<<
>>

Параметры, определяющие эффективность плазменной обработки

Сложность оценки эффективности технологического применения тлеющего разряда связана с тем, что в нем имеется несколько зон, которые совершенно по-разному действуют на обрабатываемую подложку.

Этими зонами являются: область положительного столба тлеющего разряда, зона отрицательного свечения и область катодного темного пространства. Кроме того, оптимальная зона обработки определяется химическим составом материала подложки. Практика показывает, что параметрами тлеющего разряда, от которых зависит эффективность очистки диэлектрика, являются: геометрия расположения подложки (этим определяется зона обработки), врем^ обработки подложки, мощность разряда и давление остаточных газов в вакуумной камере. -

Перечисленные параметры обработки в тлеющем разряде являются связанными величинами: рост давления ведет к росту тока разряда и мощности, уменьшение давления увеличивает размеры катодного темного пространства, рост мощности разряда слабо уменьшает размеры' катодного пространства.

Рассмотрим влияние расположения диэлектрической подложки в области тлеющего разряда на адгезию напыляемых пленок. С точки зрения технологического применения представляет интерес две основные зоны тлеющего разряда: область отрицательного' свечения и область положительного столба (третья ооншная область тлеющего разряда — зона катодного темного пространства неприемлема для обработки, так как при расположении! в ней подложки значительной площади происходит разрыв цепи тока и разряд гаснет). Расположение зон тлеющего разряда относительно электродов показано на рис. 16. Указанные зоны отрицательного свечения и положительного столба ,сильно различаются характеристиками заряженных частиц: по их энергии, составу и направлениям движения. Если в области положительного столба средняя энергия частиц мала, то в области отрицательного свечения заряда она значительно выше, так как в нее проникают быстрые электроны из катодного темного пространства.

Кроме того, в области положительного столба движение всех видов1 частиц хаотич-


но, а в области отрицательного свечения имеется некоторая направленная составляющая. Диэлектрическая подложка не является частью цепи разряда, и суммарная плотность тока из плазмы на ее поверхность должна быть равна нулю. По этой причине ионный ток на поверхность диэлектрика обязательно должен сопровождаться равным электронным током. В случае очистки диэлектрика правильней говорить не об ионной обработке поверхности, а об ионно-электронной.

Обработка диэлектрической подложки, помещенной в выбранную область тледощего разряда, определяется характеристиками частиц, падающих на подложку. Считается, что эффекты очистки связаны в первую очередь с ионами различных знаков, бомбардирующими поверхность, вследствие их распыляющей способности (бильярдный эффект), тогда как роль электронов сводится в основном к нагреву поверхности. Основными характеристиками ионного потока, падающего на подложку, являются ионный ток Ii и средняя энергия ионов е*. Величина е* связана со средней энергией ионов той области разряда, в которую помещена подложка, но не равна ей, так как между областью разряда и поверхностью подложки находится дебаевский слой с разностью потенциалов AU. В случае малой величины el значение AU определяет энергию падающих ионов. Если ионы имеют большую энергию amp;[. то падение напряжения AU либо ускоряет, либо замедляет ионы. Таким образом, эффект обработки подложки определяется локальными характеристиками той области тлеющего разряда, в которую помещается подложка: концентрацией ионов и электронов пь пе средней энергией eh ге, наличием направленной состав

ляющей потока электронов и ионов в данном месте разряда, а также дебаевской разностью потенциалов AU. Для оценки воздействия разряда на поверхность желательно определить указанные величины.

Обработка диэлектрика в области положительного столба тлеющего разряда.

Влияние времени обработки. При обработке диэлектрической подложки в области положительного столба тлеющего разряда (низкотемпературной плазме) возможно аналитическое описание процессов с достаточной степенью точности. В этой зоне тлеющего разряда' при помощи хорошо изученной методики зондов можно определить концентрации и энергии заряженных частиц. KaiK показали измерения, в положительном столбе отсутствуют направленные потоки частиц и их движение вне де- баевского слоя является хаотическим. Отмечено, что в данной области средняя энергия ионов много меньше величины AU и эффекты обработки подложки связаны с величиной энергии, приобретаемой ионами в дебаевском слое.

Результаты экспериментального исследования влияния обработки подложек из различных материалов в области положительного столба на адгезионную способность представлены'на рис. 17.

Практика показала, что на подложки из различных видов керамик и ситаллов обработка в положительном столбе тлеющего разряда действует подобно химической очистке в окислителях. Штриховая линия на рис. 17 соответствует адгезионной прочности подложек из ситалла, очищенных химически без применения плазмы. Если образцы из ситалла химически очистить, то их дополнительная обработка в положительном столбе практически не окажет влияния на адгезионную прочность напыленных пленок. На таких подложках отмечено лишь незначительное ухудшение (на 5...10% первоначального значения) адгезионной способности при малых (от I до 30 с) временах обработки в плазме. При дальнейшем повышении времени обработки в плазме (свыше 30 с) адгезионная способность практически не изменяется [54]. Данный эффект незначительного уменьшения адгезии при малых временах обработки подложек, по-видимому, связан с попаданием на поверхность подложки загрязнений, испаряющихся с электрода очистки и близлежащей технологической оснастки. При более длительной обработке подложек в плазме данный вид загрязнений удаляется с их поверхности. Если время обработки подложек из названных 72

материалов в положительном столбе составляет несколько минут* то наблюдается незначительное снижение адгезионной способности* с ростом времени обработки, равное в среднем 5...10% первоначального значения. Уменьшение адгезии при длительной обработке подложек в области положительного столба тлеющего разряда связано с общей загрязненностью технологической оснастки внутри вакуумной камеры — возникает диффузионный поток загрязнений на поверхность подложки.

Если предварительная химическая очистка подложек не применялась (подложки загружались в вакуумную камеру сразу после извлечения из заводской упаковки), то при обработке данных подложек в плазме положительного столба наблюдается почт мгновенное удаление большинства загрязнений с их поверхности. Этот эффект проявляется в возрастании адгезии напыляемого покрытия до величины, соответствующей адгезии на химически очищенных подложках, причем это возрастание наблюдается после- нескольких секунд обработки подложек. При дальнейшем увеличении времени обработки подложек их адгезионная прочность почти не меняется и определяется описанными' выше процессами диффузии загрязнений в вакуумной камере (кривая I на рис. 17).

Сравнение результатов обработки подложек плазмой и их химической очистки позволяет сделать вывод, что основным механизмом очистки подложек в плазме положительного столба является:

а)              окисление органических, материалов атомарным кислородом в разряде с последующим образованием летучих веществ, которые откачиваются вакуумной системой;

б)              нагрев и испарение загрязнений, обусловленные повышением температуры поверхности подложки. Механизм распыления поверхностного слоя маловероятен, так как энергия падающих на подложку ионов' в области положительного столба составляет .8 эВ, а, порог распыления большинства материалов превышает 15 эВ. Например, порог распыления SiO2 равен 16 эВ.

Принципиально другая ситуация возникает при обработке в плазме положительного столба подложек из полимерных материалов (в частности, полиимидной пленки). В этом случае энергия падающих ионов становится соизмеримой с энергией связи молекул полимера. Вследствие этого ионы положительного столба вызывают не только удаление органических загрязнений с поверхности подложки, но и перестройку всего поверхностного слоя, в том числе разрыв химических связей. Обработка подложек из полиимидной пленки приводит к значительному (до 10 раз) повышению адгезионной способности по сравнению с необработанными подложками. Увеличение адгезии происходит как на полиимидной’ пленке, прошедшей цикл химической обработки, так и на необработанной пленке. Предполагается, что при плазменной очистке полиимидной пленки в газовом разряде разрываются поверхностные связи и образуются активные групп вида

—ОН, —СООН, —С, =O и др.              (56)

Таким образом, эффективность обработки подложек из ситал- лов, стекол и алюмоокисной керамики в области положительного столба приблизительно равна эффективности химической очистки. При этом удаление загрязнений с поверхности подложки происходит в течение первых нескольких секунд плазменной обработки, дальнейшее увеличение времени обработки к изменению адгезии не приводит. Противоположно этому при обработке полиимидной пленки в области положительного столба происходит увеличение адгезии напыляемой пленкй, и очистку полиимида в данной области тлеющего разряда можно рекомендовать для применения на практике.

Обработка диэлектрика в области отрицательного свечения тлеющего разряда. Влияние времени обработки. Совершенно другими эффектами характеризуется обработка диэлектрических подложек в области отрицательного свечения тлеющего разряда. Это отличие обусловлено иными характеристиками частиц разряда в данной области. Особые свойства области отрицательного свечения объясняются проникновением в нее быстрых электронов из зоны катодного темного пространства. Это приводит к повышенной электронной температуре и большей концентрации заряженных частиц по сравнению с областью положительного столба. По некоторым данным [55] в область отрицательного свечения проникает поток быстрых отрицательных ионов, ускоряемых в области катодного темного пространства. Это также оказывает влияние на свойства данной области. Собственно область отрицательного свечения плазмой не является — там имеется избыток положительного заряда.

На рис. 18 представлены результаты исследования эффективности обработки различных диэлектриков в области отрицательного свечения тлеющего разряда постоянного тока. Адгезия на керамических подложках, прошедших данную обработку, возрастает с увеличением времени обр аботки пропорционально а У t (t — время обработки; а — некоторый коэффициент, зависящий от мощности разряда). При этом прочность адгезии через 2...3 мин обработки приблизительно на порядок превышает значение, достигаемое только химической очисткой подложек. Адгезионная способность зависит от мощности разряда (I—4 на рис. 18), ее увеличение связано с возрастанием мощности.

Если сравнить возрастание адгезии при обработке в отрицательном свечении ситалловых подложек, прошедших химическую очистку, и неочищенных подложек, то видно, что кривые роста ,адгезии очень близки (I и 2 на рис. 18). Это означает, что обработка в отрицательном свечении тлеющего разряда обеспечивает удаление органических загрязнений, причем этот процесс завершается в течение нескольких секунд.

Особенностью воздействия области отрицательного свечения на полиимидную пленку ПМ-1 является уменьшение адгезии напыляемой пленки в результате обработки. Детальный механизму данного явления неизвестен. Обработка в отрицательном свечении 74

приводит к изменению цвета поверхности полиимидной пленки, что может говорить о ее структурно-фазовых изменениях.

Обработка подложек в области отрицательного свечения тлеющего разряда сопровождается значительной большей скоростью нагрева, чем обработка в области положительного столба. По этой причине иногда происходит растрескивание подложек вследствие возникновения в них термических напряжений. Данный эффект чаще происходит с подложками из стекла и ситаллов, чем с алюмоокисной керамикой. Чтобы избежать случаев растрескивания подложек, необходимо опытным путем установить значение максимального тока обработки для используемых вакуумных установок. В частности, по этой причине на установке УВН-71П-3 не следует увеличивать ток разряда более 100 мА.

Процессы, происходящие в области отрицательного ,свечения. Для выбора оптимальных условий обработки диэлектрических подложек в области отрицательного свечения тлеющего разряда, я также для учета побочных эффектов данного процесса следует выяснить его физический механизм.

Рис. 19. Зависимость адгезионной прочности тонкопленочной структуры хром—медь от мощности тлеющего разряда при' обработке подложек из различных материалов:

I, 2 — подложки из ситалла СТ-50-1, обрабатываемые в области отрицательного свечения; 3 — из полиимидной пленки ПМ-1, обрабатываемые в области положительного столба; I — измерение проводилось в центре подложки; 2 — измерение проводилось в углу подложки; время обработки во всех случаях 4 мин; все подложки прошли цикл химической очистки

Прямое измерение физических характеристик области отрицательного свечения тлеющего разряда (концентрации заряженных частиц и их средней энергии) крайне затруднительно. Это связано с невозможностью применения традиционной зондовой методики, которая основана на пренебрежении вторичной электронной эмис

сией (ВЭЭ) с поверхности зонда. В области же отрицательного свечения пренебрегать ВЭЭ нельзя, так как на зонд попадают «горячие» электроны из катодного темного пространства, которые вызывают сильную вторичную эмиссию с зонда. Кроме того, слож-' ной экспериментальной задачей является определение потенциала поверхности подложки, так как у диэлектрика, как правило, относительно высок коэффициент ВЭЭ и его измерение характеризуется значительной погрешностью. При неопределенном коэффициенте ВЭЭ ожидаемый потенциал диэлектрика относительно плазмы может иметь любой знак и быть большим по значению. Все это не позволяет прямыми методами измерить дебаевскую разность потенциалов AU и найти поток и энергию бомбардирующих подложку частиц.

В [56] была предпринята попытка по косвенным признакам оценить дебаевскую разность потенциалов AU у поверхности проводящей подложки, помещенной в область края отрицательного свечения. И хотя поставленная задача полностью не была решена, удалось получить интересные результаты, показывающие, что потенциал тела, помещенного на край отрицательного свечения, очень сильно зависит от состояния поверхности тела. Это обусловлено тем, что свойства поверхности определяют интенсивность ее ВЭЭ. К сожалению, в публикациях отсутствуют экспериментальные данные о дебаевской разности потенциалов у поверхности диэлектрика, помещенного в область отрицательного свечения, что необходимо для построения точной физической модели процесса.

В [55] высказано предположение, что изменение свойств диэлектрических подложек, обрабатываемых в области отрицательного свечения, вызвано бомбардировкой отрицательными ионами боль- бой энергии, которую они приобретают в катодном темном пространстве. Высокоэнергетичные ионы отсутствуют в области положительного стрлба, и этим объясняется меньшая эффективность обработки керамических подложек в этой области.

Влияние мощности тлеющего разряда во время обработки подложки на адгезию напыляемого покрытия. Другим важнейшим параметром процесса обработки подложек в тлеющем разряде является мощность разряда. Мощность разряда зависит от многих факторов: давления и состава газов в вакуумной' камере, расположения электрода очистки, конструктивных особенностей вакуумной оснастки. Влияние мощности разряда на адгезионную прочность при обработке подложек из различных материалов показано на рис. 19.

При обработке подложек из неорганических материалов в области отрицательного свечения тлеющего разряда отмечается общая тенденция возрастания прочности адгезии с увеличением мощности разряда. Исключение составляет интервал небольших мощностей (менее 4 Вт), где адгезионная прочность уменьшается. Отмеченное изменение прочности адгезии при малой мощности разряда, а также ее заниженное значение на краю подложки по сравнению с центром объясняется диффузией загрязнений с поверхности электрода и вакуумной оснастки на подлож'ку. Этот процесс диффузии загрязнений имеет место во всех случаях после включения разряда, но при больших значениях мощности эффект очистки превалирует.

При обработке полиимидной] пленки в области положительного столба разряда прочность адгезии напыленных пленок падает при возрастании мощности разряда. Механизм данного явления пока неясен.

Влияние других параметров ;очистки в тлеющем разряде на адгезионную способность. Кроме ранее названных параметров, на эффективность обработки подложек в тлеющем разряде сказываются давление и состав газов в вакуумной камере, а также расстояние от подложки до электрода.

Влияние состава газовой смеси, в которой производится обработка тлеющим разрядом, исследовано недостаточно. При оценке влияния на адгезию данного параметра обработки возникает принципиальная трудность получения достаточно чистой газовой смеси (контролируемого состава). Дело в том, что даже при заполнении объема вакуумной камеры высокочистыми газами рабочая смесь загрязняется вследствие десорбции посторонних газов со стенок вакуумной камеры. Поток десорбированных газов резко усиливается при действии тлеющего разряда. Среди десорбируемых газов всегда присутствуют пары воды, которые в плазме разлагаются на радикалы, в том числе на атомарный кислород. Образование атомарного кислорода приводит к более эффективной очистке подложек, но затрудняет интерпретацию получаемых результатов.

Отсутствие преимущества обработки в каком-либо газе по сравнению с очистой в атмосфере воздуха, а также трудности поддержания стабильного состава газовой смеси в вакуумной камере позволяют рекомендовать для производственных целей очистку в атмосфере воздуха, так как только в этом случае можно получить достаточно слабое изменение состава в процессе плазменной обработки.

Давление газа, а также расстояние подложка — электрод влияют на эффективность обработки косвенно, через другие параметры. В частности, давление газа определяет мощность разряда, а также ту область, в которой подложка будет обработана. При повышении давления в камере мощность разряда растет (для средних и низких давлений), а область положительного столба приближается к электроду очистки. Для определенного состава газа произведение давления в камере на размер катодного темного пространства есть величина постоянная. Очевидно, что расстояние подложка — электрод также определяет ту область тлеющего разряда, в которой обрабатывается подложка, но точный выбор области очистки проще осуществить давлением. В слабой степени расстояние подложка — электрод влияет на мощность разряда (если только данное расстояние не соизмеримо с размером катодного

темного пространства. В этом случае при уменьшении расстояния мощность разряда резко падает и: разряд может погаснуть).

Изменяя давление, удобно выбир'ать требуемую область очистки, если расстояние от подложки до электрода очистки приблизительно равно* 10... 30 мм, точное значение расстояния определяется конструктивными особенностями применяемого оборудования. При: этом для таких материалов, как стекла, ферриты, керамики, си- таллы, требующие для очистки создания области отрицательного свечения на их поверхности, давление выбирается около 5... 10 Па. Ток электрода используется достаточно большой — более 50 мА для движущихся подложек. При обработке в разряде полиимидной пленки давление в камере увеличивается до 50 Па и этим обеспечивается очистка пленки в положительном столбе разряда; ток для обработки данного материала выбирается не более 10... ... 20 мА.

Форма обрабатывающего электрода принципиального значения не имеет, следует лишь учитывать, что область отрицательного' свечения образуется на определенном расстоянии от катода, а на большем расстоянии простирается область положительного столба. Поверхность подложки, как правило, плоская, следовательно^ наиболее предпочтительна плоская форма электрода. Всю поверхность электрода, кроме рабочей, обращенной к подложке, следует защищать металлическим экраном, расположенным на расстоянии . 3 мм от электрода, для исключения распыления металла. По той же причине на подложкодержателе не должны быть острые выступы.

Точное расположение подложки в области отрицательного свечения тлеющего разряда находится экспериментально для каждого конкретного вида вакуумной установки и конструктивных особенностей разрядного устройства.

<< | >>
Источник: Углов А. А. и др.. Адгезионная способность пленок.—М.: Радио и связь,. — 104 с.. 1987

Еще по теме Параметры, определяющие эффективность плазменной обработки:

  1. Психологические факторы, определяющие эффективность лечения (Ташлыков В.А.)
  2. 4.6. ОБРАБОТКА ДАННЫХ 4.6.1. Общее представление об обработке
  3. 4.6.3. Вторичная обработка 4.6.3.1. Общее представление о вторичной обработке
  4. Оценка эффективности и результативности в государственном секторе Необходимость организации системы оценки эффективности
  5. 4.9. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА И ЕЕ ПОКАЗАТЕЛИ. ПУТИ И ФАКТОРЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА
  6. Общая характеристика параметров, влияющих на адгезию
  7. Параметры системы
  8. Методы определения параметров производственных функиий
  9. § 1 К ПРОБЛЕМЕ ДИАГНОСТИКИ ПАРАМЕТРОВ ЛИЧНОСТИ
  10. Параметры микроклимата в производственных помещениях
  11. 21.5. ИНВЕСТИЦИИ И ФАКТОРЫ, ИХ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ
  12. Факторы, определяющие выбор парадигмы
  13. Эксплуатационные параметры оборудования и трубопроводов
  14. Обработка керамических изделий
  15. 1.3. Факторы, определяющие формирование родительства
  16. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИНТЕГРАТИВНОЙ МОДЕЛИ И ДИАГНОСТИРУЕМЫЕ ПРОБЛЕМЫ
  17. ПАРАМЕТРЫ МИКРОКЛИМАТА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ОРГАНИЗМ
  18. ДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СЛУЖБЫ
  19. 4.6.2. Первичная обработка