Закономерности образования и роста вакуумных покрытий

 

Элементарные процессы, протекающие на поверхности при образовании покрытий, в значительной степени зависят от условий и режимов формирования тонкопленочной системы, технологии нанесения покрытий. В случае осаждения покрытия в вакууме из газового потока кинетика роста покрытий, их структура и свойства зависят от следующих основных параметров:

1. Давления остаточных газов в вакуумной камере. Достаточно обосновано эмпирическое правило: чем выше давление в камере, тем ниже качество покрытия.

2. Плотности потока падающих на поверхность атомов j. При возрастании j, как правило, происходит более интенсивное зародышеобразование конденсированной фазы и повышается сплошность покрытия, увеличивается его адгезионная прочность и коррозионная стойкость.

3. Температуры поверхности подложки. При ее повышении формируется покрытие с более равновесной структурой. Однако при этом снижается его сплошность и скорость осаждения. Изменение температуры покрытия после его нанесения может быть причиной полиморфных превращений, которые, в общем случае, оказывают сложное влияние на их структуру и свойства.

4. Степени ионизации и энергии падающих атомов. Повышение степени ионизации и энергии падающих атомов до определенного предельного значения способствуют повышению качества осаждаемого покрытия. При больших значениях энергии атомов, взаимодействующих с поверхностью и участвующих в процессах роста пленки, возможно образование в ней структурных дефектов и даже, при определенных режимах, – травление растущего покрытия.

Процесс осаждения вакуумных покрытий является многофакторным и достаточно сложным. Рассмотрим основные стадии и механизмы роста покрытий при их осаждении из газового потока.

Пусть на поверхность твердого тела, находящегося в вакууме, действует поток частиц с плотностью j (на практике, в технологии осаждения покрытий используются потоки с j ~ 10¹⁰…10²⁰ ат./(с×м²)). При взаимодействии отдельного атома с поверхностью протекают следующие относительно элементарные процессы:

1. Энергообмен (аккомодация) с поверхностными атомами подложки. В зависимости от условий энергообмена, природы взаимодействующего атома и атомов подложки возможны две взаимоисключающие друг друга ситуации (рисунок 5):

а) атом упруго отразился;

б) атом закрепился на поверхности – перешел в адсорбированное состояние.

 

Рисунок 5 – Взаимодействие атомов с поверхностью

 

Для характеристики термической аккомодации используют коэффициент аккомодации а_т, который определяет долю энергии, переданной атомам поверхности при взаимодействии. Если распределение по энергии падающих и исходящих с поверхности атомов подчиняется закону Максвелла, то

а_т или а_т,

где Е¯ и Т¯ – энергия и температура атомов, поступающих на поверхность; Е­ и Т­ – энергия и температура атомов, уходящих в газовую фазу; Е_п и Т_п –энергия и температура атомов подложки.

При Е­=Е_п имеем а_т=1, т. е. наблюдается полная аккомодация. Считается, что всегда при реализующихся на практике условиях и режимах осаждения а_т£1.

Установлено, что практически полный энергообмен между атомами на поверхности происходит за время, равное двум периодам согласованных колебаний адсорбированного атома (адатома) и атома подложки: t_т»2t_о (t_о– период колебаний атомов в решетке, t_о~ 10^-12…10^-13с).

Расчеты показывают, что если массы атома подложки и атома, взаимодействующего с поверхностью, примерно равны и Е¯ < 25 E_а то аккомодация практически всегда полная, и в итоге атом закрепляется (адсорбируется) на поверхности. Если взаимодействующий с поверхностью атом имеет массу меньшую атома подложки, то аккомодация всегда неполная (а_т<1).

2. Поверхностная диффузия. В зависимости от условий формирования покрытий, адсорбированный атом в процессе диффузии может либо закрепиться на зародыше конденсированной фазы (устойчивой металлической частице), либо же через некоторое время t_а, называемое временем жизни в адсорбированном состоянии, перейти в газовую фазу (в десорбированное состояние). Поверхностная диффузия характеризуется длиной диффузионного пробега Х=(2Dt_а )^1/2= 2а exp[(Е_а – Е_d)/2kT] , которая равна расстоянию, проходимому атомом на поверхности за время его жизни в адсорбированном состоянии t_а (а – расстояние между соседними адсорбционными узлами поверхности; D–коэффициент поверхностной диффузии; Е_а и Е_d – энергия активации процессов адсорбции и поверхностной диффузии соответственно; k - постоянная Больцмана).

Образование покрытия происходит в результате взаимодействия адсорбированных атомов между собой и с атомами подложки. Следует различать следующие, протекающие последовательно стадии роста покрытия:

- образование адсорбционной фазы;

- зародышеобразование конденсированной фазы;

- рост зародышей;

- взаимодействие зародышей между собой и их слияние (коалесценция);

- образование сплошного покрытия и его дальнейший рост.

Каждая из этих стадий характеризуется особенностями структурного состояния, и кинетика их протекания оказывают влияние на свойства формируемых покрытий.