1.6 Ионно-плазменная очистка
Химические и механические методы, успешно применяемые для очистки больших загрязнений, не пригодны для удаления адсорбционных газов с поверхности изделий и устройств, находящихся в вакуумной камере. В процессе напыления адсорбированный газ из-за термической активации начинает интенсивно испаряться с различных поверхностей внутри камеры и изменяет процентный состав газов. На свойства же осажденных пленок решающее влияние оказывает не абсолютное значение давления остаточных газов, а величина парциальных давлений химически активных газов таких, как кислород, вода, углеводородные радикалы.
После механической очистки, промывки, очистки химическими растворителями и сушки детали возникает необходимость в ее очистке от адсорбированных слоев и в уменьшении процентного содержания активированных газов в атмосфере камеры. Исследования показали, что для достижения этой цели наиболее эффективным из традиционных методов является очищающее действие тлеющего разряда. Кроме того, очистка подложки в тлеющем разряде позволяет получать покрытия с высокими адгезионными свойствами.
Перед загрузкой деталей в вакуумную камеру полезно их обезжиривать нагревом, особенно при загрузке больших партий деталей. Несмотря на эффективность очистки подложек тлеющим разрядом, этот процесс в вакуумной технологии носит предварительный характер, так как высокая адгезия покрытий при плазменном напылении в вакууме достигается в основном процессом ионного травления (ионной очистки) ионами того материала, который будет использован для нанесения покрытий.
Процесс ионного травления заключается в бомбардировке очищаемой поверхности ионами с энергией до 1-2 кэВ и в создании атомарно чистой поверхности подложки, в легировании ее атомами то материала, который будет использован для нанесения покрытия, в создании дефектного поверхностною слоя с большим количеством активных центров сорбции и предварительном нагреве поверхности перед напылением.
Очистка поверхности подложки при ионной обработке происходит вследствие:
десорбции загрязнений, происходящей под воздействием ионов, электронов и нейтральных частиц;
фотодесорбции под действием ультрафиолетового излучения из ионного источника или области тлеющего разряда;
термодесорбции загрязнений из-за нагрева подложки падающими частицами;
изменения структуры и фазового состава поверхности подложек под действием быстрых частиц.
Механизм 4 обусловливает активацию поверхности подложки, которая заключается в разрыве поверхностных связей подложки, вследствие чего облегчается процесс образования новых связей.
Процесс ионного травления предпочтительнее проводить с использованием автономных источников ионов, т.к. они позволяют лучше контролировать такие важные параметры как поток и энергию ионов. Метод ионного травления позволяет получить удалять все виды загрязнений (жиры, адсорбированную воду, газы, окислы, карбиды, нитриды). Вследствие этого можно очищать поверхности металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков, имеющих любую твердость и прочность сцепления с материалом. Достоинством этого метода очистки является и то, что использование относительно низкой энергии ионов (
300 эВ) не вызывает заметных повреждений приповерхностных слоев материала. В практике применяют для очистки пучки ионов с плотностью тока до 10 мА/см2 и энергией ионов до
30-50 кэВ. В случае полимерных подложек, например полипропилена, ионная обработка поверхности позволяет не только удалять адсорбированные атомы, но и образовывать радикалы из молекул газа. Эти радикалы, взаимодействуя с поверхностью полимера, увеличивают се химическую активность, способствуя образованию прочных химических связей между наносимой пленкой и полимером.
Рассмотрим условия, обеспечивающие наибольшую эффективность процесса ионного травления.
Известно, что на поверхности материала существуют насыщенные газом поверхностные слои толщиной hзагр. В частности, эти слои могут быть окисными пленками, имеющими толщину hзагр= 0,03-0,5 мкм.
Следовательно, на первом этапе ионного травления осуществляется удаление этот поверхностного слоя.
Ионное травление происходит при одновременном протекании процессов распыления атомов с поверхности, попадания молекул остаточного газа с плотностью jk на поверхность подложки из объема вакуумной камеры и поступления атомов загрязнений с плотностью jд из объема материала летали за счет стравливания поверхности и диффузии. Режим эффективной динамической очистки с движением границы внутрь материала достигается при выполнении условия
jрасп > jзагр. = jд + jk, (1.1)
где jрасп – плотность распыленных частиц с поверхности детали.
Многочисленные исследования показали, что среди различных факторов, влияющих на процесс формирования покрытия, существенным является температура подложки. При некоторых характерных температурах происходят качественные изменения механизма и кинетики образования покрытий, что приводит к резким изменениям структурных и физических свойств получаемых конденсатов.
Еще одним методом повышения адгезии является ионное ассистирование. Это разновидность процесса атомарного нанесения пленок при одновременном воздействии на подложку потока ионов. Для получения хорошей адгезии важны следующие возможности:
1) создание и поддержание чистой поверхности до конца образования пленки вследствие распыления;
2) создание высокой плотности потока энергии, достаточной для нагрева поверхности без нагрева основной массы образца, чтобы усилить процессы диффузии, химические реакции и т. д.;
3) изменение напыляемой поверхности из-за создаваемых дефектов и физического перемешивания пленки с материалом подложки.
Экспериментальные исследования показали, что с помощью ионного ассистирования можно влиять на формирование и структуру тонких пленок. На ранней стадии формирования пленки главный эффект ионной бомбардировки связан с увеличением концентрации центров конденсации. Дальнейший рост пленки определяется увеличением подвижности и атомов под действием ионного облучения. Активизируется также миграция островков, что воздействует на механизм роста пленки и се структуру.
Степень очистки подложки зависит от ее исходного состояния и требований, предъявляемых процессом нанесения покрытия. Обработка, необходимая для стального листа со смазкой и окалиной, значительно отличается от обработки тонкой или хрупкой пластины либо подложки для прецизионных деталей. В таблице 1.3 очерчен широкий круг типов поверхностей и возможных операций их очистки и обработки.
Таблица 1.3 – Операции подготовки поверхности перед нанесением покрытия
Тип поверхности или загрязнения
|
Обработка
|
Запыленная поверхность
|
Отсасывание пыли
|
Твердая грязь, плохо сцепления с поверхностью
|
Зачистка жесткой или мягкой щеткой; Отсасывание
|
Твердая грязь, хорошо сцепленная с поверхностью
|
Абразивная, пескоструйная или дробеструйная обработка частицами разных размеров (металлической дробью, стеклянными бусинками или керамической гранулами)
|
Органические загрязнения: жир, масло
|
Промывка в органическом растворителе
|
Неорганические загрязнения: окалина известного состава, например, ржавчина
|
Шлифовка; стравливание6 в соответствующей кислоте и (или) щелочи с промежуточной промывкой; электроочистка катодная (или анодная)
|
Смачивание подложки
|
Промывка в чистой или деонизированной воде
|
Неплотная окалина
|
Травление в кислоте или щелочи и промывка
|
Мелкие частицы или мусор
|
Ультразвуковая очистка
|
Операция окончательного обезжиривания
|
Очистка парами органического растворителя при принятии соответствующих мер предосторожности; растворители: трихлорэтилен, ксилол и т.п.
|
Чрезмерная шероховатость
|
Соответствующая обработка давлением
|
Специфический случай метуллургически несовместимых поверхностей
|
Термообработка для изменения фазового состава и (или) микроструктуры или наненсение с помощью подходящей методики промежуточных слоев, играющих роль диффузионных барьеров
|
|
Скачать 6.14 Mb.