Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Электрондық сәулемен физикалық будың жиналуы немесе EBPVD - бұл физикалық будың жиналуының бір түрі, онда мақсатты анод жоғары вакуумда зарядталған вольфрам сүрегі шығаратын электрондық сәулемен бомбаланады. Электрондық сәуле нысанадағы атомдарды газдық фазаға айналдырады. Бұл атомдар қатты түрге түсіп, вакуум камерасындағы барлық заттарды (көзге көрінетін жерде) анод материалының жұқа қабатымен жамылып тұрады.
Electron beam physical vapor deposition, or EBPVD, is a form of physical vapor deposition in which a target anode is bombarded with an electron beam given off by a charged tungsten filament under high vacuum. The electron beam causes atoms from the target to transform into the gaseous phase. These atoms then precipitate into solid form, coating everything in the vacuum chamber (within line of sight) with a thin layer of the anode material.
Кіріспе
Ұсақ қабатты жинақтау - жартылай өткізгіш өнеркәсібінде электронды материалдарды өсіру үшін, аэроғарыш өнеркәсібінде термиялық және химиялық кедергілер қаптамасын қалыптастыру үшін, беттерді коррозиялық ортадан қорғау үшін, оптикада субстратқа қажетті шағылыстыратын және өткізгіш қасиеттерді беру үшін және өнеркәсіптің басқа жерлерінде беттерді түрлі қажетті қасиеттерге ие болу үшін өзгертуге қолданылатын процесс. Отану процесін кеңінен физикалық будың отануы (PVD) және химиялық будың отануы (CVD) деп жіктеуге болады. СҚҚ кезінде қабақтың өсуі жоғары температурада жүреді, бұл коррозиялық газды өнімдердің пайда болуына әкеледі және ол пленкада кір қалдыруы мүмкін. PVD процесін төменгі температурада және коррозиялық өнімдерсіз жүзеге асыруға болады, бірақ жиналу жылдамдығы әдетте төмен. Электрондық сәулемен физикалық будың жиналуы, керісінше, материалды пайдаланудың өте жоғары тиімділігімен, салыстырмалы түрде төмен субстрат температурасында 0,1 - 100 мкм / мин жоғары жиналу жылдамдығын береді. EBPVD жүйесінің схемасы 1-суретте көрсетілген.
Thin film deposition is a process applied in the semiconductor industry to grow electronic materials, in the aerospace industry to form thermal and chemical barrier coatings to protect surfaces against corrosive environments, in optics to impart the desired reflective and transmissive properties to a substrate and elsewhere in industry to modify surfaces to have a variety of desired properties. The deposition process can be broadly classified into physical vapor deposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD). In CVD, the film growth takes place at high temperatures, leading to the formation of corrosive gaseous products, and it may leave impurities in the film. The PVD process can be carried out at lower deposition temperatures and without corrosive products, but deposition rates are typically lower. Electron beam physical vapor deposition, however, yields a high deposition rate from 0.1 to 100 μm/min at relatively low substrate temperatures, with very high material utilization efficiency. The schematic of an EBPVD system is shown in Fig 1.
Ұсақ қабатты жинақтау процесі
ЕҚҚЖЖ жүйесінде электронды қарудан буландыру материалынан электрондардың өтуіне мүмкіндік беру үшін, депозициялық камера кем дегенде 7,5 Торр (10-2 Па) қысымына дейін босатылуы керек, ол металл желім немесе таяқ түрінде болуы мүмкін. Кейбір заманауи EBPVD жүйелері доғаны басу жүйесін пайдаланады және магнетрондармен қатар қолдану сияқты жағдайларда 5.0 Торр-ге дейінгі вакуум деңгейінде жұмыс істей алады. Бірде бір EBPVD жүйесінде бірнеше буландыру материалдары мен электронды қаруды бір мезгілде қолдануға болады, олардың әрқайсысының қуаты оннан жүздеген киловаттқа дейін. Электрондық сәулелер термиондық эмиссиямен, өрістік электронды эмиссиямен немесе анодтық доға әдісімен пайда болуы мүмкін. Электрондар сәулесі жоғары кинетикалық энергияға дейін жылдамдатылады және буландыру материалына бағытталады. Булану материалымен соққы бергенде, электрондар өз энергиясын өте тез жоғалтады. Электрондардың кинетикалық энергиясы буландыру материалымен өзара әрекеттесу арқылы энергияның басқа түрлеріне айналады. Шығаратын жылу энергиясы булану материалын қыздырып, оны балқытуға немесе сублимациялауға әкеледі. Температура мен вакуум деңгейі жеткілікті жоғары болған кезде балқығаннан немесе қатты заттан бу пайда болады. Осыдан пайда болған буды бетпен қаптау үшін қолдануға болады. Жеделдету кернеулері 3 және 40 кВ аралығында болуы мүмкін. Тездету кернеуі 2025 кВ және сәуле тогы бірнеше ампер болса, электронның кинетикалық энергиясының 85% жылу энергиясына айналуы мүмкін. Электрондардың энергиясының бір бөлігі рентген сәулелері мен екінші электронды сәуле шығару арқылы жоғалады. Үш негізгі EBPVD конфигурациясы бар, электромагниттік сәйкестендіру, электромагниттік фокус және салқындатқыш конфигурациясы. Электромагниттік сәйкестендіру және электромагниттік фокуслау үшін бүркеме түріндегі буландыру материалы қолданылады, ал салқындатқыш құлап конфигурациясы таяқшаны пайдаланады. Инготтар мыс тигульге немесе отқа жабылады, ал бір шетінде сокетке таяқ орнатылады. Түйегіш пен тұйық та суытылуы тиіс. Бұл әдетте су айналымы арқылы жүзеге асырылады. Инготтар жағдайында оның бетінде балқыған сұйықтық пайда болуы мүмкін, оны инготтың тік орын ауыстыруымен тұрақты ұстауға болады. Булану жылдамдығы 10−2 g/cm2·s шамасында болуы мүмкін.
In an EBPVD system, the deposition chamber must be evacuated to a pressure of at least 7.5 Torr (10−2 Pa) to allow passage of electrons from the electron gun to the evaporation material, which can be in the form of an ingot or rod. Alternatively, some modern EBPVD systems utilize an arc suppression system and can be operated at vacuum levels as low as 5.0 Torr, for situations such as parallel use with magnetron sputtering. Multiple types of evaporation materials and electron guns can be used simultaneously in a single EBPVD system, each having a power from tens to hundreds of kilowatts. Electron beams can be generated by thermionic emission, field electron emission or the anodic arc method. The generated electron beam is accelerated to a high kinetic energy and directed towards the evaporation material. Upon striking the evaporation material, the electrons will lose their energy very rapidly. The kinetic energy of the electrons is converted into other forms of energy through interactions with the evaporation material. The thermal energy that is produced heats up the evaporation material causing it to melt or sublimate. Once temperature and vacuum level are sufficiently high, vapor will result from the melt or solid. The resulting vapor can then be used to coat surfaces. Accelerating voltages can be between 3 and 40 kV. When the accelerating voltage is 20–25 kV and the beam current is a few amperes, 85% of the electron's kinetic energy can be converted into thermal energy. Some of the incident electron energy is lost through the production of X rays and secondary electron emission. There are three main EBPVD configurations, electromagnetic alignment, electromagnetic focusing and the pendant drop configuration. Electromagnetic alignment and electromagnetic focusing use evaporation material that is in the form of an ingot, while the pendant drop configuration uses a rod. Ingots are enclosed in a copper crucible or hearth, while a rod will be mounted at one end in a socket. Both the crucible and socket must be cooled. This is typically done by water circulation. In the case of ingots, molten liquid can form on its surface, which can be kept constant by vertical displacement of the ingot. The evaporation rate may be on the order of 10−2 g/(cm2·s).
Материалды буландыру әдістері
Титан карбиді және титан боріді және цирконий боріді сияқты отқа төзімді карбидтер бу фазасында ыдыраудан өтпей булана алады. Бұл қосылыстар тікелей булану арқылы түзіледі. Бұл процесте металл сынық түрінде тығыздалған бұл қосылыстар вакуумда жоғары энергиялы электронды сәулемен буланады және булар субстрат үстінде тікелей конденсацияланады. Кейбір отқа төзімді оксидтер мен карбидтер электронды сәулемен булану кезінде бөлшектеніп, бастапқы материалдан өзгеше стехиометрияға ие болады. Мысалы, алюминий, электронды сәулемен буланған кезде, алюминий, AlO3 және Al2O-ға ажыратылады. Кремний карбиді және вольфрам карбиді сияқты кейбір отқа төзімді карбидтер қыздыру кезінде ыдырайды, ал дисоциацияланған элементтердің ұшпалылығы әртүрлі болады. Бұл қосылыстар субстратқа реактивті булану немесе қос булану арқылы орналасуы мүмкін. Реактивті буландыру процесінде металл электронды сәулемен металлдан буланады. Буларды реактивті газ тасымалдайды, ол металл оксидтері жағдайында оттегіні немесе металл карбидтері жағдайында ацетиленді құрайды. Термодинамикалық шарттар орындалған кезде булар субстраттың маңайындағы газбен әрекеттесіп, қабыршақ түзеді. Металл карбидті пленкалар да булану арқылы жинақталуы мүмкін. Бұл процесте екі металл, бірін металл, екіншісін көміртек үшін қолданылады. Әрбір металл сынық әр түрлі сәуле энергиясымен қыздырылады, осылайша олардың булану жылдамдығын бақылауға болады. Булар жер бетіне жеткенде, олар химиялық жолмен термодинамикалық жағдайда бірігіп, металл карбидті қабатын құрайды.
Refractory carbides like titanium carbide and borides like titanium boride and zirconium boride can evaporate without undergoing decomposition in the vapor phase. These compounds are deposited by direct evaporation. In this process these compounds, compacted in the form of an ingot, are evaporated in vacuum by the focused high energy electron beam, and the vapors are directly condensed over the substrate. Certain refractory oxides and carbides undergo fragmentation during their evaporation by the electron beam, resulting in a stoichiometry that is different from the initial material. For example, alumina, when evaporated by electron beam, dissociates into aluminum, AlO3 and Al2O. Some refractory carbides like silicon carbide and tungsten carbide decompose upon heating, and the dissociated elements have different volatilities. These compounds can be deposited on the substrate either by reactive evaporation or by co evaporation. In the reactive evaporation process, the metal is evaporated from the ingot by the electron beam. The vapors are carried by the reactive gas, which is oxygen in case of metal oxides or acetylene in case of metal carbides. When the thermodynamic conditions are met, the vapors react with the gas in the vicinity of the substrate to form films. Metal carbide films can also be deposited by co evaporation. In this process, two ingots are used, one for metal and the other for carbon. Each ingot is heated with a different beam energy so that their evaporation rate can be controlled. As the vapors arrive at the surface, they chemically combine under proper thermodynamic conditions to form a metal carbide film.
Субстрат
Қабаттың орналасуы орын алған субстратты ультрадыбыстық тазалау арқылы тазалап, субстрат ұстағышқа бекітеді. Субстрат ұстаушы манипулятор шахтасына бекітіледі. Манипулятор шахтасы металл қоры мен субстрат арасындағы қашықтықты реттеу үшін трансляциялық қозғалады. Бұранда сонымен қатар субстратты белгілі бір жылдамдықпен айналдырады, осылайша пленка субстратқа біркелкі орналасады. Субстратқа 200-400 В теріс тепе-теңдік кернеуді қолдануға болады. Көбінесе, электрондар пулеметтерінің бірінен немесе қыздырғыш шамдардан инфрақызыл сәуледен жоғары энергиялы электрондар субстратты алдын ала қыздыру үшін қолданылады. Субстратты қыздыру адатомдарға кинетикалық кедергілерді жеңу үшін жеткілікті энергия беру арқылы адатом субстратты және адатом пленкасын диффузиялауды арттыруға мүмкіндік береді. Егер металл нанотабандар сияқты дөрекі пленка қажет болса, диффузияның өмір сүру мерзімін қысқарту үшін сумен немесе сұйық азотпен субстратты салқындатуды қолдануға болады, бұл беткі кинетикалық кедергілерді оңтайлы күшейтеді. Пленканың кедір-бұдырлығын одан әрі арттыру үшін субстрат геометриялық көлеңкелеуді жүзеге асыру үшін ағынға қатысты тік бұрышта орнатылуы мүмкін, онда кіретін көру сызығы ағындысы дамушы пленканың жоғары бөліктеріне ғана түседі. Бұл әдіс көзбен шолып шоғырлану (GLAD) немесе көлбеу бұрышпен шоғырлану (OAD) деп аталады.
The substrate on which the film deposition takes place is ultrasonically cleaned and fastened to the substrate holder. The substrate holder is attached to the manipulator shaft. The manipulator shaft moves translationally to adjust the distance between the ingot source and the substrate. The shaft also rotates the substrate at a particular speed so that the film is uniformly deposited on the substrate. A negative bias DC voltage of 200–400 V can be applied to the substrate. Often, focused high energy electrons from one of the electron guns or infrared light from heater lamps is used to preheat the substrate. Heating of the substrate allows increased adatom–substrate and adatom–film diffusion by giving the adatoms sufficient energy to overcome kinetic barriers. If a rough film, such as metallic nanorods, is desired substrate cooling with water or liquid nitrogen may be employed to reduce diffusion lifetime, positively bolstering surface kinetic barriers. To further enhance film roughness, the substrate may be mounted at a steep angle with respect to the flux to achieve geometric shadowing, where incoming line of sight flux lands onto only higher parts of the developing film. This method is known as glancing angle deposition (GLAD) or oblique angle deposition (OAD).
Иондық сәуле көмегімен жинақтау
EBPVD жүйелері иондық көздермен жабдықталған. Бұл иондық көздер субстратты кесу және тазалау, нысананы плющтеу және субстраттың микроқұрылысын бақылау үшін қолданылады. Иондық сәулелер бетті бомбалап, пленканың микроқұрылымын өзгертеді. Ыстық субстрат бетінде жиналу реакциясы орын алса, субстрат пен пленка арасындағы жылулық кеңею коэффициентінің сәйкес келмеуінен фильмдердің ішкі кернеу кернеуі пайда болуы мүмкін. Жоғары энергиялы иондар осы керамикалық жылулық кедергілі қаптамаларды бомбалау үшін және кернеу кернеуін қысылу кернеуіне ауыстыру үшін пайдаланылуы мүмкін. Иондық бомбалау сонымен қатар пленканың тығыздығын арттырады, дәннің мөлшерін өзгертеді және аморфты пленкаларды поликристалдық пленкаларға өзгертеді. Жартылай өткізгіш пленкалардың бетінде төмен энергиялы иондар қолданылады.
EBPVD systems are equipped with ion sources. These ion sources are used for substrate etching and cleaning, sputtering the target and controlling the microstructure of the substrate. The ion beams bombard the surface and alter the microstructure of the film. When the deposition reaction takes place on the hot substrate surface, the films can develop an internal tensile stress due to the mismatch in the coefficient of thermal expansion between the substrate and the film. High energy ions can be used to bombard these ceramic thermal barrier coatings and change the tensile stress into compressive stress. Ion bombardment also increases the density of the film, changes the grain size and modifies amorphous films to polycrystalline films. Low energy ions are used for the surfaces of semiconductor films.
Артықшылықтар
Бұл процесте жиналу жылдамдығы минутына 1 нм-ден минутына бірнеше микрометрге дейін төмен болуы мүмкін. Материалды пайдалану тиімділігі басқа әдістерге қарағанда жоғары, ал процесс пленкалардың құрылымдық және морфологиялық бақылауын ұсынады. Бұл процесс өте жоғары жиналу жылдамдығына байланысты аэроғарыш өнеркәсібінде тозуға төзімді және жылу кедергісі бар қаптамалар, кесу және құрал-саймандар өндірісі үшін қатты қаптамалар, жартылай өткізгіш өнеркәсібінде электрондық және оптикалық пленкалар және жұқа пленкалы күн сәулесін қолдану үшін өнеркәсіптік қолдануға мүмкіндік береді.
The deposition rate in this process can be as low as 1 nm per minute to as high as few micrometers per minute. The material utilization efficiency is high relative to other methods, and the process offers structural and morphological control of films. Due to the very high deposition rate, this process has potential industrial application for wear resistant and thermal barrier coatings in aerospace industries, hard coatings for cutting and tool industries, and electronic and optical films for semiconductor industries and thin film solar applications.
Кемшіліктер
EBPVD - бұл жеткілікті төмен қысыммен (шамамен <10-4 Torr) орындалғанда көзге көрінетін жинақтау процесі. Оқпанның трансляциялық және айналу қозғалысы күрделі геометрияның сыртқы бетін қаптау үшін көмектеседі, бірақ бұл процесті күрделі геометрияның ішкі бетін қаптау үшін қолдануға болмайды. Тағы бір мүмкін мәселе - электронды тапаншадағы сүтқоректің ыдырауы біркелкі емес булану жылдамдығына әкеледі. Алайда будың жиналуы шамамен 10−4 Торр (1,3 hPa) немесе одан жоғары қысыммен орындалғанда, бу бұлтының елеулі шашырауы орын алады, сондықтан көзге көрінбейтін беттер жабылуы мүмкін. Нақты айтқанда, көзге көрінетін сызықтан шашыраңқы шөгіндіге баяу өту қысыммен (немесе орташа еркін жолмен) ғана емес, сонымен қатар көзден субстратқа дейінгі қашықтықпен де анықталады. Кейбір материалдар EBPVD арқылы булануға қолайлы емес. Келесі анықтамалық материалдар көптеген материалдар үшін ыдыраудың тиісті әдістерін ұсынады: Vacuum Engineering & Materials Co., Inc. Kurt J. Lesker Company. Сондай-ақ Оксфордтың элементтердің булану нұсқаулығын қараңыз.
EBPVD is a line of sight deposition process when performed at a low enough pressure (roughly <10−4 Torr ). The translational and rotational motion of the shaft helps for coating the outer surface of complex geometries, but this process cannot be used to coat the inner surface of complex geometries. Another potential problem is that filament degradation in the electron gun results in a non uniform evaporation rate. However, when vapor deposition is performed at pressures of roughly 10−4 Torr (1.3 hPa) or higher, significant scattering of the vapor cloud takes place such that surfaces not in sight of the source can be coated. Strictly speaking, the slow transition from line of sight to scattered deposition is determined not only by pressure (or mean free path) but also by source to substrate distance. Certain materials are not well suited to evaporation by EBPVD. The following reference materials suggest appropriate evaporation techniques for many materials:
Vacuum Engineering & Materials Co., Inc.
Kurt J. Lesker Company. Also see Oxford's Evaporation Guide for the Elements.