Лекція 3
1.4 Розпилення матеріалів при вакуумно- конденсаційному напиленні покриттів
Отримати атомарні, іонні та молекулярні потоки можна розпиленням твердих матеріалів.
Це явище вперше було помічене на катоді тліючого розряду. Розпилюваний матеріал був катодом. Спосіб використовується при розпиленні діелектриків. Для розпилення частіше за все використовують іонне бомбардування, тому що можна легко регулювати кінетичну енергію іонів.
Незважаючи на великий експериментальний матеріал єдиного погляду на процес розпилення немає. Існує декілька моделей, пояснюючих це явище.
1 Модель теплової плями (рисунок 1.11, а). Відповідно цій моделі у місці бомбардування іона за рахунок його загальмовування виділяється енергія, яка призводить до локального розігрівання та розплавлення. Це спричиняє інтенсивне випаровування матеріалу катода. Але енергія розпилених атомів значно більша випарованих. В цьому є неадекватність цієї моделі.
2 Модель теплового клину (рисунок 1.11, б). Суть цієї моделі в тому, що іон, який падає, б‘ється до атомів кристалічної ґратки, веде її до збудженого стану, таким чином підсилює коливання ґратки. Утворюється “збуджена зона” у вигляді клину. Атоми відриваються і залишають метал. Модель неадекватна за тими ж причинами, що і попередня.
3 Модель іонно-атомних зіткнень (рисунок 1.11, в). Модель заснована на виштовхуванні атомів кристалічної ґратки. Іон вибиває атом і передає йому частину своєї енергії.
Залежно від енергії падаючого іону можуть бути наступні види зіткнень.
1 При високих енергіях іона екрануюча дія електронної оболонки атома, який зміщується, відсутня. Виникає Кулонівське відштовхування ядер. Така взаємодія називається Резерфордівською (рисунок 1.12, а).
2 При середніх енергіях іона, електронна оболонка екранує частково, іон вклинюється слабо (рисунок 1.12, б).
3 При низьких енергіях падаючий іон повністю екранується електронною оболонкою. Взаємодія відбувається за типом “крижаних кульок” (рисунок 1.12, в).
а
б
в
а – модель теплової плями; б – модель теплового клину;
в – модель іонно-атомних зіткнень
Рисунок 1.11 – Схема катодного розпилення
(–)
(–)
(–)
а
б
в
а – Резерфордівська взаємодія; б – слабке вклинювання іону;
в – взаємодія за типом “крижаних кульок”
Рисунок 1.12 – Види зіткнень іонів з атомами
Інтенсивність процесу катодного розпилення характеризується коефіцієнтом розпилення S.
,
(1.1)
де N0 – кількість вибитих атомів; Ni – кількість падаючих іонів.
Для початку процесу розпилення достатньо, щоб іон мав деяке мінімальне значення енергії, яке має назву порогової енергії розпилення.
Для більшості матеріалів значення порогової енергії розпилення знаходиться в діапазоні від 10 еВ до 100 еВ. Вона визначається типом кристалічної ґратки, атомним номером та іншими індивідуальними властивостями. З підвищенням енергії іона процес розпилення збільшується (рисунок 1.13).
I
II
III
IV
V
Рисунок 1.13 – Залежність коефіцієнта розпилення S від енергії бомбардуючих іонів
Область І належить до порогових значень енергій.
В області II енергія іонів близька до порогової, процес розпилення починається поступово і різко зростає. Вибиваються у першу чергу атоми з меншою кількістю зв'язків.
В області ІІІ відбувається лінійне збільшення коефіцієнта розпилення.
IV область – зменшення процесу розпилення, яке пов'язано з більш глибоким проникненням іонів.
V область – іони настільки глибоко заходять у метал, що відбувається процес зменшення розпилення.
Експериментальними дослідженнями на золоті, яке опромінювалось іонами аргону, було встановлено, що вихід вибитих атомів іде з глибини атомних шарів.
Коефіцієнт розпилення залежить від ступеня заповнення оболонки електронами. Найбільші коефіцієнти розпилення мають матеріали із заповненими d-оболонками. Це Сu, Аg, Аu. Те ж відноситься і до іонів, які падають.
Серед інертних газів найбільш розпилюючу дію мають гази, у яких заповнена р-оболонка.
Переваги катодного розпилення в тому, що:
- отримані покриття мають однорідну структуру і високу міцність зчеплення з основою;
- можна отримувати покриття розпилюючи матеріал з дуже різною летючістю компонентів.