Реферат: Закономерности образования и роста покрытий
Реферат: Закономерности образования и роста покрытий
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 ат, который определяет долю энергии, переданной атомам
поверхности при взаимодействии. Если распределение по энергии падающих и
исходящих с поверхности атомов подчиняется закону Максвелла, то
ат или ат,
где Е¯ и Т¯ – энергия и температура атомов, поступающих на
поверхность; Е и Т – энергия и температура атомов, уходящих в газовую фазу;
Еп и Тп –энергия и температура атомов подложки.
При Е=Еп
имеем ат=1, т. е. наблюдается полная аккомодация. Считается, что
всегда при реализующихся на практике условиях и режимах осаждения ат£1.
Установлено, что практически полный энергообмен между атомами на
поверхности происходит за время, равное двум периодам согласованных колебаний
адсорбированного атома (адатома) и атома подложки: tт»2tо (tо– период колебаний атомов в
решетке, tо~ 10-12…10-13с).
Расчеты показывают, что если массы атома подложки и атома,
взаимодействующего с поверхностью, примерно равны и Е¯ < 25 Eа 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 (ат<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 tа,
называемое временем жизни в адсорбированном состоянии, перейти в газовую фазу (в
десорбированное состояние). Поверхностная диффузия характеризуется длиной
диффузионного пробега Х=(2Dtа )1/2=
2а exp[(Еа – Еd)/2kT] , которая равна расстоянию, проходимому атомом на
поверхности за время его жизни в адсорбированном состоянии tа (а – расстояние между соседними
адсорбционными узлами поверхности; D–коэффициент поверхностной диффузии; Еа
и Еd – 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 nа, ат./м2,
зависит от плотности потока атомов j, ат./(м2с), взаимодействующих с
поверхностью, и определяется вероятностью десорбции атомов. Вероятность
десорбции атомов
Ŵ= nа/tа,
где tа=tоexp(Eа/kT)– время
жизни в адсорбированном состоянии, tо=10-13…10-12с;
Eа – энергия связи с поверхностью; k – постоянная Больцмана.
Тогда изменение плотности адсорбированных атомов за
дифференциальное малое время dt
dnа= jdt - nаdt/ta . (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 na(t=0)
= 0
является выражение
(2.2)
Для начальных стадий осаждения (t<<фa) можно принять, что
Тогда на основании (2.2) получим na=j t . Таким образом, при
малых временах осаждения наблюдается линейное возрастание плотности
адсорбированных атомов в процессе осаждения.
На поздних стадиях роста, при t>>фa из (2.2) получим na=j фa. Следовательно, при таких режимах адсорбционная
фаза характеризуется равновесной плотностью, зависящей только от j и tа . При прекращении поступления
атомов на поверхность происходит их десорбция, и через время tа 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.
Страницы: 1, 2, 3 |