Электронно-лучевое физическое осаждение из газовой фазы

Электронно-лучевое физическое осаждение из паровой фазы , или EBPVD , представляет собой форму физического осаждения из паровой фазы , при которой целевой анод бомбардируется электронным лучом, испускаемым заряженной вольфрамовой нитью в высоком вакууме. Электронный луч заставляет атомы мишени переходить в газовую фазу. Эти атомы затем осаждаются в твердую форму, покрывая все в вакуумной камере (в пределах прямой видимости) тонким слоем анодного материала.

Введение

Нанесение тонких пленок — это процесс, применяемый в полупроводниковой промышленности для выращивания электронных материалов, в аэрокосмической промышленности для формирования термических и химических барьерных покрытий для защиты поверхностей от агрессивных сред, в оптике для придания подложке желаемых отражающих и пропускающих свойств и в других местах. в промышленности для модификации поверхностей с целью придания им различных желаемых свойств. Процесс осаждения можно условно разделить на физическое осаждение из паровой фазы (PVD) и химическое осаждение из паровой фазы (CVD). При CVD рост пленки происходит при высоких температурах, что приводит к образованию агрессивных газообразных продуктов и может оставлять в пленке примеси. Процесс PVD можно проводить при более низких температурах осаждения и без коррозийных продуктов, но скорость осаждения обычно ниже. Однако электронно-лучевое физическое осаждение из паровой фазы обеспечивает высокую скорость осаждения от 0,1 до 100 мкм / мин при относительно низких температурах подложки с очень высокой эффективностью использования материала. Схема системы EBPVD показана на рис. 1.

Процесс нанесения тонкой пленки

В системе EBPVD камера осаждения должна быть вакуумирована до давления не менее 7,5 × 10 ⁻⁵ Торр (10 ⁻² Па ), чтобы обеспечить прохождение электронов из электронной пушки к испаряемому материалу, который может иметь форму слитка или стержня. ^{[ 1 ]} Альтернативно, некоторые современные системы EBPVD используют систему гашения дуги и могут работать при уровне вакуума всего 5,0 × 10. ⁻³ Торр , для таких ситуаций, как параллельное использование с магнетронным распылением. ^{[ 2 ]} В одной системе EBPVD могут одновременно использоваться несколько типов испаряющихся материалов и электронных пушек, каждая из которых имеет мощность от десятков до сотен киловатт. Электронные пучки могут генерироваться термоэлектронной эмиссией , автоэлектронной эмиссией или методом анодной дуги. Генерируемый электронный луч ускоряется до высокой кинетической энергии и направляется на испаряющийся материал. При ударе об испаряющийся материал электроны очень быстро теряют свою энергию. ^{[ 3 ]} Кинетическая энергия электронов преобразуется в другие формы энергии посредством взаимодействия с испаряющимся материалом. Вырабатываемая тепловая энергия нагревает испаряющийся материал, вызывая его плавление или сублимацию. Как только температура и уровень вакуума станут достаточно высокими, из расплава или твердого вещества образуется пар. Полученный пар затем можно использовать для покрытия поверхностей. Ускоряющее напряжение может составлять от 3 до 40 кВ. При ускоряющем напряжении 20–25 кВ и токе пучка в несколько ампер 85% кинетической энергии электронов может быть преобразовано в тепловую энергию. Часть энергии падающих электронов теряется из-за образования рентгеновских лучей и вторичной электронной эмиссии.

Существует три основные конфигурации EBPVD: электромагнитное выравнивание, электромагнитная фокусировка и конфигурация с подвесной каплей. В электромагнитном выравнивании и электромагнитной фокусировке используется испаряемый материал в форме слитка, тогда как в конфигурации с подвесной каплей используется стержень. Слитки помещают в медный тигель или подину. ^{[ 4 ]} при этом стержень будет закреплен одним концом в гнезде. И тигель, и раструб должны быть охлаждены. Обычно это достигается за счет циркуляции воды . В случае слитков на их поверхности может образовываться расплавленная жидкость, которую можно поддерживать постоянной за счет вертикального перемещения слитка. Скорость испарения может составлять порядка 10 ⁻² г/(см ²·с).

Методы испарения материала

Тугоплавкие титана карбиды, такие как карбид титана , и бориды, такие как борид и борид циркония, могут испаряться, не подвергаясь разложению в паровой фазе. Эти соединения осаждаются прямым испарением. В этом процессе эти соединения, спрессованные в виде слитка, испаряются в вакууме сфокусированным пучком электронов высокой энергии, и пары конденсируются непосредственно на подложке.

Некоторые тугоплавкие оксиды и карбиды при испарении электронным лучом подвергаются фрагментации, в результате чего получается стехиометрия, отличная от исходного материала. Например, оксид алюминия при испарении электронным лучом диссоциирует на алюминий AlO ₃ и Al ₂ O. Некоторые тугоплавкие карбиды, такие как карбид кремния и карбид вольфрама, разлагаются при нагревании, а диссоциированные элементы имеют разную летучесть. Эти соединения могут быть нанесены на подложку либо путем реактивного испарения, либо путем совместного испарения. В процессе реактивного испарения металл испаряется из слитка электронным лучом. Пары переносятся химически активным газом, которым является кислород в случае оксидов металлов или ацетилен в случае карбидов металлов. При соблюдении термодинамических условий пары реагируют с газом вблизи подложки, образуя пленки. Пленки карбидов металлов также можно наносить методом совместного испарения . В этом процессе используются два слитка: один для металла, другой для углерод . Каждый слиток нагревается лучами разной энергии, что позволяет контролировать скорость их испарения. Когда пары достигают поверхности, они химически соединяются при соответствующих термодинамических условиях, образуя пленку карбида металла.

Субстрат

Подложка, на которую происходит осаждение пленки, очищается ультразвуком и крепится к держателю подложки. Держатель подложки прикреплен к валу манипулятора. Вал манипулятора перемещается поступательно, регулируя расстояние между источником слитков и подложкой. Вал также вращает подложку с определенной скоростью, так что пленка равномерно осаждается на подложку. постоянное напряжение К подложке можно приложить отрицательного смещения 200–400 В. Часто для предварительного нагрева подложки используются сфокусированные электроны высокой энергии от одной из электронных пушек или инфракрасный свет от ламп нагревателя. Нагревание подложки позволяет увеличить диффузию адатом -подложка и адатом-пленка, давая адатомам достаточную энергию для преодоления кинетических барьеров. Если шероховатая пленка, например металлические наностержни, ^{[ 5 ]} желательно охлаждение подложки водой или жидким азотом может быть использовано для уменьшения срока службы диффузии, положительно укрепляя поверхностные кинетические барьеры. Чтобы еще больше повысить шероховатость пленки, подложку можно установить под большим углом по отношению к потоку для достижения геометрического затенения, когда входящий поток на луче зрения попадает только на более высокие части проявляющей пленки. Этот метод известен как осаждение под скользящим углом (GLAD). ^{[ 6 ]} или осаждение под косым углом (OAD). ^{[ 7 ]}

Ионно-лучевое осаждение

Системы EBPVD оснащены источниками ионов. Эти источники ионов используются для травления и очистки подложек, распыления мишени и контроля микроструктуры подложки. Пучки ионов бомбардируют поверхность и изменяют микроструктуру пленки. Когда реакция осаждения происходит на горячей поверхности подложки, в пленках могут возникнуть внутренние растягивающие напряжения из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения между подложкой и пленкой. Ионы высокой энергии можно использовать для бомбардировки этих керамических термобарьерных покрытий и изменения растягивающего напряжения на сжимающее . Ионная бомбардировка также увеличивает плотность пленки, изменяет размер зерна и модифицирует аморфные пленки в поликристаллические . Ионы низкой энергии используются для поверхности полупроводниковых пленок.

Преимущества

Скорость осаждения в этом процессе может составлять от 1 нм в минуту до нескольких микрометров в минуту. Эффективность использования материала высока по сравнению с другими методами, а этот процесс обеспечивает структурный и морфологический контроль пленок. Благодаря очень высокой скорости осаждения этот процесс имеет потенциальное промышленное применение для изготовления износостойких и термобарьерных покрытий в аэрокосмической промышленности, твердых покрытий для режущей и инструментальной промышленности, а также электронных и оптических пленок для полупроводниковой промышленности и тонких пленок для солнечной энергетики.

Недостатки

EBPVD — это процесс осаждения на линии прямой видимости, выполняемый при достаточно низком давлении (примерно <10 ⁻⁴ Торр). Поступательное и вращательное движение вала помогает покрыть внешнюю поверхность сложной геометрии, но этот процесс нельзя использовать для покрытия внутренней поверхности сложной геометрии. Другая потенциальная проблема заключается в том, что деградация нити в электронной пушке приводит к неравномерной скорости испарения.

Однако когда осаждение из паровой фазы выполняется при давлении примерно 10 ⁻⁴ Торр (1,3 × 10 ⁻⁴ гПа) или выше, происходит значительное рассеяние облака пара, так что поверхности, находящиеся вне поля зрения источника, могут быть покрыты. Строго говоря, медленный переход от лучевой видимости к рассеянному осаждению определяется не только давлением (или средней длиной свободного пробега), но и расстоянием от источника до подложки.

Некоторые материалы не подходят для испарения с помощью EBPVD. Следующие справочные материалы предлагают подходящие методы испарения для многих материалов:

Vacuum Engineering & Materials Co., Inc. Архивировано 12 мая 2013 г. в Wayback Machine.
Компания Курта Дж. Лескера .

Также см. Оксфордское руководство по испарению элементов .

См. также

Электронно-лучевая технология

Ссылки

^ Харша, К.С. С., «Принципы физического осаждения тонких пленок из паровой фазы», Elsevier, Великобритания (2006), стр. 400.
^ http://telemark.com/electron_beam_sources/arc_suppression.php?cat=1&id=Arc+Suppression+Sources . Архивировано 12 декабря 2012 г. в Wayback Machine.
^ Джордж, Дж., «Приготовление тонких пленок», Marcel Dekker, Inc., Нью-Йорк (1992), стр. 13–19.
^ Маду, М.Дж., «Основы микропроизводства: наука о миниатюризации», 2-е изд., CRC Press (2002), стр. 135–6.
^ Кесапрагада, СВ; Виктор, П.; Наламасу, О.; Галл, Д. (2006). «Датчики давления нанопружин, выращенные путем осаждения под углом скольжения». Нано-буквы . 6 (4). Американское химическое общество (ACS): 854–857. Бибкод : 2006NanoL...6..854K . дои : 10.1021/nl060122a . ISSN 1530-6984 . ПМИД 16608297 .
^ Робби, К.; Бретт, MJ (1997). «Скульптурные тонкие пленки и осаждение под скользящим углом: механика роста и приложения». Журнал вакуумной науки и технологий A: Вакуум, поверхности и пленки . 15 (3). Американское вакуумное общество: 1460–1465. Бибкод : 1997JVSTA..15.1460R . дои : 10.1116/1.580562 . ISSN 0734-2101 .
^ Дрискелл, Джереми Д.; Шанмукх, Саратчандра; Лю, Юнджун; Чейни, Стивен Б.; Тан, X.-J.; Чжао, Ю.-П.; Длуи, Ричард А. (2008). «Использование ориентированных массивов серебряных наностержней, полученных методом осаждения под наклонным углом, в качестве подложек для комбинационного рассеяния света с улучшенной поверхностью». Журнал физической химии C. 112 (4). Американское химическое общество (ACS): 895–901. дои : 10.1021/jp075288u . ISSN 1932-7447 .

См. также

Д. Вулф, Диссертация (Ph.D), Диссертация 2001dWolfe,DE, Синтез и определение характеристик многослойных покрытий TiC, TiBCN,TiB ₂ /TiC и TiC/CrC методами реактивного и ионно-лучевого электронно-лучевого физического осаждения из паровой фазы (EB- PVD) Университет штата Пенсильвания, 1996 г.
Мовчан, Б.А. (2006). «Поверхностная инженерия». 22 (1): 35–46. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
Вулф, Д.; Дж. Сингх (2000). «Технология поверхностей и покрытий». 124 : 142–153. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[1] Харша, К.С. С., «Принципы физического осаждения тонких пленок из паровой фазы», Elsevier, Великобритания (2006), стр. 400.

[2] ttp://telemark.com/electron_beam_sources/arc_suppression.php?cat=1&id=Arc+Suppression+Sources . Архивировано 12 декабря 2012 г. в Wayback Machine.

[3] Джордж, Дж., «Приготовление тонких пленок», Marcel Dekker, Inc., Нью-Йорк (1992), стр. 13–19.

[4] Маду, М.Дж., «Основы микропроизводства: наука о миниатюризации», 2-е изд., CRC Press (2002), стр. 135–6.

[5] Кесапрагада, СВ; Виктор, П.; Наламасу, О.; Галл, Д. (2006). «Датчики давления нанопружин, выращенные путем осаждения под углом скольжения». Нано-буквы . 6 (4). Американское химическое общество (ACS): 854–857. Бибкод : 2006NanoL...6..854K . дои : 10.1021/nl060122a . ISSN 1530-6984 . ПМИД 16608297 .

[6] Робби, К.; Бретт, MJ (1997). «Скульптурные тонкие пленки и осаждение под скользящим углом: механика роста и приложения». Журнал вакуумной науки и технологий A: Вакуум, поверхности и пленки . 15 (3). Американское вакуумное общество: 1460–1465. Бибкод : 1997JVSTA..15.1460R . дои : 10.1116/1.580562 . ISSN 0734-2101 .

[7] Дрискелл, Джереми Д.; Шанмукх, Саратчандра; Лю, Юнджун; Чейни, Стивен Б.; Тан, X.-J.; Чжао, Ю.-П.; Длуи, Ричард А. (2008). «Использование ориентированных массивов серебряных наностержней, полученных методом осаждения под наклонным углом, в качестве подложек для комбинационного рассеяния света с улучшенной поверхностью». Журнал физической химии C. 112 (4). Американское химическое общество (ACS): 895–901. дои : 10.1021/jp075288u . ISSN 1932-7447 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]