Влияние температуры подложки при осаждении покрытия. Способы нагрева деталей в технологическом процессе.

Подавляющие большинство пленок наносится в вакууме при температурах подложки, составляющих 0,2-0,3 от температуры плавления материала пленки, то есть рост пленки происходит обычно в условиях, далеких от термодинамического равновесия. Поэтому микроструктура пленок во время нанесения обычно эволюционирует в сторону более конкурентоспособной (термодинамически выгодной) структуры, а кинетические ограничения, накладываемые низкой температурой нанесения, позволяют контролировать образование метастабильных фаз и искусственных структур, таких как многослойные и нанофазные материалы. Результатом конкурентного роста является непрерывное изменение морфологии, текстуры и топографии поверхности и, соответственно, свойств пленки как функций ее толщины.

Процесс роста пленки можно схематично разделить на три стадии. Первая стадия - движение частиц к поверхности растущей пленки. Вторая стадия - адсорбция этих частиц на поверхностях подложки или растущей пленки и их диффузия по этим поверхностям. И, наконец, третья стадия- их объединение в пленку или их удаление с подложки испарением или рераспылением. При магметронном распылении первая стадия контролируется такими параметрами, как геометрия аппаратуры и давление рабочего газа. Стадия поверхностной диффузии в основном контролируется температурой подложки, но на нее также значительно влияет бомбардировка растущей пленки энергичными частицами.

Конечная структура пленок и их морфология определяется процессами поверхностной диффузии, зародышеобразования, роста кристаллов, их коалесценции и рекристаллизации во время роста пленки.

Модель структурных зон (МСЗ) систематизирует самоорганизующиеся структуры, эволюционирующие во время роста пленки. Полезность модели структурных зон состоит в том, что МСЗ позволяют видеть взаимозависимости между микроструктурой пленок и наиболее важными параметрами нанесения.

Классификация пленок по их микроструктуре согласно МСЗ в более ранних работах проводилась в зависимости от гомологической температуры - Т, то есть соотношения между температурой подложки Т, и температурой плавления материала пленки Tm, выраженных в градусах Кельвина. Однако с тех пор, как появились способы нанесения пленок, при которых имеет место большой поток энергичных частиц к подложке, скорость диффузионных процессов и ростовых явлений в пленке стала определяться не только Т,, но и общим потоком энергии к поверхности растущей пленки, то есть реальной температурой поверхности растущей пленки (раздел 3.4). Это должно учитываться при использовании количественной величины Т.

Одна из первых моделей структурных зон была описана Торитоном в [3, 4]. Было выделено три основных типа структур, существенно зависящих от энергии осаждающихся атомов или температуры подложки. При низких температурах подложки (300-600 ·с) или энергии, поступающей к пленке с атомами, (зона 1) покрытие состоит из колонн, разделенных порами, поэтому эта структура называется пористая колончатая.

Пористые ростовые дефекты, свойственные зоне 1, это последствия затенения. Затенение оставляет открытыми границы зерен из-за того, что высокие точки на ростовой поверхности захватывают большее количество поступающих атомов, чем долины между ними, особенно когда поток поступающих атомов падает на подложку наклонно [3]. Установлено [3], что интенсивная бомбардировка энергичными ионами во время нанесения пленки может значительно подавить развитие структур, соответствующих обычно структурам зоны 1 при низких гомологических температурах, и получить структуры, свойственныеболее высоким гомологическим температурам.

Полученные при более высоких энергиях структуры (зона 2) являются плотнымиколончатыми. А полученные при еще более высоких энергиях покрытия(зона 3) имеют более высокую плотность и состоят из кристаллических зеренс равными размерами по трем осям [3, 4]. Иными словами, соответствующейкомбинацией гомологической температуры Ть = T/Tm и величиной энергии,принесенной ионами к поверхности растущей пленки и приходящейся на одиносажденный атом, можно приготовить покрытия желаемой структуры.

Рост пленки можно разделить на три стадии:

1. Образование зародышей

2. Образование островковой структуры

3. Пересечение островков, конкурентный рост

4. Рост столбчатой структуры

Увеличение температура подложки увеличивает подвижность осажденных атомов на поверхности, дальнейшее увеличение дает возможность атомам диффундировать между зернами, еще большее увеличение температуры – появление процесса рекристаллизации. Эти процессы зависят от гомологической температуры – отношение температуры подложки к температуре плавления материала пленки, а так же от энергии и плотности тока ионов бомбардирующих подложку (например, в случае подачи отрицательного смещения) 

Способы нагрева деталей в технологическом процессе:

1. Внешний нагреватель (ТЭНы и ИК-лампы)

2. Резистивный нагрев (подача смещения на подложку)