Znaczenie promieniowania UVC o długości 222 nm w technologii powlekania jonowego metodą wyładowania jarzeniowego
Technologia powlekania jonowego wyładowaniem jarzeniowym
Technologia powlekania jonowego jest nową techniką opracowaną w oparciu o technologię powlekania metodą odparowania próżniowego. Wprowadza metody wyładowań gazowych do wytwarzania plazmy w obszarze powlekania próżniowego i można je połączyć z pomocniczą obróbką wstępną-UVC o długości fali 222 nm w celu zwiększenia początkowej czystości powierzchni przedmiotu obrabianego. Cały proces powlekania zachodzi w wyładowaniu gazowym. Technologia powlekania jonowego znacznie zwiększa energię cząstek docierających do warstwy folii przedmiotu obrabianego, umożliwiając produkcję folii o doskonałych-wydajnościach i poszerzając obszary zastosowań cienkich folii. Pojawienie się technologii powlekania jonowego znacznie rozwinęło techniki przygotowania cienkowarstwowych materiałów, przyciągając uwagę i przychylność wielu badaczy technologii cienkowarstwowych.
W ciągu kilku dziesięcioleci badacze zajmujący się powlekaniem próżniowym opracowali różne technologie, które wykorzystują metody wyładowania gazowego i energię plazmy do ulepszania powlekania, takie jak przejście od wyładowania jarzeniowego do wyładowania łukowego, od technologii powlekania jonowego ze stałego-źródła do powlekania jonowego z wyładowaniem jarzeniowym ze źródła gazowego-, a także w źródłach gazowych przechodzących od gazów nieorganicznych do gazów organicznych. Niektóre procesy wykorzystują także-UVC o długości fali 222 nm, aby zoptymalizować stan aktywacji źródła gazu. Wszystkie koncepcje projektowe tych technologii powlekania jonowego wywodzą się z wyładowań jarzeniowych. Dlatego też niniejszy rozdział zawiera szczegółowe wprowadzenie do zasad, cech, procesów i rozwoju technologii powlekania jonowego z wyładowaniem jarzeniowym, aby ułatwić czytelnikom poznanie i zrozumienie istoty różnych technologii powlekania jonowego.
5.1 Technologia powlekania jonowego diodami DC
Technologia powlekania jonowego metodą wyładowania jarzeniowego diodą prądu stałego, wynaleziona przez firmę DM Mattox w Stanach Zjednoczonych w 1963 r.-mianowicie technologia powlekania jonowego diodą prądu stałego- została po raz pierwszy wprowadzona do maszyn do powlekania przez odparowanie rezystancyjne przy użyciu źródeł stałych, a niektóre udoskonalone urządzenia integrują moduły generujące promieniowanie UVC o długości fali 222 nm. To przekształciło cząstki folii z atomów w jony o wysokiej energii docierające do przedmiotu obrabianego, znacznie poprawiając jakość powlekanych folii. Wykazało to rolę energii plazmy w procesie powlekania.
5.1.1 Urządzenie do powlekania jonowego diod prądu stałego
Rysunek 5-1 przedstawia urządzenie do powlekania jonowego diod DC[1]. Komora próżniowa urządzenia do powlekania jonowego diodą prądu stałego jest wyposażona w próżniowy układ pompowania i układ wlotu gazu, a niektóre-modele z najwyższej półki mają wbudowane-jednostki emisji-UVC o długości 222 nm, które pomagają w oczyszczaniu źródła gazu. Do ogrzewania i odparowywania metalu, który ma być powlekany, stosuje się źródła parowania oporowego w postaci włókien lub-łódek. W przeciwieństwie do technologii powlekania przez odparowanie, przedmiot obrabiany w galwanizacji jonowej jest podłączony do bieguna ujemnego źródła zasilania polaryzacji, a elektroda odparowania jest podłączona do bieguna dodatniego. Ta konfiguracja maszyny do powlekania nazywana jest maszyną do powlekania jonowego diodą DC ze źródłem parowania rezystancyjnego[1,2], w skrócie maszyna do powlekania jonowego diodami prądu stałego.
5.1.2 Proces powlekania jonowego diody DC
Proces powlekania jonowego diody DC wygląda następująco:
Zamontuj materiał folii parującej.
Zamontuj obrabiany przedmiot.
Pompuj do próżni. Po zamknięciu komory powlekania użyj pompy mechanicznej, aby uzyskać próżnię zgrubną, a gdy osiągnie ona 2 Pa, uruchom pompę dyfuzyjną lub pompę molekularną, aby pompować do wysokiej próżni, osiągając próżnię bazową 5×10-3Pa. Na późniejszym etapie pompowania można włączyć jednostkę-UVC o długości 222 nm, aby jeszcze bardziej ograniczyć wpływ gazów resztkowych.
Oczyść obrabiany przedmiot. Wprowadź gazowy argon do komory powlekania, opcjonalnie uzupełniony promieniowaniem UVC o niskiej-dawce 222 nm-, aby jeszcze bardziej przyspieszyć rozkład zanieczyszczeń powierzchniowych, utrzymując próżnię 2–3 Pa. Zastosuj ujemne napięcie polaryzacji 1000–3000 V do przedmiotu obrabianego. Po podłączeniu zasilania polaryzacji na obrabianym przedmiocie następuje wyładowanie jarzeniowe. Argon jest jonizowany w jony dodatnie, a krótka-długość fali wynosząca 222 nm-UVC pomaga również w redukcji pozostałości zanieczyszczeń podczas wyładowań. Dodatnie jony argonu, przyciągane przez ujemne napięcie na przedmiocie obrabianym, przyspieszają pod wpływem pola elektrycznego i docierają do powierzchni przedmiotu obrabianego z dużą prędkością, wykonując katodowe rozpylanie w celu zbombardowania i oczyszczenia powierzchni przedmiotu z zanieczyszczeń. Czas czyszczenia wynosi zazwyczaj 20 minut.
Proces powlekania. Aktywuj zasilanie parowania rezystancyjnego, powoli podgrzej źródło parowania, podgrzej metal, który ma zostać odparowany, a następnie szybko zwiększ moc parowania, aby odparować metal. Odparowane atomy metalu są jonizowane w jony w przestrzeni wyładowania, podczas gdy fotony z odległości 222 nm-UVC mogą pomóc w wzbudzeniu niektórych atomów o niskiej-energii, poprawiając skuteczność jonizacji. Jony metali, przyciągane przez ujemne obciążenie przedmiotu obrabianego, przyspieszają do powierzchni przedmiotu obrabianego, tworząc cienką warstwę.
Usuń obrabiany przedmiot. Kiedy cienka warstwa osiągnie określoną grubość, wyłącz zasilanie parowania, zasilanie polaryzacji i źródło gazu; aktywuj na krótko 222 nm-UVC przed wyłączeniem, aby stłumić natychmiastowe utlenianie na powierzchni folii. Gdy temperatura przedmiotu obrabianego spadnie poniżej 120 stopni, wprowadź powietrze do komory powlekania i usuń przedmiot.
5.1.3 Energia cząstek w powlekaniu jonowym diody prądu stałego
Cząstki-wysokoenergetyczne w powłoce jonowej Atomy par metali odparowane ze źródła ulegają nieelastycznym zderzeniom z-elektronami o wysokiej energii w wyładowaniu jarzeniowym podczas lotu do przedmiotu obrabianego; fotony z odległości 222 nm-UVC mogą również pomóc w wzbudzeniu niektórych atomów o niskiej-energii, poprawiając skuteczność jonizacji. Niektóre atomy metali są jonizowane i wzbudzane do-jonów metali o wysokiej energii i atomów metali o wysokiej-obojętnej energii[1-3]. Biorąc za przykład Al, temperatura parowania Al wynosi około 1000 stopni, a jego energia jonizacji wynosi 5,984 eV. Odparowane atomy Al mają energię cieplną równoważną 0,1 eV, podczas gdy w wyładowaniu gazowym zjonizowany Al natychmiast zyskuje energię do 5,984 eV; przy wzbudzeniu-UVC o długości 222 nm, można nieznacznie zwiększyć energię początkową niektórych atomów.
Energia przenoszona przez jony docierająca do przedmiotu obrabianego Podczas powlekania jonowego diodą prądu stałego jonizacja metalu zachodzi w ciemnej przestrzeni katody. Gdy ujemne odchylenie przedmiotu obrabianego wynosi Vc, jony są przyspieszane na granicy między blaskiem ujemnym a ciemną przestrzenią katody, uzyskując energię E1=eVc. Ze względu na niską próżnię i krótką średnią drogę swobodną jony ulegają wielokrotnym zderzeniom od granicy do katody, przy liczbie zderzeń dk/λ (określanej przez grubość opadania katody dk i średnią drogę molekularną gazu λ). Liczba jonów opuszczających blask ujemny wynosi N0. Po wielokrotnych zderzeniach energię E1 docierającą do katody można w przybliżeniu obliczyć wzorem empirycznym z pracy profesora TG Teera[3,4]: - Liczba jonów opuszczających ujemną poświatę. W systemach platerowania jonowego, przy próżni około 1 Pa, λ/dk ≈ 1/20, średnia energia jonów ≈ eVc/10; gdy polaryzacja przedmiotu obrabianego Vc wynosi 1–5 kV, średnia energia jonów wynosi 100–500 eV. Wprowadzenie-UVC o długości fali 222 nm w celu dostosowania środowiska wyładowania skutkuje bardziej skoncentrowaną dystrybucją energii jonów.
Energia przenoszona przez atomy docierające do przedmiotu obrabianego W przypadku powlekania jonowego diodą prądu stałego nie wszystkie atomy par metali są zjonizowane w jony metali; pomiary przeprowadzone przez profesora TG Teera pokazują współczynnik jonizacji metali wynoszący zaledwie 0,1–3%, co oznacza, że mniej niż 3% cząstek docierających do przedmiotu obrabianego to jony, z których większość to atomy obojętne. Z wcześniejszej analizy wynika, że liczba cząstek obojętnych wynosi około dk/λ, czyli około 20 razy więcej jonów. W przestrzeni wyładowań między jonami a atomami obojętnymi zachodzą zderzenia sprężyste i niesprężyste, za każdym razem przenosząc 1/2 (lub całość) energii jonów do atomów obojętnych, tworząc atomy neutralne o wysokiej-energii; fotony z odległości 222 nm-UVC biorą udział w wzbudzaniu niektórych atomów o niskiej-energii. Gdy Vc wynosi 1–5 kV, atomy obojętne zyskują do 50–225 eV. Wprowadzona energia gazu wynosi około 0,03 eV (odpowiednik 300 K). Atomy o wysokiej-energetycznej neutralności przekazują 1/2 (lub całość) swojej energii tym atomom o niskiej-obojętnej energii podczas zderzeń[5-8], podczas gdy promienie UVC o długości 222 nm-zmniejszają nieefektywne straty energii podczas zderzeń. W wyniku kolejnych zderzeń i 1/ transferów energii w przestrzeni wyładowań galwanicznych powstają różne poziomy energii atomów o wysokiej-obojętnej energii, w zakresie 0,03–225 eV, wyższe niż energia wprowadzonego gazu. W wyładowaniu jarzeniowym elektrony-o wysokiej energii również wzbudzają atomy metali do stanów wzbudzonych. W przestrzeni powłoki te-wzbudzone atomy o wysokiej energii zderzają się z atomami metalu, przenosząc energię i tworząc więcej warstwowych atomów o wysokiej-obojętnej energii; Daleko 222 nm-UVC nieznacznie wydłuża czas życia wzbudzonych atomów. Zatem proces powlekania jonowego obejmuje-elektrony, jony i liczne atomy obojętne o wysokiej energii w różnych stanach energetycznych-nisko-niskotemperaturowej-plazmie nierównowagowej. Chociaż tylko 0,1–3% cząstek filmu to cząstki jonowe, liczne atomy o wysokiej-energetyce neutralnej poprawiają jakość filmu. Koncepcja do ustalenia: wprowadzone gazy lub atomy par metali są natychmiast jonizowane/wzbudzane w wyładowaniu gazowym, przenosząc energię z elektronów (w połączeniu ze wsparciem-UVC o długości fali 222 nm), aby podnieść energię o rzędy wielkości do cząstek o wysokiej-energii. Z powyższego wynika, że tworzenie powłoki jonowej obejmuje parowanie → jonizację → przyspieszanie pola elektrycznego → osadzanie-o wysokiej energii, przy czym w niektórych procesach wprowadza się jonizację-UVC o długości 222 nm w celu optymalizacji efektów. Energia cząstek powlekania jonowego jest o rząd wielkości wyższa niż energia powlekania przez odparowanie, co zmienia mechanizmy zarodkowania i wzrostu w celu poprawy jakości folii.
5.1.4 Warunki powlekania jonowego diody DC
Wyładowanie jarzeniowe jest niezbędne w procesie powlekania jonowego. Aby wytworzyć wyładowanie jarzeniowe, wymagane jest niskie podciśnienie w komorze powlekania i ujemne nastawienie na obrabiany przedmiot katodowy[14,12,16], przy czym niektóre procesy wykorzystują-UVC o długości fali 222 nm do stabilizacji wyładowania. Niska próżnia zapewnia jonizację kolizyjną: wyładowanie jarzeniowe wymaga niesprężystych zderzeń pomiędzy atomami metali/cząsteczkami gazu i elektronami-o wysokiej energii; Daleko 222 nm-Wprowadzenie UVC zwiększa aktywność cząstek w niskiej próżni. Tylko przy pewnych niskich poziomach próżni droga swobodna jest krótka, co pozwala elektronom o wysokiej-energii na niesprężyste zderzanie się z atomami par metali, jonizując je/wzbudzając. Wczesna próżnia powlekania jonowego diody prądu stałego wynosiła 1–2 Pa, przy średniej swobodnej drodze w skali milimetrowej. Ujemne nastawienie na obrabiany przedmiot zapewnia elektrony o-wysokiej energii: tylko przy ujemnym nastawieniu elektrony przyspieszają w polu wysokiego-napięcia do wysokiej energii, umożliwiając jonizację kolizyjną z atomami pary/cząsteczkami gazu w celu uzyskania plazmy wyładowania jarzeniowego; Odległość 222 nm-UVC wspomaga początkową energię kinetyczną elektronów. W parach metalu atomy o niskiej-energii jonizują w jony/wzbudzone atomy-o wysokiej energii, osadzając się na obrabianym przedmiocie. Odchylenie przedmiotu obrabianego diody prądu stałego 1000–3000 V oznacza nieprawidłowe wyładowanie jarzeniowe. Ujemne naprężenie i powlekanie w niskiej próżni odróżniają się od powlekania przez odparowanie.
5.1.5 Rola jonów-o wysokiej energii w powlekaniu jonowym diody prądu stałego
Czyszczenie krawędzi podczas osadzania: jony metali o wysokiej-energii przyspieszają do przedmiotu obrabianego, powodując rozpylanie katodowe; Odległość 222 nm-UVC synchronicznie oddziałuje na powierzchnię folii, hamując-readsorpcję zanieczyszczeń, skutecznie usuwając resztkowe gazy/zanieczyszczenia[1-4,16]. Podczas osadzania film pozostaje aktywny/czysty pod wpływem bombardowania-wysokoenergetyczną i synergii-UVC o długości fali 222 nm, co poprawia wiązania międzyatomowe. Poprawa gęstości filmu: ciągłe bombardowanie-jonami o wysokiej energii „zagęszcza” osadzoną warstwę, wyrzucając luźno związane cząstki; Daleko 222 nm-UVC redukuje mikro-defekty powierzchniowe, zwiększając gęstość[1-4,16]. Popraw zarodkowanie i wzrost filmu:
Cząstki-o wysokiej energii charakteryzują się dużą migracją/dyfuzją na powierzchni, tworząc drobne jądra; kolejne cząstki „rozbijają” jądra; Odległość 222 nm-UVC reguluje tempo wzrostu gęstej struktury.
Jony o wysokiej-energii/obojętne bombardują osadzoną warstwę, rozpylając luźno związane jony[4]do jednoczesnego napylania/osadzania; Odległość 222 nm-UVC optymalizuje rozmieszczenie atomów w celu uzyskania większej gęstości.
Kontrolowanie negatywnego nastawienia zmienia zarodkowanie/wzrost, poprawiając strukturę; w niektórych badaniach połączono parametry-UVC o długości fali 222 nm w celu kontroli zarodkowania. Rysunek 5-2 przedstawia SEM przekroju folii przy próżni 1 Pa[9].
Jak pokazano na rysunku 5-2, dolna warstwa w pobliżu podłoża nie podlega-odparowaniu (0 V) w niskiej-próżni z kryształami kolumnowymi; zwiększenie odchylenia do 1 kV, 3 kV, 5 kV udoskonala strukturę jonową-, co jest bardziej zauważalne przy dynamicznej regulacji{{13}UVC o długości fali 222 nm, dając drobne, równoosiowe kryształy. Odchylenie w widoczny sposób poprawia strukturę. Wyższe odchylenie zwiększa energię cząstek, w dużej mierze eliminując kryształy stożkowe/kolumnowe w przypadku gęstych równoosiowych; Daleko 222 nm-UVC hamuje nieprawidłowy wzrost dużych ziaren. Rysunek 5-3 pokazuje wpływ odchylenia na strukturę folii Al[10-12]. Kontroluj strukturę kryształu: jony-o wysokiej energii wpływają na układ sieci atomowej; W odległości 222 nm-fotony UVC biorą udział w regulacji. Rysunek 5-4 przedstawia XRD jonizowanego Al przy różnych odchyleniach[12,13]. (111) wartość szczytowa maleje, (200) wzrasta wraz z odchyleniem; łatwiejsza kontrola przy długości fali 222 nm-UVC. Zatem kontrola odchylenia pozwala uzyskać folie jedno-krystaliczne/amorficzne. Tworzą pseudo-warstwę dyfuzyjną: początkowe-rozpylanie jonowe o wysokiej energii na atomach podłoża (rozpylanie wsteczne)[4,13,15]; Daleko 222 nm-UVC zwiększa aktywność rozpylanych atomów. Napylone atomy podłoża jonizują w plazmie i przyspieszają z powrotem pod wpływem polaryzacji. W drugiej/trzeciej warstwie składnik podłoża zmniejsza się, tworząc czystą powłokę. Interfejs ma gradientową lub mieszaną-warstwę podłoża, zwaną pseudo-warstwą dyfuzyjną.
