1.4.2 Численное моделирования процессов теплопередачи при облучении пучками заряженных частиц.

В работе [30] предложена математическая модель решения краевой задачи для описания процессов теплообмена и фазовых превращений в слое вещества под воздействием внешнего теплового потока q. Уравнение теплопроводности

дополняется граничными условиями:

– при воздействии внешнего теплового потока

где n – единичный вектор внешней нормали к границе;

– при плавлении ;

– при наличии идеального теплового контакта между покрытием и подложкой ;

– отсутствие теплообмена с внешней средой на границе ;

– начальные условия для момента времени t=0: .

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 4

Тема 1. Ионно-плазмешюе осаждение слоев ..5

1. Стимулированное плазмой осаждение пленок оксидов 5

2. Плазмохимичсское осаждение пленок нитридов 18

3. Электроискровое нанесение слоев 27

Тема 2. Применение ионной имплантации 42

1. Особенности ионной технологии 42

2. Применение ионного легирования в нланарной технологии 50

2.3. Имплантация примеси в многослойные гетсрокомпозипии ...64 Тема 3. Особенности применения электронных процессов в электронике 71

1. Перспективы электронной технологии в электронике 71

2. Температурное поле в зоне обработки электронами 81

Тема 4. Литографические методы в микро- и наноэлектроникс 86

1. Возможности оптической лито1рафии 86

2. Электронно-лучевая литография 98

3. Голографическая и рентгеновская литография 105

4. Ионно-лучевая литография 116

5. Ограничения процессов в литографии 120

6. Примеры получения устройств микро- и наноиндустрии.... 129

Заключение 154

Библиографический список 155

з

ПРЕДИСЛОВИЕ

Разработка современных и перспективных устройств микро- и на-ноэлсктроники, микросистемной техники практически невозможна без использования направленных потоков частиц и излучений, а так­же плазмы электрического разряда для получения пленочных мате­риалов, многослойных гетерокомпозиций и заданного топологиче­ского рисунка.

Настоящий курс лекций является продолжением курсов «Физика взаимодействия частиц и излучений с веществом» и «Ионно-плазменная обработка материалов», успешное освоение которых не­обходимо для понимания и освоения данного курса.

Особенностью настоящего курса лекций является то, что здесь рассматриваются уже физико-технологические принципы примене­ния ускоренных частиц и излучений для разработки устройств нано-электроники и микросистемной техники.

Рассматриваются закономерности ионно-плазмеиного осаждения пленок, особенности применения ионной имплантации, электронного воздействия на материалы.

Анализируются и сопоставляются основные известные литогра­фические методы создания устройств микро- и наноиндустрии.

Тема 1. Ионно-плазменное осаждение

СЛОЕВ

1.1. Стимулированное плазмой осаждение пленок оксидов

В настоящее время различают несколько методов ионного и ионно-плазменного нанесения тонких пленок:

• ионно-плазменное, основанное на применении электрического разряда в атмосфере инертного газа, при котором мишень и подлож­ка играют роль электродов;

• реактивное ионно-плазменное, основанное на химическом взаимодействии распыляемых из мишени атомов с активным газом, введенным в виде добавки к инертному газу;

• плазмохимическое, основанное на использовании эффектов ус­корения химических реакций в поле плазмы тлеющего разряда;

• ионное и ионно-лучевое, основанное на осаждении инжекти­руемых источником ионов атомов мишени на подложку;

• плазменно-дуговое, основанное на использовании плазмы электродугового разряда.

В технологии полупроводниковых интегральных схем (ИС) в за­висимости от назначения требуется формировать пленки следующих типов:

1. металлизирующее контактное покрытие, которое должно иметь низкие собственные механические напряжения, воспроизводимую технологию осаждения, высоту потенциального барьера на кремнии p- и n-тинов не более 0,5 эВ. а также должно быть металлургически стабильно, обладать низким сопротивлением контактов и хорошей совместимостью с вышележащим изолирующим слоем и межслойной изоляцией;

2. металлизирующее покрытие затвора, которое должно отличать­ся более высокой проводимостью, чем сильнолегированный поликремний, иметь воспроизводимое напряжение плоских зон в контак­те с тонким затворным оксидом, не должно реагировать с затворным оксидом;

3. межэлементная изоляция. Изолирующие пленки должны иметь прочную связь с поверхностью, противостоять электромиграции и коррозии, эффективно покрывать ступенчатый рельеф, типичный для структур после химической и плазменной обработки, и в то же время должны позволять вести контролируемое травление узких линии с шириной менее 0,5 мкм;

4. диэлектрические материалы для защиты и пассивации кристал­ла. Они должны иметь низкие собственные механические напряже­ния, малую плотность проколов, хорошее покрытие ступенчатого рельефа, управляемую скорость травления;

5. металлизация для присоединения кристалла. Пленка для кон­тактов должна обладать высокой надежностью и возможностью про­изводства ультразвуковой микросварки золотых и алюминиевых выводов.

Кроме этих тонких слоев, в технологии полупроводниковых ИС получили применение и тонкие пленки из материалов со специаль­ными свойствами, основанными на использовании оптических, маг­нитных, акустооптических, сверхпроводящих и других эффектов.

Ионно-плазменное нанесение включает в себя процессы создания пленок в вакууме на полупроводниковых и диэлектрических под­ложках, в которых необходимый для получения пленки материал пе­реводится из твердой фазы в газовую распылением мишени энерге­тическими ионами инертных газов. При этом источником энергети­ческих ионов является низкотемпературная плазма. Распыленные энергетическими ионами частицы (атомы и ионы), осаждаясь на по­верхность подложки, формируют пленку материала.

Процесс ионно-плазменного нанесения тонких пленок является комплексным и состоит из нескольких этапов, основными из кото­рых являются: ионизация рабочего газа, бомбардировка и распыле­ние энергетическими ионами материала мишени, перенос распылен­ного материала в пространстве мишень- подложка, осаждение рас­пыленного материала па подложке. Основным параметром процесса ионно-плазменного нанесения является скорость осаждения v^, оп­ределяемая соотношением

, (1.1)

Скорость распыления v_p, в свою очередь, является сложной функ­цией энергии и распределения по энергиям бомбардирующих ионов и имеет от них интегральную зависимость

, (1.2)

энергиям плотности тока ионов, бомбардирующих мишень.

Сопоставляя оба выражения, получаем, что скорость осаждения изменяется по закону двойного интеграла:

(1.3)

Каждый из параметров влияет на совокупную скорость ионно-плазменного нанесения. Еще в боль­шей степени параметры влияют на качество получаемых пленок. Распыленные под действием ионов частицы имеют нейтральный электрический заряд. Как правило, это молекулы или нейтральные атомы. Степень ионизации распыленных частиц мала и не превыша­ет 1 %. Когда ионная бомбардировка перпендикулярна плоскости мишени, то частицы скорее всего распыляются в перпендикулярном направлении от мишени. При энергиях ионов от 1 до 3 кэВ распреде­ление распыленных частиц близко к закону Ламберта - Кнудсена (закону косинуса).

При термическом испарении атомов существует закон распреде­ления атомов по скоростям, при котором максимальное значение скорости составляет примерно 1 км/с. Это соответствует энергии частиц примерно 2эВ. При катодном распылении скорость распы­ленных атомов близка к 3,5 км/с, что соответствует энергии частиц 4 эВ, но некоторая часть частиц достигает скорости 5 км/с и выше (~ 25 эВ).

Из табл. 1.1 видно, что распыленные ионами атомы попадают на подложку с энергией, которая существенно превышает энергию ато­мов при термическом испарении. Следовательно, энергия распылен­ных атомов достаточна, чтобы на поверхности подложки вызвать десорбцию слабо адсорбированных молекул газов и тем самым осу­ществить частичное обезгаживание поверхности. Некоторая часть распыленных атомов, обладающих высокой энергией (50... 100 эВ). способна распылять материал подложки, происходит также образо­вание зародышей материала мишени. При ионном распылении зародыши равномерно распределены по поверхности и их распределение мало зависит от состояния поверхности. Образование зародышей и рост покрытий при ионном распылении осуществляется более или менее одинаково, как и при термическом испарении. Однако следует отметить две особенности ионно-распыленных покрытий:

• благодаря равномерному распределению и большой плотности зародышей сплошной слой образуется при меньшей толщине покры­тия поверхности;

• вследствие большой плотности зародышеобразования зерна (кристаллиты) в распыленных покрытиях, как правило, меньше, чем в термически напыленных пленках.

Таблица Li

Энергии и скорость распыленных частиц (энергия ионов 1...3 к»В)

Материал мишени	Энергия атомов	Средняя скорость	Наиболее вероятная
	при выходе из	распыленных	энергия атомов в
	мишени. )В	атомов, км/с	потоке. чВ
Ли	21	4.7	2.5
Be	7	11	6.3
Л!	0	9.3	3,5
Si	10	8	2.6
Ti	13,6	7,4	4
V	11	6.5	2,5
Сг	13.2	7.1	3.4
Со	12	6.4	3.2
Ni	17,5	7,5	2,8
Си	9.2	5,4	1,8
Мо	22	6,5	4.8
Ag	33,5	6	7.8
Та	34,5	6	7.8
VV	39.5	6.4	9,6

Считается, что благодаря этим особенностям пленки, полученные ионным распылением, имеют лучшую адгезию к подложке, чем по­крытия, полученные термическим испарением. Очень часто получа­ются даже аморфные пленки. Если же нагревать покрытие во время распыления или после него, то можно наблюдать увеличение размера зерна до 1 мкм. Пленки, получаемые ионным распылением, растут неравномерно. В связи с шероховатостью подложки, теневыми эф­фектами и распределением центров зародышеобразования вещество главным образом осаждается в перпендикулярном направлении к подложке. Поэтому для таких пленок возможно образование столб­чатой структуры, которая зависит от температуры и давления рабочего газа. Чем выше давление, тем меньше плотность столбцов и тем меньше плотность пленки, а чем выше температура, тем больше диаметр столбцов и выше их плотность в структуре. Следует отме­тить, что существует некоторое оптимальное давление газа, опреде­ляющее наиболее эффективный режим нанесения. Давление, при ко­тором достигаются наивысшие скорости процесса ионно-плазменного распыления, определяется совокупностью противодей­ствующих факторов. С увеличением давления, с одной стороны, рас­тет плотность тока ионов, соударяющихся с мишенью под углами, отличающимися от нормального, в результате чего происходит уве­личение коэффициента распыления. С другой стороны, энергия ио­нов теряется в столкновениях с атомами среды, скорость распыления надает, растет вероятность столкновений распыленных атомов с час­тицами газа. Столкновения и ионизация атомов электронами плазмы могут привести к режиму самораспыления, при котором ускоренные электрическим полем в направлении мишени ионы распыленного ма­териала сами распыляют материал. Устойчивый режим самораспыле­ния легко достигается при распылении меди и алюминия, причем ко­эффициент самораспыления меди в 2,5 раза выше, чем алюминия.

При реактивном ионно-лучевом и реактивном ионно-илазменном нанесении пленок используется эффект повышения химической ак­тивности молекул реактивного газа в разряде и эффект энергетиче­ской активации поверхности. При этом, по крайней мере, один из компонентов в составе получаемых на подложках пленок вводится в рабочую камеру в виде газа. Меняя состав и давление реактивного газа, можно получать в виде тонких пленок различные сложные со­единения. Химическое соединение распыляемого материала и реак­тивного газа может образоваться как на поверхности мишени и рас­тущей пленки, так и внутри потока распыляемых частиц. Существует некоторое критическое давление реактивного газа, при котором об­разование химического соединения идет на поверхности мишени. В этом случае распыляется не исходный материал, а новое соединение. При достижении критического значения давления происходит резкое падение скорости распыления. Это связано с более высокой, чем в структуре исходного нанокомпонентного материала, энергией связи атомов материала в соединении. Например, атомы алюминия в ком­пактном материале имеют энергию связи на уровне 5 эВ, а в струк­туре оксида алюминия энергия связи достигает 19 эВ. Объяснить на­блюдаемое падение скорости ионно-плазменного распыления приувеличении парциального давления реактивного газа, например ки­слорода, возможно на основе кинетической теории газов.

Число молекул кислорода, поступающих на поверхность распы­ляемой мишени,

При непосредственной бомбардировке мишени ионами кислорода скорость образования оксида существенно возрастает и критическое давление уменьшается. Атомарный кислород химически более акти­вен, чем молекулярный- То же относится и к атомарному водороду и азоту. Образование на мишени химического соединения в процессе реактивного распыления не означает, что соединение затем перено­сится на подложку в сформированном виде. При ионно-плазменном распылении соединения может происходить нарушение его стехио­метрии. Стехиометрия пленок, получаемых ионно-плазменным и ионно-лучевым реактивным распылением, зависит от температуры подложки. При высоких скоростях нанесения и низких температурах обычно получаются пленки низкого качества (например, пористые) и с плохо воспроизводимым составом.

Под ионным осаждением понимают процесс осаждения пленок в вакууме» при котором конденсация материала на подложке осуществляется из потока низкоэнергетических ионов, при этом процесс осаждения сопровождается ионной активацией поверхности подлож­ки и растущей пленки. Метод ионного осаждения является совокуп­ностью двух методов: ионно-лучевого распыления и термического испарения. Как правило, осуществление процесса осаждения проис­ходит в три стадии:

• термическое испарение осаждаемого материала при резистивном, лазерном или электронно-лучевом нагреве;

• ионизация испаренных атомов материала с помощью неодно­родного электрического поля, лазерного луча или высокоэнергетиче­ского пучка электронов;

• фокусировка ионов в пучок необходимой конфигурации и их последующая транспортировка на подложку.

Метод позволяет изменять в широких пределах такие параметры ионного потока, как энергия ионов, их плотность и соотношение в потоке ионов и нейтральных атомов. Главной отличительной осо­бенностью процесса ионного осаждения является то, что он осущест­вляется в условиях высокого вакуума (порядка 10 ⁵... 10 ⁶ Па). Это приводит к существенному улучшению качества пленок и уменьше­нию вероятности захвата растущей пленкой остаточных газов. Кон­денсирующийся материал более равномерно распределяется но под­ложке, происходит сглаживание поверхности пленки и увеличение ее плотности. Так, плотность танталовых пленок» полученных ионным осаждением, на 10% выше, чем распыленных ионно-плазменным методом. Кроме того, при одновременной или чередующейся с про­цессом конденсации ионной бомбардировке происходит уменьшение эффекта затенения.

Плазменно-дуговое напыление используется в электронной про­мышленности при изготовлении эмиссионных, антиэмиссионных, геттерных, поглощающих СВЧ-энергию и электроизоляционных по­крытий. В настоящее время разработано большое число конструкций электродуговых нагревателей газа. Наиболее простой вариант пред­ставляет дуговой электрический разряд, горящий между двумя тор­цевыми электродами. В этом случае за разрядом образуется плазмен­ная струя с высокой температурой. Для получения газовых потоков с высокой средней температурой необходимо подвести газ в плазмо­троне так, чтобы основная его часть взаимодействовала с дуговым разрядом. Электродуговые плазмотроны позволяют получить сле­дующие параметры плазменных струй: скорость частиц нагретого газа на выходе из плазмотрона от 10 м/с до 1 км/с; максимальная температура на оси струи от 10⁴ до 510⁴ К при работе на одноатом­ных газах и 510³ К при работе на двухатомных газах (азот, водород). Таким образом, подавая в струю газа порошкообразный материал, можно за короткое время довести его до плавления и в виде капель­ной фазы транспортировать на подложку.

Существует проблема плавной подачи порошка в газовую струю. Высокий градиент температуры плазменного факела приводит к не­равномерному плавлению частиц в центре и на периферии струи, что особенно заметно для порошков с различными транспортными свой­ствами. Последние определяются формой и размером зерен, насып­ной массой, теплоемкостью материала, а также наличием адсорбиро­ванной влаги и другими факторами.

Типовой технологический процесс изготовления плазменно-дуговых покрытий состоит из следующих операций: выбора напы­ляемого материала; ситового анализа порошка; обезгаживания по­рошка в вакууме; подготовки поверхности подложки под напыление; напыления и финишной обработки покрытия (термической или ме­ханической). Наибольшее распространение плазмодуговые процессы получили при распылении мишени из диборида циркония, титана и гидрида титана на сетку мощных генераторных ламп.

Прежде чем перейти к рассмотрению процессов плазмохимического осаждения пленок материалов, целесообразно рассмотреть специфику воздействия плазменного разряда на химические реакции. Обычно выделяют три эффекта воздействия плазмы низкого давле­ния на процессы осаждения слоев из газовой фазы:

весне системы сдвигается и слои осаждаются при меньших темпера­турах;

3) эффект воздействия плазмы на структуру материала. При осаж­дении тонких слоев в плазме подложки могут находиться либо под потенциалом, близким к потенциалу плазмы, либо при большом от­рицательном потенциале.

Рассмотрим эти случаи. При отрицательном потенциале подложки 5...20 В относительно плазмы поверхность подложки подвергается бомбардировке положительными ионами с энергиями соударения в несколько электрон вольт, что ниже порога распыления. В ходе по­глощения энергии поверхностью растущего слоя и ее перераспреде­ления в материале образуются термодинамически стабильные струк­туры, обладающие большой плотностью, сжимающими напряжения­ми, малым размером зерен, улучшенной адгезией.

Если подложка находится при большом отрицательном потенциа­ле относительно плазмы, поверхность растущего слоя бомбардирует­ся ионами с энергией 100 эВ и более. В результате такого взаимодей­ствия образуются нестабильные структурные фазы. Таким образом. воздействие плазмы па химическую реакцию состоит, с одной сторо­ны, в ее ускорении, а с другой - во влиянии на структуру образую­щего слоя материала. Влияние плазмы на протекание процессов оса­ждения тонких слоев сводится не только к изменению механизмов протекания химических реакций в газовой фазе и на поверхности подложек, но и к изменению тех характеристик процесса, которые «отвечают» за профили концентрации реакционных частиц в объеме реактора, за равномерность и дефектность осаждаемых слоев.

В качестве исходных реагентов при получении диоксида кремния обычно используется силаи и закись азота или кислород:

Однако применение этих реагентов ограничено необходимостью ис­пользования более высоких температур для получения качественных пленок и возможностью загрязнения пленок хлором и углеродом.

Осаждение диоксида кремния обычно проводится в системах с внутренними плоскопараллельными электродами. Как правило, они представляют собой вакуумную камеру с плоскими электродами, между которыми поддерживается ВЧ-разряд при непрерывной от­качке газа 8 (рис. 1.1).

Диаметр электродов в промышленных установках составляет 40...60 см. а расстояние между ними 5... 10 см. Эта конструкция, включающая электроды 5, радиалыю к центру направленные потоки газов 6, 7, горизонтальное размещение пластин на нижнем заземлен­ном и подогреваемом электроде 5. При движении газовой смеси 4 к центру электрода концентрация химически активной компоненты в ней уменьшается, а концентрация продуктов реакции возрастает, что, казалось бы, должно Привести к низкой равномерности осаждаемых слоев. Однако надо учитывать, что плотность электронов обычно увеличивается к центру системы, так как на периферии сказывается их диффузия на стенку, и скорость протекания газа растет по мере приближения к расположенному в центре электрода откачному от­верстию, при этом сечение потока уменьшается. Поэтому правиль­ным выбором условий процесса можно уравновесить противополож­ные эффекты и оптимизировать равномерность нанесения слоя.

Для согласования ВЧ-цепи (13,5 МГц) между источником питания 2 и электродом 3 помешается специальное устройство /. Как правило, оно представляет собой катушку индуктивности, шунтирующую на землю электрод, к которому подводится ВЧ-мощность, и таким образом пре­дотвращающую ее отрицательное самосмещение, так что среднее зна­чение потенциала на обоих электродах оказывается примерно равным. Стенки реактора могут быть кварцевыми или покрытыми слоем изоля­тора, чтобы, находясь под плавающим потенциалом по отношению к плазме, не подвергаться ионной бомбардировке и распылению. Обычно к электродам прикладывается разность потенциалов в несколько сотен вольт, что достаточно для получения в разряде электронов с энергией 1 —10 эВ, необходимой для того, чтобы вызвать диссоциацию и иони­зацию большинства газовых молекул, участвующих в процессах осаж­дения. Плотность свободных электронов и положительных ионов со­ставляет 10... 10 "см . Поскольку подвижность электронов в 1000 раз выше подвижности ионов, любая поверхность, помешенная в плазму, получает большой отрицательный заряд и приобретает отрицательный потенциал но отношению к плазме. При высокочастотном разряде в симметричной системе, когда потенциалы электродов примерно равны, поток частиц через темное приэлсктроднос пространство примерно одинаков и cocrom из электронов, положительных ионов, нейтральных и возбужденных атомов и молекул, радикалов и фотонов. При указан­ном выше уровне энергии электронов их средняя температура составля­ет 10⁴... 10⁵ К, тогда как температура подложки и газа лежит в пределах 500...700 К.

Основными факторами, влияющими на скорость осаждения и равномерность пленки, являются ВЧ-мощность, расход газа и давле­ние в камере.

Установлено влияние мощности разряда на скорость осаждения пленки SiCb из смеси силана SiH₄, закиси азота N2O, кислорода <>> с небольшим количеством аргона в качестве газа-носителя при двух значениях давления газовой смеси в камере - 95 и 125 Па (рис. 1.2). Расход газа составлял (см³/мин): SiH₄- 70, N₂0- 2500, О2- 14, Ar-100. Температура подложки - 650 К. В качестве основного окислите­ля использовалась закись азота, препятствующая зароды шеобразова-нию в газовой фазе. При работе только с N₂0 скорость осаждения SiO: в конце реактора выше, чем в начале. Кислород же, наоборот, обеспечивает более высокую скорость в начале реактора. Таким об разом, подбором отношения ЬЬО/О? можно добиться равномерной скорости осаждения по всей длине рабочей зоны. Скорость осажде­ния почти линейно возрастает с увеличением мощности, потребляе­мой разрядом. Понижение давления при сохранении расхода газа повлечет уменьшение скорости осаждения.

Степень стехиометричности и плотность пленок диоксида крем­ния могут быть оценены по ИК-спектрам и изменению коэффициен­та преломления. На показатель преломления существенное влияние оказывает отношение NgQ/SiH* При меньших значениях отношения показатель преломления увеличивается из-за захвата большого коли­чества азота и образования обогащенной кремнием пленки. Значение показателя менее 1,5 может быть достигнуто при величине отноше­ния N2O/S1H4 более 55, но равномерность толщины пленки по длине продольного реактора при таких соотношениях реагентов снижается. Пленки диоксида кремния с близким к стехиометрии составом и по­казателем преломления 1,46 могут быть получены в плазме из смеси силана с кислородом.

При этом необходимы низкая температура осаждения, низкий уровень мощности и высокий расход газа-носителя для предотвра­щения образования частиц в газовой фазе и их высаживания на под* ложках. В оксидных пленках, осажденных в плазме, содержится так­же 5... 10 % водорода в виде SiH, SiOH и Н?0. Концентрация водоро­да сильно зависит от температуры осаждения, причем большей тем­пературе соответствует меньшая концентрация водорода.

им иш<

Рис. 1.2. Влияние ИЧ-мощности на скорость осаждения диоксида кремния в разряде из смеси силана. закиси а ют а. кислорода и аргона

В большинстве случаев пленки диоксида кремния на кремниевых и арсенид-галлиевых подложках испытывают при комнатой темпера­туре напряжения сжатия. Величины напряжения, достигающие 4...10⁸ Н/м², зависят, главным образом, от температуры подложки и скорости осаждения.

Электрические свойства пленок, такие как напряжение пробоя и ве­личина диэлектрической проницаемости, также зависят от условий оса­ждения. В пленках толщиной 120 им, полученных при температуре

300...525 К, напряженность поля пробоя составляет (4...8)-10⁶В/см. В зависимости от величины соотношения N₂0/SiH₄ диэлектрическая про­ницаемость на частоте 1 кГц изменялась от 4 до 10, причем значения

16

4.-.5 получаются доя пленок без избыточного содержания кремния. Плотность поверхностного заряда для нанесенных в плазме оксидных пленок обычно высока (р > 10¹² см ■ эВ '), что, вероятно, связано с воз­действием ионизирующего излучения в процессе осаждения. Для уменьшения плотности Поверхностных состояний после осаждения применяют отжиг в смеси азота с водородом при температуре - 625 К.

Перекрытие ступенек рельефа, достигаемое с помощью плазмен­ных пленок диоксида кремния, может изменяться от удовлетвори­тельного до совершенно неприемлемого. Как показал анализ степени перекрытия при различной топологии рельефа, хорошее перекрытие возникает при равномерной концентрации реагентов на поверхности, устанавливающейся за счет быстрой миграции адсорбированных частиц, тогда как плохое перекрытие связывается с отсутствием су­щественной миграции этих частиц. В общем, для целого ряда приме­нений в технологии ИС степень перекрытия можно рассматривать как удовлетворительную. Кроме того, она превосходит перекрытие, характерное для других низкотемпературных покрытий.

Уменьшения толщины слоев и улучшение их качества можно дос­тичь при использовании электронно-циклотронного резонатора (ЭЦР) плазменных источников. Основным узлом камеры для полу­чения тонких пленок диоксида кремния является герметичный ци­линдрический СВЧ-резонатор (рис. 1.3), одновременно выполняю­щий функции плазмохимического реактора. Ввод СВЧ-знсргии в ре­зонатор осуществляется через волновод, отделенный от реактора прозрачным для СВЧ-излученпя кварцевым окном. СВЧ-плазма об­разуется в центральной части реактора и практически не соприкаса­ется с его стенками и кварцевым окном.

_4^1

при давлении 0,13...0,26 Па, скорости общего газового потока 30 см '/мин и поглощаемой мощности 8 Вт (0,25 Вт/см²) при ЭЦР на частоте 2,45 ГГц. Температура подложки в процессе роста поддер­живается на уровне 625...630 К. Кислород ирименяется в качестве окислителя. Перемещением электромагнита вдоль реактора можно локализовать плазменное облако и создать таким образом либо обычный вариант плазмохимического осаждения, либо внезарядовый вариант. В обычном режиме SiH₄ и кислород непосредственно воз­буждаются СВЧ-плазмой. Во внезарядовом варианте 5№Ц вводится в кислородную плазму. Возбужденный кислород выносится из области плазмы и смешивается с SiH₄, в результате чего протекает химиче­ское парофазное осаждение на нагретой поверхности.

1.2. Плазмохимическое осаждение пленок

нитридов

Химизм процессов

Для осаждения нитрида кремния Si*N₄ в тлеющем ВЧ-разряде обычно испопкзуются те же реакторы, что и для получения диоксида кремния. Преимущественно используются исходные реагенты в виде силана SiH₄ и аммиака МНз или азота N2, и реакция протекает сле­дующим образом:

ростом потока силана, с уменьшением температуры осаждения, мощности и определяется числом свободных связей кремния. Рас­пределение плотности поверхностных состояний по энергии имеет максимум при 0,86 эВ или на 0,2...03 эВ ниже энергетического дна проводимости. Напряженность электрического поля пробоя пленок нитрида кремния достигает 10 В/см, а диэлектрическая проницае­мость лежит в диапазоне от 6 до 9. Хотя пленки нитрида кремния достаточно проницаемы для Na^ и других примесей, они широко применяются в качестве пассивирующих слоев, особенно в приборах с пластмассовой герметизацией. Низкая температура осаждения, хо­рошие диэлектрические и механические характеристики делают их пригодными для применения в качестве межелойного диэлектрика. Однако использование нитрида кремния и диоксида кремния, полу­ченных в ВЧ-плазме, на активной области ИС не практикуется из-за связанного с плазменным нанесением увеличением встроенною за­ряда и других побочных явлений, происходящих под действием ион­ной, электронной и фотонной бомбардировки.

Одним из путей улучшения характеристик пленок нигрида кремния является использование СВЧ-плазмы, возбужденной методом электрон­ного циклотронного резонанса. Схема источника СВЧ-плазмы (ЭЦРП) описана в предыдущем подразделе. При получении нитрида кремния азот подавался в плазменную камеру, а силан Sil U - в камеру осаждения. Диапазон рабочих давлений 10 ...10 'Па. Напряженность магнитного поля уменьшается от камеры к подложке, при этом образуется расходя­щийся поток заряженных частиц. Благодаря большой подвижности элек­троны отрицательно заряжают подложку, которая электрически изоли­рована от камеры с плазмой. Под действием разности потенциалов меж­ду образцом и зоной плазмы происходи! ускорение ионов до энергии 20.. .50 эВ, что способствует увеличению скорости осаждения и улучше­нию качества слоев. При подаче на подложку потенщшла смешения можно получить ценностью планарную поверхность и уменьшить дли­тельность процесса планаризации при различных отношениях толщины проводящего слоя к зазору между проводниками.

Ионно-пжименное нанесение тонких пленок нитрида алюминия

Применение тонких слоев нитрида алюминия для пассивации и маскирования поверхности ИС обусловливает интерес к разработке и совершенствованию методов их получения. Большой интерес пред­ставляет применение нитрида алюминия в структурах полупровод-

20

ник-нитрил алюминия- полупроводник на основе кремния и арсе-нида галлия или карбида кремния, которые являются альтернативой структурам типа кремний на сапфире (КНС-структуры), а также мо­гут быть использованы для создания многоуровневых БИС и в ото-электронных устройствах.

Среди вакуумных методов наибольший интерес представляет спо­соб пленарного ВЧ-магнетронного распыления как наиболее эффек­тивный и универсальный. Скорость роста слоев зависит от ВЧ-мощности и давления реакционных газов. При температуре осажде­ния 625 К скорость роста достигает 5 мкм/ч. Для повышения эффек­тивности и улучшения однородности толщины слоев по подложке предложены новые варианты распылительных устройств, например ионно-распылительный. Рабочая камера с противоположно располо­женными мишенями предусматривает использование двух мишеней из алюминия, расположенных на расстоянии 100 мм одна от другой (рис. 1.4). Распыление ведут при давлении 1,0.,.2,6 Па со скоростью осаждения на подложку, размещенную вблизи зоны тлеющего разря­да, 1,6... 13,0 нм/мин, температура кремниевых подложек 300...823 К. В результате получаются пленки с размером зерна 400 нм. Для формирования гладких слоев высокого качества распы­ленные частицы должны достигать подложки при некоторой опти­мальной энергии, позволяющей им свободно мигрировать по по­верхности растущего слоя. Но при бомбардировке поверхности час­тицами с большой энергией происходит аморфизация осаждаемых слоев. Поэтому рекомендуется проводить осаждение либо в ВЧ-разряде с большой скоростью, либо на постоянном токе, но при очень малой скорости. Полученные магнетронным распылением слои даже при относительно низких температурах имеют высокий уровень внутренних механических напряжений. Вероятно, причиной возникновения этих напряжений является электронно-ионная бом­бардировка растущего слоя.

Ионно-плазменныс методы позволяют получить чрезвычайно од­нородные по толщине зеркально-гладкие слои и обрабатывать под­ложки в полунепрерывном процессе партиями, даже из нетугоплав­ких материалов, например арсенида галлия, алюминия, стекла, поли­меров и др.

В то же время при использовании этих методов скорость осажде­ния относительно низкая, технологический цикл продолжительный, и, кроме того, наблюдаегся нарушение стехиометрии состава для низкотемпературного осаждения.

21

Рис. 1.4. Схема ВЧ-магнетронной

распылительной установки с двумя

прогивоположно расположенными

мишенями: / - подложкодержатсль

с подложкой и нагревателем; 2 - мишени

in аноминия; 3 - ВЧ-мапнлроны;

4 - откачка

Ионно-стимулированное и ионно-лучевое напыление

тонких пленок

Во многих случаях традиционные методы испарения или распы­ления не позволяют получить тонкие слои с требуемыми свойствами, что оправдывает применение более сложных физических методов, в частности, с использованием пучков частиц. Основным отличием физических процессов от «хаотических», к которым относятся испа­рение и распыление, является возможность контроля кинетических свойств частиц, падающих на подложку, и варьирования в широких предепах кинетической энергии и угла падения частиц на подложку Для устранения зарядки образца при осаждении ионными пучками диэлектрических слоев или при осаждении слоев на изолирующие подложки обычно вместо ионных используются плазменные пучки.

Необходимым условием осаждения пленок пучками частиц явля­ется их низкая энергия, чтобы вероятность прилипания частиц среды была равна единице, а распыление подложки и растущего слоя пре­небрежимо мало. Эта методика удобна для контролируемого осаж­дения бинарных соединений в процессе ионного перемешивания осажденных частиц. Энергия частиц в подобном процессе выбирает­ся таким образом, чтобы получить равные единице вероятности при­липания и одинаковые их концентрации. Современные источники плазменных пучков позволяют получать чрезвычайно однородные пучки нейтральных частиц с кинетическими энергиями от несколь­ких десятков до тысяч электрон вольт, при которых имеет место зна­чительное перемешивание атомов за счет диффузии на границе раз­дела. Вследствие нейтральности плазменного пучка в процессе роста слоев не изменяются условия осаждения проводящих пленок на ди­электрические подложки и диэлектрических пленок на проводящие подложки, чем определяется высокая степень контроля в плазменном осаждении первичным пучком. Другим достоинством этого метода является возможность формирования сложных соединений за счет

22

взаимодействия осаждаемых частиц с атомами подложки. Например, при бомбардировке поверхности А1 пучком плазмы Ar-N с энергией 480 эВ получена фаза AIN. Это означает, что необходимая для реак­ции энтальпия поставляется за счет кинетической энергии ионов плазмы.

Хотя частицы, используемые для выращивания пленок, могут быть доставлены на подложку различными способами, включая ис­парение и просто воздействие газовой среды, наибольшую гибкость процесса обеспечивают системы с двумя и более пучками (рис. 1.5).

1 2 3

Рис. 1.5. Схема устройства для осаждения тонких пленок

с двумя ионными источниками: / - заслонка: 2 - привод вращения

подложкодержа геля;

3 - источники ионов; 4 ~ вакуумная

камера: 5-Я—сменные мишени

(например, Si()₂, Ti()₂, Ti и Si

соогиегственно)

В состав двухиучковой системы входят источник первичных ио­нов для распыления одной или нескольких мишеней и второй ион­ный источник, направленный на подложку с растущей пленкой, С помощью источников создаются независимые пучки различных ио­нов с контролируемой энергией для бомбардировки мишени и под­ложки под различными углами. При наличии механического управ­ления мишенью или подложкой в системе можно реализовать прак­тически любые геометрические условия для бомбардировки. Систе­мы с двумя пучками используются для осаждения пленок сложных соединений, образующих покрытия или защитные слои. Например, для осаждения пленок A1N контролируемого состава применяется распыление мишени из А1 ионами Аг с энергией 1500 эВ в сочета­нии с воздействием на подложку пучка ионов W с энергиями 100...500 зВ. Стсхиометричсские пленки AIN получены при отноше­нии скоростей поступления N и А1 не менее 1.

Бомбардировка подложки Та в атмосфере СЬ ионами аргона Аг с энергией 2 юВ стимулирует реакцию между адсорбированными О2 и Та, что позволяет получить тонкие пленки со стехиометрией, близ­кой к равновесной фазе ТазОз.

23

Наряду с частицами малых энергий, пучки быстрых частиц игра­ют важную роль в изготовлении тонких пленок. Последние могут использоваться как для легирования слоев методом ионной имплан­тации, так и для перемешивания границы раздела пленки и подложки или отдельных слоев.

Для получения тонких многослойных оптических покрытий ис­пользуются как методы ионного распыления в присутствии второю источника, так и методы электронно-лучевого испарения с ионной поддержкой (рис. 1.6). Многослойные оптические покрытия Та^Ог-Si02-Ti02-SiC>2 широко используются для лазерной оптики в качест­ве зеркал, широкополосных и узкополосных фильтров. Основными характеристиками этих покрытий являются коэффициент поглоще­ния и коэффициент отражения в рабочем диапазоне длин волн. Для этого требуется мелкозернистые, ровные и гладкие пленки. Наиболее успешные результаты получены при использовании ионно-лучевого распыления мишеней в присутствии вторичного ионного пучка, при­чем первичный ионный пучок состоит из ионов аргона, а вторичный

из ионов кислорода.

⁴ Ч * I^х

\\2 / ^,

Рис. 1.6. Схема установки электронно­лучевого испарения с дополнительной ионной бомбардировкой мишени: / - привод вращения подложкодержателя; 2 - подложка с подложкодержателем;

3 - электронная пушка; 4- тш ель

& I Мдг+СЪ

с испаряемым веществом; 5 - ионный

источник; 6 - откачка

Зарядовые явления в диэлектриках, вызванные ионно-плашенной обработкой

Одной из основных причин, ограничивающих применение про­цессов ионно-шшменной обработки в технологии изготовления ИС, является появление в пленках диэлектриков наведенного заряда и, как следствие, деградация его диэлектрических параметров. Это яв­ление связано с самой физической природой ионного пучка, исполь­зуемого для обработки материалов. Заряд в диэлектриках появляется вследствие воздействия заряженных частиц и ионизирующих излу­чений. Деградация диэлектриков связана с зарядкой его поверхности в результате передачи заряда ионов в процессе их нейтрализации

24

вблизи поверхности. Величина накопленного заряда зависит от ко­личества падающих на подложку ионов. Аккумуляция заряда на по­верхности пленки диоксида кремния при дозе обработки ионами ар-юна I0¹" ион/см" приводит к возникновению в диэлектрике электри­ческого поля напряженностью 4,65 10 В/см. Возникновение пробоя пленки в таком поле маловероятно. С увеличением дозы напряжен­ность создаваемого поля возрастает и при обработке ионами с дозой 2 10¹ ион/см² достигает значения 9,3- -Ю⁶ В/см. При такой напря­женности ноля возможен пробой диэлектрика на малом участке или на всей поверхности. После ионной бомбардировки наблюдается снижение пробивных напряжений пленок диоксида кремния с 8 1 if В/см до (4...5) 10⁶ В/см. В процессе нейтрализации ионов на поверхности происходит образование электронно-дырочных пар и ионизация загрязняющих примесей в диэлектрике с последующим дрейфом дырок и ионов в электрическом иоле к границе раздела ди­электрик - подложка, например SiCb - Si.

Конечное значение фиксированного заряда не зависит от толщи­ны диэлектрика, а платность поверхностных состояний растет с уменьшением толщины диэлектрика. Нейтрализация иона при при­ближении к поверхности диэлектрика определяется потенциальной энергией системы ион- поверхность, т.е. потенциалом ионизации бомбардирующей частицы и состоянием поверхности диэлектрика. При приближении к поверхности диэлектрика ион вызывает поляри­зацию, создавая эффект зеркального отображения заряда. Это приво­дит к уменьшению ионизационного потенциала. Изменение иониза­ционного потенциала может оказаться значительным и зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Деградация диэлектрических характеристик пленок отрицательно сказывается на работоспособности И С, в которых они используются. Увеличиваются токи утечки, ухудшаются вольт-фарадные характе­ристики МОП-структур. Данные эффекты обусловлены сдвигом по­рогового напряжения плоских зон при увеличении фиксированного заряда и плотности поверхностных состояний. Этот сдвиг зависит от интенсивности потока ионов и условий ионночишзменной обработ­ки. Так, бомбардировка высокоэнергетическими электронами по­верхности диэлектрика при обработке в ВЧ-системах вызывает до­полнительную деградацию диэлектрика. Вид процесса ионно-плазменной обработки становится важным с точки зрения зарядовых явлений в диэлектрике. Снижение заряда нейтрализации его потоком электронов возможно только при ионно-лучевых способах обработ-

25

ки. Деградация диэлск грика может происходить и при ионно-плазменной металлизации его поверхности. Причина этого явления в том, что подложка в той или иной степени также подвергается ион­ной и электронной бомбардировке. Для устранения последствий де­градации необходим отжиг при температуре 1073... 1173 К.

Нейтрализация объемного заряда ионного потока на выходе ис­точника ионов с помощью инжекции электронов является сущест­венным процессом в технологии ионного распыления и травления микроструктур, необходимость которого обусловлена двумя основ­ными причинами:

• очень низкой скоростью распыления диэлектрических мише­ней и травления микроструктур ионным потоком (например, Аг"¹) вследствие появления на поверхности диэлеюрика положительного заряда;

• необходимостью нейтрализации объемного заряда внутри ион­ного потока, а наличие заряда приводит к расфокусировке потока и плохой коллимации, что значительно снижает качество и эффектив­ность ионного травления микроструктур.

Отсутствие устройства нейтрализации практически не позволяет использовать многопучковые ионные источники с ионным потоком большого диаметра для работы с диэлектриками и даже металлами, если энергия ионов менее 1 кэВ. Для осуществления нейтрализации обычно используют специальный инжектор электронов. При этом рекомбинации электронов и ионов, как правило, сопровождающейся образованием нейтральных атомов, не происходит, а обеспечивается лишь компенсация заряда в области ионного потока. Наиболее про­стым методом получения нейтрализующих электронов является ис­пользование внешних термоэлектронных эмиттеров, расположенных вблизи ионного потока или погруженных непосредственно в ионный ноток. Эффективное использование внешнего эмиттера ограничено ионными пучками только малого диаметра. Обычно такой эмиттер изготовляется из вольфрамовой или танталовой проволоки, протяну­той через ионный пучок в непосредственной близости от ускоряю­щей сетки. В таких нейтрализаторах происходит эрозия металличе­ской нити, расположенной внутри ионного пучка, что сокращает срок службы эмиттера (в зависимости от энергии ионов и плотности

ионного потока он составляв СП нескольких мин) г ДО со юн часов), а распыление эмиттера за счет ионной бомбардировки и термического испарения приводит к загрязнению обрабатываемых подложек.

26

Более эффективным устройством нейтрализации является «плаз­менный мост». Такой нейтрализатор располагается вне ионного пуч­ка и использует в качестве источника электронов полый катод (рис. 1.7).

Л.

_/Ч

Рис. 1.7. Схема нейтрализатора

объемного заряда ионного потока с

помощью источника с полым катодом

Источник такого типа состоит из цилиндрической разрядной ка­меры с соплом небольшого диаметра, в котором размещен термо­ионный эмиттер 3. При пропускании через камеру газа 2 ( как прави­ло, аргона) в ней образуется плазма, которая, экстра! ируясь через сопло, электрически соединяется с ионным пучком 4 и образует так называемый «плазменный мост» 5. Он является проводящим и по­зволяет эффективно компенсировать объемный заряд ионного пучка. Потенциал, подаваемый на нейтрали шор, не превышает 20 В, но с целью исключения эрозии ускоряющей сетки ионного источника У плазменной струей, полый катод 3 устанавливают иол некоторым углом к оси ионного пучка.

1.3. Электроискровое нанесение слоев

Характеристика метода

Для упрочнения и нанесения защитных покрытий весьма перспек­тивными являются электрофизические методы обработки материалов.

Одним из таких методов является электроискровое легирование (ЭИЛ), которое осуществляется в газовой среде. При ЭИЛ происхо­дит перенос и осаждение состав материала анода. Благодаря разно­образию материалов, которые можно использовать при ЭИЛ (воз­можно применение любых токопроводящих материалов), участию межэлекгродной среды в процессе формирования поверхностных сло­ев, этим методом можно в широких пределах изменять механические, термические, электрические, термо>миссионныс и другие свойства рабочих поверхностей деталей.

27

Для осуществления электроискровой обработки подложек приме­няется главным образом выпрямленный пульсирующий ток. При раз­мерной обработке используется прямая полярность. Электроискро­вое упрочнение проводится при обратной полярности. Обрабатывае­мая деталь в этом случае присоединяется к катоду, а электрод - к аноду. Этот процесс представляет собой сложное физическое явле­ние. Под воздействием следующих друг за другом электрических разрядов на поверхности электрода и упрочняемого металла проис­ходят физические и химические изменения, которые обусловливают­ся электрической эрозией анода и катода, с преимущественным раз­рушением анода, вследствие воздействия импульсов электрического тока большой платности. В результате этого происходит перенос ма­териала электрода на деталь и легирование поверхности детали как за счет материала электрода, так и за счет поглощения разогретым металлом азота из воздуха. Кратковременность действия тепловых импульсов при искровых разрядах и наличие окружающего холодно­го металла обеспечивают высокую скорость охлаждения нагретых элементарных участков и образование ряда закалочных структур как в самом легированном слое, так и в подслое, который в данном слу­чае является зоной термического воздействия.

Основными характеристиками слоя упрочнения считаются его глубина и твердость. Эти характеристики тесно связаны с мощно­стью режимов упрочнения, которые, в свою очередь, зависят от ве­личины тока и напряжения при искровом разряде. Измерения вре­менных зависимостей тока и напряжения при различных режимах позволяют связать характеристики и параметры электрического раз­ряда и свойства получаемого упрочняющего покрытия.

Механизм искрового разряда

По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок яр­ких зигзагообразных разветвляющихся тонких полосок, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и посто­янно сменяющих друг друга. Эти полоски называю! искровыми ка­натами. Они начинаются как от положительного, так и от отрица­тельного электродов, а также от любой точки между ними. Канаты, развивающиеся от положительного электрода, имеют четкие ните­видные очертания, а развивающиеся от отрицательного электрода -диффузные края и более мелкое ответвление,

Искровой разряд возникает при больших давлениях газа, следова­тельно, потенциал зажигания очень высок. Однако, после того как

2S

промежуток «пробит» искровым канатом, сопротивление этого про­межутка становится очень малым, через канал проходит кратковре­менный импульс тока большой силы, в течение которого на разряд­ный промежуток приходится лишь незначительное напряжение. Если мощность источника не очень велика, то после такою импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начинает по­вышаться до прежнего значения и пробой газа повторяется с образо­ванием нового искрового канала. Время нарастания напряжения т тем больше, чем больше емкость С между электродами.

Максимальная сила тока в импульсе при искровом разряде меня­ется в широких пределах в зависимости от параметров цепи разряда и условий в разрядном промежутке, достигая нескольких сотен кило-ампер. При дальнейшем увеличении мощности источника тока ис­кровой разряд переходит в дуговой разряд.

Процесс ЭИЛ основан на преимущественном разрушении (эро­зии) материала анода при искровом разряде. В зависимости от межэ-лектродной среды на электродах происходят различные явления. При использовании жидких диэлектрических сред разрушается материал анода и катода - процесс электроискровой размерной обработки (ЭИРО). Эффективность метода тем выше, чем больше при прочих равных условиях разрушение материала анода и меньше - материала катода. На практике эффективность метода определяется соотноше­нием

£ = ЬА.Ю0, (1.7)

где К - относительная эрозионная стойкость материала катода, %; Укэ Y:i - эрозия анода и катода соответственно, г/см³; р_а, р_к- плотность материала анода и катода соответственно, г/см .

Процесс ЭИЛ может осуществляться по двум принципиально раз­личным схемам. По одной схеме используется генератор зависимых импульсов (RC). Коммутация межэлектродного зазора осуществля­ется за счет вибрации анода, при этом анод, совершая колебательные движения с частотой от 50 до 100 Гц, периодически контактирует с поверхностью катода. Подавляющее число выпускаемых в настоящее время установок для ЭИЛ работает по приведенной схеме.

Основные этапы процесса ЭИЛ по схеме с генератором зависи­мых импульсов включают стадии движения анода к катоду, пробой межэлектродного зазора, протекание искрового разряда и поелсдую-

29

щии контакт электродов, движение анода от упрочняемой поверхно­сти; при работе по второй схеме - пробой межэлектродного зазора и протекание искрового разряда.

Большого внимания заслуживает метод бесконтактного ЭИЛ с поддержанием между электродами постоянного зазора - метод ЛЕН, принципиальным отличием которого является использование высо­кокачественного генератора независимых импульсов и следящего устройства, поддерживающего постоянным межэлектродный зазор. Метод ЛЕН обеспечивает получение плотных, повторяющих рельеф поверхностей, покрытий.

Главными особенностями метода ЛЕН являются: отсутствие виб­рации электрода-инструмента; использование импульсов тока дли­тельностью 2...3 мке при частоте следования импульсов до 140 кГц: использование следящей системы, поддерживающей межэлектрод­ный зазор в пределах 3...30 мкм в зависимости от используемых ма­териалов; использование цилиндрических электродов диаметром 0,5... 1,0 мм, вращающихся со скоростью 1500. .3000 об/мин.

Процесс ЭИЛ будет проходить тем успешнее, чем большее коли­чество материала анода разрушится и закрепится па поверхности ка­тода в единицу времени. В связи с этим изучение эрозии электрод­ных материалов представляет значительный практический интерес.

Электроискровой разряд- разряд электричества в ионизирован­ной смеси газов и паров различных материалов, происходящий меж­ду двумя электродами (или электродом и изделием), находящимися иод напряжением.

В обычном состоянии газы не проводят электричества. Их элек­тропроводность наблюдается при ионизации - отщеплении от атомов и молекул газов электронов. Перемещение свободных заряженных частиц (электронов, положительных и отрицательных ионов) в газо­вом промежутке между электродами под действием электрического поля создает электрический ток в межэлектродном промежутке.

Эмиссия электронов из катода происходит по нескольким причи­нам: под действием высоких температур, электрического поля, со­ударения с катодом положительно заряженных ионов. Вырвавшиеся с катода электроны под воздействием электрического поля со значи­тельной скоростью перемещаются к аноду.

При столкновении электрона с атомами газа и образовавшихся паров металла в межэлектродном промежутке происходит непрерыв­ная ионизация промежутка, сопровождающаяся выделением тепла. Образующиеся при этом положительные ионы направляются к като-

30

ду и, отдавая ему свою энергию, вызывают дополнительную эмис­сию электронов металла и его сильный локальный перегрев, при этом предполагается также расплавление и испарение материала. Значительное выделение тепла происходит из-за малых площадей скопления и переноса заряда при прохождении большого потока энергии через так называемые точечные перегревы электродов.

Непрерывная ионизация газа создает необходимые условия для возникновения разряда. Вследствие превращения энергии движения шряжечтлх частиц в тепловую энергию при столкновении их с ано­дом, катодом и нейтральными атомами газа на электродах и в газо­вом промежутке выделяется большое количество тепла, в результате чего происходит расплавление конца электрода.

Обобщенное изображение электронно-ионного переноса в межэлектродном промежутке показано на рис. 1.8.

I

_<+>

\ \

1/ ' ¹

/

4

/

I i

♦ 2<о> !е| li|

Рис. 1.8. Схема массопсрсноса к

электрическом разряде: / - анол

1

(электрод); 2 - катод (деталь);

1§ I

3 - нейтральный атом;

4- отрицательный ион;

WS'.s/'s ^'//'^/'.^/:<^//'

I V

5 - положи гельнын ион;

/с - электронный ток; /^ - ионный гок

Электроны, как частицы с наименьшей массой, пол воздействием электрического поля перемещаются со значительно большей скоро­стью, чем тяжелые ионы, т.е. электрический ток в разряде обуслов­лен электронным током. Это, прежде всего, относится к трем основ­ным закономерностям эрозии:

1. Масса материала, которая выбрасывается с электродов в ре­зультате действия искрового импульса, при прочих равных условиях строго пропорциональна количеству электричества, протекающего в течение импульса, и зависит от крутизны фронта импульса, а также от химического состава электродов.

2. Интегральная величина эрозии, если действие одного импульса не накладывается на действие последующего, представляет собой сумму величин эрозии в единичном импульсе.

31

3. Все материалы располагаются по своей эрозионной устойчиво­сти в определенной последовательности, а их состав межэлектродной среды существенно влияет на положение области инверсии металлов.

Второе положение имеет принципиальное значение, поскольку закономерности эрозии в единичном импульсе распространяются и на весь интегральный процесс эрозии. Это имеет существенное зна­чение для выбора метода определения эрозии при искровой обработ­ке. Для определения эрозии при ЭИРО применяется метод единич­ных импульсов с использованием как параметров единичных лунок, гак и интегральной величины эрозии. При электроискровом легиро­вании наиболее приемлемой методикой изучения эрозии является определение ее интегральной величины.

Электрическая эрозия

После инициирования пробоя в междуэлектродном промежутке формируется канал разряда. Газоразрядная плазма канала взаимодей­ствует с локальными участками электродов, вызывает их разруше­ние - электрическую эрозию. В результате электрической эрозии ма­териал электродов выбрасывается в межэлектродиый промежуток в паровой и жидкокапельной фазах. Когда при электрической эрозии происходит хрупкое разрушение материала электродов, с газом и жидкостью в зазор может поступать и твердая фаза. Электрическая эрозия в газах и жидкостях, обусловленная взаимодействием плазмы импульсного разряда с поверхностью электродов, является сложным комплексным процессом, для объяснения которого необходимо при­влекать представления из электрофизики, теплофизики, гидродина­мики и других дисциплин. Для описания процесса электрической эрозии, обусловленного тепловыми явлениями на электродах, И.Г. Некрашевич и И.А. Бакуто предложили использовать следую­щее уравнение:

Щ^ = div(X - grad T) + цр(Ту², (1.8)

о/

где с - теплоемкость, Дж/(кг К); 6 - плотность, кг/м; Т - температу­ра, К; / - время, с; X - теплопроводность, Вт/(и-К); ч - термический эквивалент механической работы, Дж; р - удельное сопротивление материала электрода, Омм;у- плотность тока, А/м .

После решения этого уравнения массу эрозии за один разряд мож­но представить следующим уравнением:

32

VA ^m

/n = ^_T\l²dt. (1.9)

S~ о

Обобщенный аналитический параметр

^0.24pX(_{l +} a7;,.,)_{|n(|+ (1)0)}

где m - масса, кг; V - объем элементарной лунки, м³; х_п - длитель­ность импульса, с; / - разрядный ток, A; S- площадь поверхности элементарной лунки, м~; a - термический коэффициент расшире­ния, м/К; Т_пл - температура плавления. К; Х,_м- удельная теплота плавления, Дж/моль.

Полярный эффект при электрической эрозии

Полярный перенос эродированного материала анода на катод по­зволяет в процессе ЭИЛ формировать на катоде поверхностные слои, состоящие из чистого материала анода или являющиеся результатом взаимодействия между собой материалов электродов и межэлек­тродной среды. Но не всегда возможно получение покрытия из ме­талла на катоде. Интенсивность этого процесса зависит от многих факторов. В общем случае одним из важных условий переноса явля­ется полярный эффект эрозии, заключающийся в том, что по величи­не эрозия анода превосходит эрозию катода. Выразить это можно через критерий полярности К„:

к_п=Ь., (lid

_г

где у_к - эрозия катода, кг; у_а - эрозия анода, кг.

Если К_п < 1, то полярность положительна, а если К„ > 1, то поляр­ность отрицательная и переноса не будет. Опытные данные показы­вают, что для большинства электродов справедливы следующие со­отношения: если (ГцяОь > (7^™);,, то К» < 1; при (Т_ит1)_к < (Т_1и^)_Л, К_п>\.

Критерий полярности К„ зависит также от длительности и энергии импульсного разряда, а при одинаковых материалах электродов от их теплопроводности. С учетом сказанного критерий полярности можно записать следующим образом:

33

К_п=()_к-с_к/О_а-д_к; (1.12)

Q_a._K=Q_aJhxuJVu); (1.13)

где Q_nti - количество тепла, выделявшегося в зоне разряда на аноде и катоде, Дж; </_ак - полная теплота фазового превращения единицы массы электродов, Дж/кг; fT„ - энергия импульсного разряда, Дж; с/„_лм— скрытая теплота плавления, Дж/моль.

Выражение (1.11) указывает на связь эффекта полярности с эле­ментарными процессами в канале разряда и на поверхности электро­дов, так как электронно-ионные процессы в межэлектродном проме­жутке и на электродах в значительной мере обусловлены параметра­ми импульсных разрядов. Без учета динамики процесса выделения энергии в меж иекгродном промежутке и на электродах предложен критерий полярности, который связан только с физическими кон­стантами материалов электродов. Соотношение, описывающее про­цессы переноса, имеет следующий вид :

V*. =Я>Л(Т_а -Т₀)²/с,рХ(Т_к -Т,)², (1.15)

где т_ак периоды, соответствующие начальным стадиям очагов плавления и интенсивного испарения в «рабочих объектах» соответ­ствующих электродов, с; с_а._к - теплоемкость материала анода и като­да, Дж/(кг-К); рале^- удельное сопротивление материала анода и като­да, Ом м; у_ак -теплопроводность анода и катода, Вт/(мК); Г_аи Т_к — температура кипения материала катода и анода. К; Г₀- начальная температура электродов, К.

Хотя соотношение (1.15) не может являться общим критерием, но при постоянных значениях Г,,, tV„ его можно использовать для пред­варительной оценки грех видов взаимодействия между электродами из различных материалов:

а) если т_а«т_к, то пары анода конденсируются, образуя покры­ тие на твердой поверхности катода, так как интенсивное испарение анода наступает значительно раньше, чем плавление катода;

б) при т_а~- т_к возможно образование сплавов из материала анода и катода в поверхностном слое катода, так как процессы интенсивного испарения на обоих электродах происходят одновременно;

в) когда т_а»т_к, образование покрытий на катоде маловероятно.

34

Например, при т_а«т_к на Fe, Си и других металлах образуются покрытия Bi, Cd , Pb и др.; при т_а~т_к формируются слои твердых растворов (Fc - С , Fc - Сг, Fe - Со , Fe - Ni, Си - Со , Си - Ni и др.), интерметаллических соединений (FeBez, FeAl, РезС , С и Вез и др.); при т_а»т_к переноса Fe, Co , Ni и других элементов на поверхность из Sn, Pb , Cd практически не наблюдается. Экспериментальные дан­ные показывают, что помимо полярного эффекта, связанного со свойствами электродов и параметрами импульсного разряда, на яв­ление переноса значительно влияют свойства газовой среды, в кото­рой протекают процессы электрической эрозии и переноса, величина межэлектродного промежутка, изменение свойств поверхности элек­тродов в процессе взаимодействия импульсного разряда.

Меж электродная среда влияет на процесс переноса как посредст­вом физических явлений, протекающих в самом канале разряда (с изменением межэлектродной среды меняются температура и разме­ры канала, его форма, передача энергии от канала к электродам), так и через изменения поверхностных свойств электродов, связанные с взаимодействием материалов электродов с межэлектродной средой. Например* при ЗИЛ тугоплавкими материалами сталей аргон замет­но снижает электрическую эрозию анода и перенос но сравнению с обработкой на воздухе.

Влияние различных условии на формирование поверхностного слоя на катоде

Формирование поверхностного слоя при ЗИЛ осуществляется по­очередным локальным воздействием импульсного разряда на все участки обрабатываемой поверхности катода. При этом, как правило, требуемые параметры слоя получаются при многократном прохож­дении анода над одним и тем же участком катода. При ручной обра­ботке обычно оператор переметает вибратор или головку с вра­щающимся анодом вдоль (поперек) обрабатываемой поверхности, при механизированной обработке деталь чаще всего перемещается относительно неподвижной электродной головки. В большинстве случаев, для того чтобы получить равномерный слой по всей поверх­ности, необходимо определенное постоянное смещение анода отно­сительно зоны воздействия разряда на катоде. Формирование по­верхностного слоя при ЗИЛ - это динамический процесс, при кото­ром в едином цикле происходят эрозия и перенос анода на катод, а также постоянное взаимное перемещение электродов. Таким обра­зом, явление электрической эрозии и полярного переноса во времени

35

практически неразделимы. Поэтому только современный анализ ха­рактеристик дает полное представление о динамике процесса ЭИЛ. Количество перенесенного материала анода на катод обычно фикси­руется в виде изменения массы катода. Изменение массы катода за 1 мин при обработке 1 см" поверхности называют удельным приве­сом [мг/(см²мин)] и обозначают Ду. Общий привес (mi/cm²), полу­ченный в течение определенного времени обработки 1 см" поверхно­сти, называют суммарным привесом, или просто привесом, и обозна­чают у.

Влияние времени обработки и природы материала электродов на формирование слоя

Типичный характер зависимостей между привесом катода, эрози­ей анода и длительностью ЭИЛ при использовании различных энер­гий разряда приведен на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Характер зависимостей

между привесом катода, Эрозиен анода

и длительностью ЭИЛ: / и 2- привес

катода; /' и 2^% - эрозия анода:

/ и Г- обработка при мягких

режимах: 2 и I - обработка

при жестких режимах

Кривая / обычно получается при W„< 1 Дж (мягкие режимы), кривая 2 - при W_lx >1...2 Дж. Динамика формирования поверхност­ных слоев на катоде характеризуется тем, что интенсивность перено­са материала анода на катод максимальная в первые минуты прове­дения процесса, а при последующей обработке уменьшается.

В конечном итоге при определенных значениях энергии разряда перенос заменяется эрозией уже нанесенного слоя - привес катода становится отрицательным. Обычно в диапазоне энергий разряда 0,1...3,0 Дж обработка 1 см'поверхности в течение 0,5...2,0 мин дает максимальную или близкую к ней величину привеса катода. При большем времени обработки привес за единицу времени уменьшает­ся и в последующие Этапы обработки может периодически резко ме­нять свою величину (рис. 1.10), причем эта величина может прини­мать и отрицательные значения.

36

	Y-10'16
	14
	12
	to
	8
	6
Рис. 1.10. Зависимость	4
удельного (/) и	2 0
суммарного (2) привеса
титанового катода от
времени ЭИЛ

Интенсивность переноса в первые минуты ЭИЛ при прочих равных условиях зависит от свойств материала как анода, так и катода. Естест­венно ожидать, что количественно привес катода будет связан с веди-чиной эрозии анода. Следовательно, одним из факторов, определяющих интенсивность процесса ЭИЛ, может быть эрозионная стойкость мате­риалов, которая определяется теплофизическими свойствами материала электродов. При ЭИЛ для большого количества материалов анода стро­гой связи между привесом катода и теплофизическими свойствами ма­териала катода не наблюдается, хотя для отдельных групп материалов подобные корреляционные связи отмечаются. Анализ этого вопроса с точки зрения электронного строения материалов также не позволяет строго прогнозировать результаты ЭИЛ. Поэтому, учитывая большое число факторов, влияющих на ЭИЛ, наиболее достоверные количест­венные данные можно получить только экспериментальным путем для конкретных условий обработки. При анализе влияния свойств материа­лов катода на процесс формирования поверхностного слоя следует от­метить три варианта зависимости у =./(т):

а) кривые привеса носят обычный характер (см. рис. 1.9). В дан­ ном случае интенсивность переноса массы связывается с эрозионны­ ми свойствами материалов катодов;

б) на определенном этапе ЭИЛ отмечается отрицательный привес, который потом сменяется приростом массы катода. Например, при ЭИЛ титана металлами группы железа (Fe, Co, Ni) на первом этапе обработки происходит интенсивная эрозия катода, затем этот про­ цесс уменьшается, и дальнейшее легирование уже ведет к повыше­ нию привеса катода. Если высокая активность взаимодействия ис­ ходного титана с данными металлами служит одной из причин эро­ зии катода на первом этапе, то интенсивные физико-химические пре­ вращения (образование интермсталлвдов, оксидов гвердых раство­ ров) в поверхностном слое катода, приводящие к резкому изменению его свойств, могут объяснить дальнейший характер кривых привеса.

37

В этом случае в процессе обработки па поверхности гитана возника­ет своеобразный «подслой», на который в последующем идет пере­нос материала анода;

в) привес катода весь период обработки остается отрицательным. Этот вариант наблюдается при ЭИЛ алюминия, магния, а также ряда легкоплавких материалов. При легировании таких катодов их по­верхности обычно покрываются эрозийными лунками и только в не­которых случаях на поверхности встречаются следы материала ано­да. Большая эрозия катода, интенсивное испарение и выброс жилкой фазы материала катода из зоны разряда не позволяют в обычных ус­ловиях сформировать рабочий слой на поверхности катода.

Влияние параметров импульсного разряда

С увеличением энергии разряда интенсивность переноса возраста­ет и максимум привеса катода достигается за более короткий проме­жуток времени. Вместе с тем качество сформированных слоев при этом снижается: появляются поры, трещины, прожоги, неровности в виде бугров. Для большинства материалов с увеличением энергии наблюдается монотонный рост привеса катода. Но встречается и не­монотонный характер изменения привеса от энергий разряда. Для некоторых материалов при превышении определенной величины энергии разряда, например при W_%s > 3...5 Дж, привес катода стано­вится меньше, чем при малых значениях энергии. Объяснить данное явление только особенностями эрозий материала анода невозможно. По-видимому, в этом случае основную роль начинают играть про­цессы на катоде (величина эрозии катода или уже сформированного слоя, термические напряжения, фазовые и структурные превраще­ния), когда большая энергия разряда создает менее благоприятные условия переноса и формирования слоя.

При выполнении процесса ЭИЛ последовательным локальным воздействием импульсных разрядов на участках обрабатываемой по­верхности формируется измененный поверхностный слой (ИПС). Формирование ИПС является заключительным этапом динамичного процесса ЭИЛ, при котором в едином цикле происходит пробой МЭП, эрозия и перенос материала анода на катод при перемещении электродов. Качественные и количественные характеристики обра­зуемого поверхностного слоя в процессе ЭИЛ зависят от многих факторов. Наибольшее влияние оказывают характеристики импульс­ных разрядов, длительность обработки, природа материала электро­дов, газовая среда, вид движения анода (рис. 1.11).

38

Установлено, что в результате протекания единичного искрового разряда в точках соприкосновения канала разряда с поверхностью электродов имеет место выброс материала электродов с образовани­ем на их поверхности лунки с краями, несколько приподнятыми над поверхностью металла. Размер лунки зависит от электроэрозионной устойчивости материала электродов и энергии электрического им­пульса. При многократном действии импульсов в одну точку на ка­тоде образуется вместо слоя переносимого материала сильно увели­ченная в размерах лунка, что приводит к необходимости постоянного перемещения легирующего электрода относительно зоны воздейст­вия разряда на катоде.

Экспериментально установлено, что если контактирующая площадь анода больше площади образующейся лунки, то наиболее качественный слой получается при смещении электрода на 1/4 диаметра лунки.

К основным видам переноса и взаимодействия веществ электро­дов при ЭИЛ относятся:

1. образование покрытий на катоде из материала анода;

2. образование сплавов (смесей, твердых растворов и интерметал-лидов) в поверхностном слое катода в результате взаимной диффу­зии элементов катода и анода;

3. перенос вещества с катода на аноде образованием покрытий.

<^^_

₁

_v

знаэ*

Г~ИЬ

_Ш£

_I

ЧУ

.11

Рис. 1.11. Схема нанесения покрытии па металлические поверхности:

а - момент пробоя ме.юлеьл родного промежутка; б-отделение от анода капли расплавленного металла; б- - взрыв расплавленной

капли; г - осаждение и внедрение материала анода на катоде;

д - момент контакт >лсю родов: е - расхождение злекгродов

39

Основным приемом, используемым в получении многослойных покрытий с применением метода ЭИЛ, является нанесение;

• многослойных покрытий только методом ЭИЛ;

• комбинированных покрытий.

В первом случае нанесение многослойных покрытий связано в основном с упрочнением режущего и штампового инструмента. Двухслойные покрыгия включают слои разного состава: твердый еллав (феррохром) и графит (меднографит, медь, хром) или графит и твердый сплав. Нанесение второго слоя также предназначается для снижения шероховатости, улучшения теплоотвода, повышения жа­ростойкости, улучшения фрикционных свойств.

Во втором случае для получения многослойных покрытий эф­фективной представляется комбинированная обработка, основан­ная на сочетании ЭИЛ с различными методами нанесения покры­тий, такими, как химико-термическая обработка (ХТО), гальвани­ческие покрытия, покрытия, нанесенные газоплазменным и плаз­менными методами, ионно-нлазменным напылением, лазерной обработкой.

Анализируя имеющуюся информацию, можно сделать вывод о том, что проблему малой толщины наносимого методом ЭИЛ слоя-до 100 мкм (что значительно сокращает область применения ЭИЛ) можно решить, применяя:

• материалы, образующие неограниченные твердые растворы с железом (Cr, Ni, Co, Мо, V), в качестве электродов;

• более инертную среду, в которой осуществляется легирование;

• установки ЭИЛ на жестких режимах, в том числе и высокочас­тотные;

• многослойные покрытия из материалов, образующих твердые растворы с железом в сочетании с материалами, дающими необхо­димые эксплуатационные характеристики поверхностного слоя (микротвердость, жаростойкость, коррозионная стойкость, износо­стойкость и др.);

• новые материалы, содержащие в себе элементы, дающие не­обходимые эксплуатационные характеристики поверхностного слоя (W, Ti и др.), и элементы, образующие твердые растворы с железом.

4(1

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные методы осаждения слоев с применением низкотемпературной плазмы.

2. Является ли обязательным применение пониженного давления в реакторе при реализации процесса ионно-плазменного осаждения пленок?

3. Основные химически реакции при ионно-плазменном осажде­нии пленок оксидов.

4. По каким причинам при формировании оксидных и нитридных слоев используется высокочастотный электрический разряд?

5. Механизм формирования электропроводящих слоев в электро­искровом разряде.

6. Что вкладывается в понятие «электроискровой разряд»?

7. Принципиальные отличия и особенности бесконтактного мето­да ЗИЛ.

8. Перечислите три основные закономерности эрозии при ЗИЛ.

9. В чем заключается механизм переноса всшсств электрода на поверхность подложки?

10. Какие материалы подложки и электрода целесообразно ис­пользовать для нанесения покрытия?

11. От чего зависит пористость нанесенною покрытия?

12. Имеет ли место взаимодействие материалов подложки и по­крытия в процессе его нанесения и почему?

13. Укажите основные технологические схемы получения нитрид­ных пленок ионным распылением.

14. Почему существует зависимость скорости нанесения пленки от распределения бомбардирующих мишень ионов по энергии?

15. По какой причине при ионном распылении необходимо под­держивать рабочее давление на минимально допустимом уровне?

16. Основные химические реакции при ионно-плазменном форми­ровании нитридов.

41