ВЧ плазменная модификация поверхности диэлектрических материалов и тонкопленочных покрытий (90

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Казанский государственный технологический университет»

Сагбиев И. Р.

ВЧ ПЛАЗМЕННАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ

препринт

Казань

КГТУ

2007

ВЧ ПЛАЗМЕННАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ

В работе представлены результаты модификации таких диэлектриков, как поликор, ситалл, сапфир, стекла различных марок (KB, K8, силикатные), кварц, пирекс, галлий- гадолиниевый гранат, искусственный алмаз, полиэтилен.

Поликор, ситалл применяются в микроэлектронике при изготовлении подложек микросхем. Специальные марки стекол используются в оптической промышленности и лазерной технике. Порошки искусственного алмаза применяются для изготовления алмазированного инструмента (алмазированные медицинские боры, алмазированный обрабатывающий инструмент, специальный инструмент для алмазного полирования). Органический диэлектрик – полиэтилен с металлическими покрытиями – применяется в декоративных целях, в электронной промышленности, в медицине, волокна полиэтилена используются для изготовления композиционных материалов.

Необходимость плазменной модификации перечисленных материалов вызвана потребностями развития науки и техники, связанными с переходом на качественно новый уровень управления свойствами изделий за счет создания и модификации нанослоев.

1. Материалы и методики исследования взаимодействия плазмы

Обработка материалов проводилась на установке, описанной в [1].

Характеристики плазменного воздействия определяли по методикам, представленным в работе [1].

3

Диэлектрики. Воздействие плазмы на структуру стеклянных образцов исследовалось методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Исследование ЭПР в стеклах проводилось на стандартном радиоспектрометре РЭ- 1301 при комнатной температуре. Измерения, проведенные непосредственно после обработки плазмой, не показали резонансного поглощения в стеклах, поэтому для обнаружения дефектов, создаваемых плазмой, стекла облучались гамма-излучением на установке "Кобальт-60" до

плазмой, облучению подвергались и контрольные образцы. Для устранения различия в коэффициентах заполнения резонатора спектрометра крупинки стекол брались примерно одинаковых размеров от одного и того же куска исследуемого

устанавливался в резонаторе в одном и том же положении. При обработке поверхности оптических стекол обычно

требуется сохранить ее геометрию. Для определения неплоскостности и неровности поверхностей образцов применен интерференционный метод Физо.

В качестве образцов изделий для исследований результатов ВЧ плазменной модификации выбраны боры стальные с алмазированной рабочей частью.

Эффективность очистки порошка искусственного алмаза контролировалась с помощью СВЧ метода.

Для исследования диэлектрических свойств порошков использовалась СВЧ система. В резонаторе размещался исходный продукт или обработанный в плазме и снималась амплитудно-частотная характеристика резонатора. Сдвиг резонансной частоты резонатора при размещении порошка указывает на изменение диэлектрической проницаемости ε П1, а перемена добротности – на изменение тангенса угла

диэлектрических потерь tgδ П1 (рис.1) Полученные сведения об изменении после ВЧ плазменной обработки εП1 и tgδП1

4

позволяют судить о наличии в неочищенном порошке алмаза металлических включений.

Эффективность плазменной обработки алмазного порошка определяли после изготовления алмазированных стоматологических боров по их наработке до отказа. Наработка алмазированных боров определялась путем сверления оконного стекла толщиной 5 ± 0,3 мм с частотой вращения головок 50000 ±100 об/мин. Сошлифованная масса стекла определялась как разность значений взвешенного стекла до и после сверления. Взвешивание проводилось на аналитических весах с точностью до 5 знака, усилие прижима рабочей части алмазной головки АГЦ-2,5П к стеклу – 1 ± 2 Н. В результате сверления стекла режущие кромки алмазов тупятся (изнашиваются) и в процессе дальнейшего сверления алмазы выпадают. За отказ работы алмазной головки принимается 50% выкрошенного количества кристаллов алмаза от их первоначального значения.

Рис.1. Амплитудно- частотные характеристики резонатора СВЧ без порошка (1), с очищенным (2) и неочищенным (3) порошком синтетического алмаза

Исследовалась стабильность во времени характеристик поверхности после плазменного воздействия. Образцы

5

размещались в эксикаторах и выдерживались заданное время. Перечисленные параметры материалов измерялись непосредственно после эксперимента через 24, 48, 72 часa и 6

месяцев.

Тонкопленочные покрытия. При установлении закономерности взаимодействия неравновесной низкотемпературной плазмы с покрытиями, кроме вышеперечисленных испытаний, проводились исследования структуры и свойств покрытий и материалов с покрытиями по следующим методикам.

Адгезионная прочность (АП) системы "покрытие – подложка" определялась методами нормального отрыва и царапанием. При нормальном отрыве использовалось специальное центрирующее приспособление и цилиндрические металлические грибки. Они приклеивались к покрытию и подложке. Склеивание производилось эпоксидной композицией горячего отверждения, которая

позволила измерять АП до 108 Па и более. Сила отрыва определялась на маятниковой разрывной машине FM-500. АП оценивалась отношением силы отрыва к рабочей площади грибка.

Термические напряжения измерялись дисковым методом. Электроннографические исследования проводились на электронном микроскопе TESLA BS-500.

Пористость покрытий оценивалась гидростатическим взвешиванием. С помощью микроскопа МИИ-4 измерялась толщина покрытия. Скорость роста пленки определялась как отношение толщины покрытия к продолжительности его напыления. Емкость и тангенс угла диэлектрических потерь

тонкопленочных конденсаторов (ТПК) измерялись на приборе Е7-4.

У металлических пленок измеряли удельное поверхностное сопротивление R0, температурный

коэффициент сопротивления ТКС и адгезионную прочность АП. Удельное поверхностное сопротивление измерялось 4-

6

зондовым компенсационным методом. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) определялся по формуле

TKC = R0 , R0 T

где Т = Т2 – Т1, Т1 и Т2 – значения температуры на образце, определенные с помощью хромель-копелевых термопар, R0 – разность удельных поверхностных сопротивлений R0 при Т1 и Т2, измеренных 4-зондовым

компенсационным методом.

В тонкопленочных конденсаторах толщина диэлектрика составляет 0,05 – 1 мкм. Последняя ограничена снизу допустимым процентом выхода годных конденсаторов и рабочим напряжением, а сверху – механической прочностью получаемой структуры. Пленка толщиной в несколько микрон и более имеет малую АП к нижележащим слоям из-за больших внутренних напряжений.

~

У ТПК исследовались удельная емкость Cуд ,

диэлектрическая проницаемость ε , тангенс угла диэлектрических потерь tgδ1 , ТКС. У всех покрытий

исследовалось изменение структуры поверхности под воздействием ВЧ плазмы.

2. Взаимодействие ВЧ плазменной обработки на характеристики диэлектрических материалов

Исследовалась зависимость результатов ВЧ плазменной модификации поверхности материалов от входных параметров плазмотрона (расход плазмообразующего газа, давление, мощность разряда), основных параметров обработки – энергии ионов и плотности ионного тока в СПЗ, а также степени термической неравновесности. При этом использовались зависимости основных параметров плазменной обработки от входных параметров плазмотрона

[1].

7

Исследование процесса плазменной полировки проведено на примере взаимодействия плазмы ВЧ разряда пониженного давления с поверхностями стекол и сапфира. Модификация поверхностей проводилась при варьировании основных обобщенных параметров обработки в следующих пределах:

Wi = 50 – 100 эВ, ji = 0,5 – 3 А·м2. С этой целью использовался ВЧЕ разряд пониженного давления и его плазменная струя. Параметры обработки варьировались в следующих пределах: р – от 13,3 до 70 Па, Pp – от 1,2 до 2,3

кВт, Gг – от 0,02 до 0,25 г/с, lu – от 0 до 100 мм.

Спецификой плазменной полировки стекол является необходимость одновременного повышения класса шероховатости с удалением дефектного слоя, образованного на поверхности при механической обработке. Такие требования к полировке стекол выдвигаются из-за того, что основной задачей уменьшения шероховатости поверхности является повышение прозрачности и коэффициента пропускания света, уменьшение рассеяния, а также повышение механической прочности.

Эффективность плазменной обработки определяли по величине коэффициента рассеяния, δRa и виду поверхности,

получаемому на фотографиях с помощью электронных микроскопов. Результаты, получаемые при такой обработке, рассмотрены на образцах из стекол марок KB, K8, К108, ТФ104 и сапфира. На рис. 2 приведены фотографии поверхностей сапфира до и после обработки, полученные с помощью электронного микроскопа “ ТЕSLA-ВS-500”. Сопоставление фотоснимков для одного и того же образца показывает, что микродефекты поверхности (размеры от 0,1 до 1 мкм) после обработки плазмой исчезают и образуется новая, более сглаженная и однородная микроструктура поверхности. Дальнейшая обработка образцов не приводит к изменению полученных микроструктур поверхностей. Оценки показывают, что при обработке высокочастотной

8

плазмой диэлектриков достигается 14 класс шероховатости и выше.

Изменяя продолжительность обработки tобр, можно

исследовать процесс изменения микроструктуры поверхности. Сопоставление фотоснимков показывает, что при обработке плазмой сначала происходит раздробление больших микродефектов на более мелкие и затем удаление их с поверхности потоком плазмы.

Рис.2 Фотографии поверхности сапфира, х28000.

а) – до плазменной обработки, б) после плазменной обработки, tобр=30 мин.

9

Исследования геометрии поверхностей показали, что обработка плазмой в выбранных режимах не приводит к изменению неплоскостности и макронеровности. Исследования методом ЭПР показали, что воздействие в выбранных режимах не приводит к образованию дополнительных дефектов в поверхностном слое.

На рис. 3 представлена зависимость δRa от Wi , ji. Видно,

что значения основных обобщенных параметров обработки выше тех, при которых достигаются максимальные значения

низкокаталитичными материалами относительно гетерогенной рекомбинации атомов. При этом, например, эффективные вероятности гетерогенной рекомбинации азота и кислорода на кварце не зависят от температуры поверхности в диапазоне от 300 до 1300 К. Следует отметить, что характер зависимостей аналогичен подобным зависимостям для металлов [2]. Это подтверждается выводом о том, что основной вклад в этот процесс вносят рекомбинация ионов и распыление микронеровностей под воздействием селективной бомбардировки низкоэнергетическими ионами.

Плазменная обработка силикатных стекол, используемых в авиастроении, повышает их прозрачность в 1,5 раза.

Основными показателями очистки порошка синтетического алмаза выбраны изменение диэлектрических свойств порошка ( eП1 и tgδ П1 ) и сравнительные испытания на

износ. Режим обработки: Wi = 60 эВ, ji = 0,7 А/м2.

10