Закономерности образования и роста покрытий (стр. 1 из 3)

Закономерности образования и роста покрытий

Содержание

1. Закономерности образования и роста покрытий, формируемых из газовой фазы

1.1 Закономерности образования и роста вакуумных покрытий

1.2 Адсорбция и образование зародышей конденсированной фазы

1.3 Взаимодействие частиц конденсированной фазы, их срастание (коалесценция)

Список использованных источников

1. Закономерности образования и роста покрытий, формируемых из газовой фазы

1.1 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 ат

,

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.

1.2 Адсорбция и образование зародышей конденсированной фазы

В результате взаимодействия атомов потока с поверхностью, протекающих при этом процессов энергообмена определенная их часть адсорбируется. При этом плотность адсорбированных атомов n_а, ат./м², зависит от плотности потока атомов j, ат./(м²с), взаимодействующих с поверхностью, и определяется вероятностью десорбции атомов. Вероятность десорбции атомов

Ŵ= n_а/t_а,

где t_а=t_оexp(E_а/kT)– время жизни в адсорбированном состоянии, t_о=10^-13…10^-12с; E_а – энергия связи с поверхностью; k – постоянная Больцмана.

Тогда изменение плотности адсорбированных атомов за дифференциальное малое время dt

dn_а= jdt - n_аdt/t_a . (2.1)

Уравнение (2.1) составлено на основании закона сохранения массы: количество адсорбированных атомов равно разности числа атомов jdt, поступающих на поверхность за время dt, и атомов, перешедших за это время обратно в газовую фазу.

Решением дифференциального уравнения (2.1) при начальном условии n_a(t=0) = 0

является выражение

(2.2)

Для начальных стадий осаждения (t<<ф_a) можно принять, что

Тогда на основании (2.2) получим n_a=jt . Таким образом, при малых временах осаждения наблюдается линейное возрастание плотности адсорбированных атомов в процессе осаждения.

На поздних стадиях роста, при t>>ф_aиз (2.2) получим n_a=j ф_a. Следовательно, при таких режимах адсорбционная фаза характеризуется равновесной плотностью, зависящей только от j и t_{а .} При прекращении поступления атомов на поверхность происходит их десорбция, и через время t_а они все покинут поверхность.

При некоторых относительно высоких значениях плотности адсорбционной фазы происходит зародышеобразование конденсированной фазы. В общем случае возможны два основных механизма образования зародышей.

Первый механизм – образование зародышей вследствие флуктуации плотности адсорбированных атомов. В соответствии с данным механизмом образование устойчивых частиц происходит в результате случайного взаимодействия на поверхности атомов между собой, приводящего к возникновению достаточно больших по размеру и устойчивых при данных условиях ассоциатов.

Второй основной механизм – зародышеобразование на дефектах, участках поверхности с более высоким потенциалом взаимодействия. Закрепленные на поверхностном дефекте атомы последовательно присоединяют к себе диффундирующие частицы, и в результате формируется система стабильных ассоциатов, плотность которых и их поверхностное распределение коррелирует с параметрами поверхностной дефектности.

Считается, что зародышеобразование вследствие флуктуации плотности адсорбированных атомов наиболее вероятно при осаждении на поверхность, имеющую низкую температуру. При высокой температуре поверхности и относительно низкой плотности потока поступающих на поверхность атомов зародышеобразование проявляется преимущественно на дефектах. При определенных условиях и режимах процесса осаждения первый и второй механизмы могут протекать одновременно.

Для описания процессов роста зародышей используют различные подходы: термодинамический, молекулярно-кинетический, статистический, квантовый и др. В термодинамической теории зародыш критического размера рассматривается как микрочастица конденсированной фазы, имеющая наиболее высокую энергию Гиббса

G (рисунок 2.3), и дальнейший ее рост сопровождается снижением энергии, т. е. является наиболее вероятным процессом.