7. Йоно-плазмова обробка материалв

7.1. Різновиди обробки

Іонно-плазмова обробка заснована на взаємодії іонів інших енергетичних частинок, отриманих в низькотемпературній плазмі, з поверхнею твердого тіла. Результатом взаємодії потоку частинок в розрідженому середовищі з поверхнею є обложена плівка з частини видаленої речовини або перетворена поверхня. Це дає можливість застосовувати процеси іонно-плазмової обробки для нанесення плівок різноманітних матеріалів, очищення, поліровки поверхні, труїть і формування прецизійних топологічних малюнків у виробництві напівпровідникових приладів і мікросхем, резисторів, конденсаторів, фотошаблонів, пьезокварцевых приладів м т.п. Застосування іонно-плазмової обробки розповсюджується і на інші області техніки, наприклад, оптику і машинобудування, де вона використовується для отримання полірованих поверхонь, зміцнення інструменту, захисту поверхонь износе- і корозійний-стійкими покриттями і т.п.

Низькотемпературна газова низького тиску плазма, використовувана в даних процесах, є слабо іонізований газ, що складається з суміші стабільних і збуджених атомів і молекул, продуктів дисоціації молекул-радикалів, електронів, позитивно і негативно заряджених іонів.

Плазма утворюється при зовнішній енергетичній дії на речовину за допомогою різного роду газових розрядів в сильних постійних і змінних електричних і постійних магнітних полях. Характерна частота змінного електричного поля, вживаного для утворення плазми, коливається в широких межах - від одиниць кілогерц до одиниць гігагерц. Магнітне поле забезпечує утримання плазми в заданому просторі і, збільшуючи довжину шляху руху електронів, підвищує ступінь іонізації газу.

Основним процесом створення активних частинок плазми інертних газів є іонізація. При утворенні плазми багатоатомного газу основними є процеси збудження і дисоціації. Число іонів, що утворюються, відносне мало. Дисоціація молекул речовини забезпечує освіту високо хімічно активних продуктів - радикалів, здатних енергійно вступати в гетерогенні хімічні реакції з матеріалами, утворюючи легко летючі з'єднання, що видаляються відкачуванням. Зміною параметрів електричного розряду» того, що формує плазму, і виду газу можна вправляти складом хімічно активних частинок, тобто управляти дією на матеріали. Іонізована складова частинок плазми - легко відбирається і прискорюється електричним полем до необхідних енергій. Важливим чинником, що визначає перевагу використання іонів, є можливість управління їх рухом, тобто спрямованістю їх дії на матеріали.

Основу іонно-плазмової обробки складає дія на матеріали «енергетичних» активних і неактивних частинок плазми. Поняття «енергетичні» подразумевает високу кінетичну або потенційну енергія частинок. При фізичній взаємодії кінетична енергія частинок є основною і може перевищувати теплову на декілька порядків величини. Частинки набувають здатності при зіткненні з поверхнею матеріалу фізично розпилювати його.

Висока потенційна енергія частинок визначається наявністю ненасичених хімічних зв'язків» Взаємодія таких частинок з оброблюваним матеріалом веде до формування хімічних сполук.

Дані процеси іонно-плазмової обробки обмежуються поверхнею і приповерхностными шарами матеріалів» оскільки кінетична енергія частинок не перевищує декілька килоэлектронвольт (10-16 - 10-15 Дж). При таких енергіях товщина поверхневого шару» в якому здійснюється взаємодія енергетичних частинок з матеріалами, не перевищує декількох десятків атомних шарів у поверхні (декількох нанометрів).

Ефективність протікання процесу фізичного розпилювання і процесу хімічної взаємодії слабо залежить від того заряджена частинка чи ні. Визначальним чинником є її енергія - кінетична або потенційна, оскільки вже на відстані декілька десятих нанометра поблизу оброблюваної поверхні відбувається нейтралізація іонів електронами, що вириваються з матеріалу електричним полем іонів.

Процеси іонно-плазмової обробки систематизують за двома основними ознаками:

• природі взаємодії енергетичних частинок плазми з матеріалами (фізичне і хімічне);

• способу здійснення взаємодії (іонне і плазмове).

Фізична взаємодія характеризується обміном енергій і імпульсом в пружних зіткненнях атомних частинок і приводить до розпилювання матеріалу з поверхні.

Хімічна - визначається непружними зіткненнями з обміном електронами між атомами і приводить до хімічних перетворень оброблюваного матеріалу.

При фізичному розпилюванні всі енергетичні зв'язки атома з іншими атомами розриваються, і він може віддалитися з поверхні.

При хімічному - енергетична дія направлена на електронні зв'язки атома в матеріалі. Ослаблення, розривши і встановлення нових зв'язків може приводити до видалення частинок матеріалу з поверхні у вигляді з'єднань з атомами енергетичних частинок.

У даних процесах неможливо повністю розділити кінетику фізичної і хімічної взаємодії. Кожний з процесів, фізичний або хімічний, несе в собі елементи іншого. Проте в реальних процесах іонно-плазмової обробки завжди можна виділити переважний механізм, що визначає ефективність їх протікання.

Друга ознака систематизації визначається відмінністю технологічних характеристик іонно-плазмової обробки при різних способах її здійснення. Якщо матеріал піддається дії всього набору частинок плазми - збуджених атомів і молекул, радикалів, позитивно і негативно заряджених іонів, електронів, а також ультрафіолетовому і тепловому опромінювання з плазми - це плазмова обробка.

Якщо оброблюваний матеріал знаходиться поза плазмою і обробляється тільки іонами, що відбираються з плазми, - це іонна обробка. Природа енергетичних іонів визначає чи буде взаємодія фізичною або хімічною.

Різним способам властиві характерні діапазони тиску в зоні обробки: плазмовому - вищий, іонному - більш нижчий.

У таблиці 7.1 систематизовані за ознаками природи взаємодії і способом здійснення найбільш поширені технологічні операції, здійснювані за допомогою іонно-плазмових процесів. Слід зазначити, що процеси нанесення є багатостадійними і включають як складову частину стадія розпилювання матеріалів.

Таблиця 7.1

Процеси іонно-плазмової обробки.

Спосіб природа взаємодії

обробки фізична хімічна

Труїть розпилюванням в Плазмохимічеськоє труїть

плазмі

Йонно-плазмове нанесення Реактивне іонно-плазмове плазмовий труїть

Реактивне іонно-плазмове

нанесення

Іонний те, що іонно-променеве труїть іонно-хімічне таким, що труїть Нанесення іонно-променевим розпилюванням Реактивне іонно-променеве нанесення