей плотностью, чем термически нанесенные;

- рост пленки происходит при любой плотности потока конденсирующихся частиц на подложку.

Образование ПС, т. е. отсутствие резкой границы между материалом пленки и подложки, обусловлено частичным внедрением распыленных частиц в подложку, наличие ПС приводит к высокой адгезии пленки. При образовании ПС происходит изменение электрофизических параметров контакта. Можно получить невыпрямляющие контакты к легированным полупроводникам без высокотемпературной обработки, снизить переходное сопротивление контакта. Указанные выше особенности формирования пленок обусловлены активирующим воздействием плазмы, приводящим к высокой плотности зародышеобразования на поверхности подложки.

При наложении на плазму разряда магнитного поля (рис.1.1.) в области катода возникают зоны со скрещенными магнитным и электрическим полем. Величина магнитного поля выбирается из условия: ларморовский (циклотронный) радиус вращения электронов значительно меньше расстояния катод – анод. Это соответствует индукции магнитного поля 0,02 – 0,08 Тл. Электроны плазмы, а также электроны, эмитированные из катода в результате ион-электронной эмиссии, попадают в ловушку. Траектория их движения к аноду резко увеличивается. Это приводит к возрастанию числа электрон-атомных столкновений и в результате к возрастанию степени ионизации (числа ионов и электронов) и возбуждения плазмы в зонах скрещенных полей. В итоге возрастает ионный поток на катод, скорость распыления катода и скорость осаждения покрытия. В тоже время магнитное поле практически не влияет на характер движения ионов, так как их ларморовский радиус при указанных индукциях намного больше расстояния катод – анод.

Скорость распыления возрастает с увеличением мощности разряда и имеет максимум в зависимости от давления инертного газа. Максимум достигается при давлениях 0,5 - 0,8 Па. Рост скорости с изменением давления от 0,1 до 0,5 Па обусловлен ростом плотности ионного потока на поверхность мишени. Спад при давлениях выше 0,8 Па связан с увеличением вероятности возвращения распыленных атомов на мишень в результате процесса обратного рассеяния (отражения) на атомах инертного газа. Главным фактором, ограничивающим скорость распыления, является максимальный поток мощности, который может быть подан на мишень, не вызывая ее плавления. Для металлов с хорошей теплопроводностью допустимая плотность мощности определяется возможностями водяного охлаждения мишени и может составлять до сотен Вт/см², что соответствует скорости распыления 1 – 5 мкм/мин.

Нейтральные атомы аргона движутся хаотически, сталкиваясь между собой, стенками камеры, катодом, анодом и подложкой, так как на их движение поля не действуют.

Следует отметить, что процессы магнетронного распыления относятся к низкотемпературным, т. е. температура подложки в процессе осаждения лежит в интервале 50 – 200С в зависимости от условий процесса. Дополнительный нагрев подложки внешними источниками является еще одним фактором управления свойствами пленок.

Требования к минимуму внутренних механических напряжений пленок можно удовлетворить подачей смещения на подложку (потенциала относительно анода). Изменяя величину смещения можно получить как растягивающие, так и сжимающие напряжения [1]. Смещение, при котором напряжения минимальны, строго индивидуально для данного металла. Кроме этого, величина и тип напряжения в пленке определяются давлением рабочего газа в процессе осаждения и в меньшей мере скоростью осаждения.