A importância do UVC distante de 222 nm na tecnologia de revestimento iônico de descarga luminosa
Tecnologia de revestimento iônico de descarga incandescente
A tecnologia de revestimento iônico evaporativo é uma nova técnica desenvolvida com base na tecnologia de revestimento por evaporação a vácuo. Ele introduz métodos de descarga de gás para geração de plasma no campo de revestimento a vácuo e pode ser combinado com pré-tratamento auxiliar UVC de 222 nm distante- para melhorar a limpeza inicial da superfície da peça de trabalho. Todo o processo de revestimento ocorre na descarga de gás. A tecnologia de revestimento iônico aumenta significativamente a energia das partículas que atingem a camada de filme da peça, permitindo a produção de filmes de desempenho-superior e expandindo as áreas de aplicação de filmes finos. O surgimento da tecnologia de revestimento iônico avançou bastante as técnicas de preparação de filmes finos, atraindo a atenção e o favor de vários pesquisadores de tecnologia de filmes finos.
Ao longo de várias décadas, pesquisadores na área de revestimento a vácuo desenvolveram diversas tecnologias que usam métodos de descarga de gás e energia de plasma para aprimorar o revestimento, como a progressão da descarga luminosa para a descarga de arco, da tecnologia de revestimento iônico de fonte-sólida para o revestimento iônico de descarga luminosa-de fonte gasosa e, dentro de fontes gasosas, expandindo de gases inorgânicos para gases orgânicos. Alguns processos também incorporam UVC distante-de 222 nm para otimizar o estado de ativação da fonte de gás. Todos os conceitos de design dessas tecnologias de revestimento iônico se originam da descarga luminosa. Portanto, este capítulo fornece uma introdução detalhada aos princípios, características, processos e desenvolvimento da tecnologia de revestimento iônico de descarga luminosa para facilitar o aprendizado e a compreensão dos leitores sobre a essência de várias tecnologias de revestimento iônico.
5.1 Tecnologia de revestimento iônico de diodo CC
A tecnologia de revestimento iônico de descarga luminosa de diodo DC, inventada por DM Mattox nos Estados Unidos em 1963,-ou seja, a tecnologia de revestimento iônico de diodo DC-foi introduzida pela primeira vez em máquinas de revestimento por evaporação resistiva usando fontes sólidas, com alguns equipamentos aprimorados integrando módulos de geração de UVC distante-de 222nm. Isso transformou as partículas do filme de átomos em íons de alta energia que chegam à peça de trabalho, melhorando significativamente a qualidade dos filmes revestidos. Isto demonstrou o papel da energia do plasma no processo de revestimento.
5.1.1 Aparelho para Revestimento Iônico de Diodo DC
A Figura 5-1 mostra o aparelho para revestimento iônico de diodo DC[1]. A câmara de vácuo do aparelho de revestimento iônico de diodo CC é equipada com um sistema de bombeamento de vácuo e um sistema de entrada de gás, com alguns modelos-de última geração apresentando unidades de emissão UVC-de 222nm distante{4}}integradas para auxiliar na purificação da fonte de gás. Fontes de evaporação resistivas em forma de filamento ou barco são usadas para aquecer e evaporar o metal a ser revestido. Ao contrário da tecnologia de revestimento por evaporação, a peça de trabalho no revestimento iônico é conectada ao pólo negativo da fonte de alimentação de polarização e o eletrodo de evaporação é conectado ao pólo positivo. Esta configuração da máquina de revestimento é chamada de máquina de revestimento iônico de diodo DC com fonte de evaporação resistiva[1,2], abreviado como máquina de revestimento iônico de diodo DC.
5.1.2 Processo de Revestimento Iônico de Diodo DC
O processo de revestimento iônico de diodo DC é o seguinte:
Instale o material do filme de evaporação.
Instale a peça de trabalho.
Bombeie para aspirar. Após fechar a câmara de revestimento, utilize uma bomba mecânica para bombear para vácuo bruto, e quando atingir 2 Pa, ative a bomba de difusão ou bomba molecular para bombear para alto vácuo, atingindo um vácuo base de 5×10-3Pa. No estágio posterior do bombeamento, a unidade UVC distante-de 222 nm pode ser ativada para reduzir ainda mais o impacto dos gases residuais.
Limpe a peça de trabalho. Introduza gás argônio na câmara de revestimento, opcionalmente complementado com irradiação UVC de baixa-dose distante de 222nm-para melhorar ainda mais a decomposição de contaminantes de superfície, mantendo um vácuo de 2–3 Pa. Aplique uma polarização negativa de 1.000–3.000 V à peça de trabalho. Depois de conectar a fonte de alimentação polarizada, ocorre uma descarga incandescente na peça de trabalho. O gás argônio é ionizado em íons positivos, e as características de{11}}comprimento de onda curto do UVC distante-de 222 nm também ajudam a reduzir resíduos de impurezas durante a descarga. Os íons positivos de argônio, atraídos pela tensão negativa na peça de trabalho, aceleram sob o campo elétrico e atingem a superfície da peça em alta velocidade, realizando pulverização catódica para bombardear e limpar contaminantes na superfície da peça. O tempo de limpeza é geralmente de 20 minutos.
Processo de revestimento. Ative a fonte de alimentação de evaporação resistiva, aqueça lentamente a fonte de evaporação, pré-aqueça o metal a ser evaporado e aumente rapidamente a potência de evaporação para evaporar o metal. Os átomos de metal evaporados são ionizados em íons dentro do espaço de descarga, enquanto fótons de 222nm distante-UVC podem ajudar a excitar alguns átomos de baixa-energia, melhorando a eficiência de ionização. Os íons metálicos, atraídos pela polarização negativa da peça, aceleram em direção à superfície da peça para formar a película fina.
Remova a peça de trabalho. Quando o filme fino atingir a espessura predeterminada, desligue a fonte de alimentação de evaporação, a fonte de alimentação de polarização e a fonte de gás; ative brevemente o UVC distante-de 222 nm antes do desligamento para suprimir a oxidação instantânea na superfície do filme. Depois que a temperatura da peça cair abaixo de 120 graus, introduza ar na câmara de revestimento e remova a peça.
5.1.3 Energia de Partículas em Revestimento Iônico de Diodo DC
Partículas de{0}alta energia no revestimento iônico Os átomos de vapor metálico evaporados da fonte sofrem colisões inelásticas com elétrons de alta-energia na descarga luminosa durante o voo até a peça de trabalho; fótons de 222 nm de distância-UVC também podem ajudar a excitar alguns átomos de-baixa energia, melhorando a eficiência de ionização. Alguns átomos de metal são ionizados e excitados em íons metálicos de alta{6}}energia e átomos de metal neutros de alta-energia[1-3]. Tomando o Al como exemplo, a temperatura de evaporação do Al é de cerca de 1000 graus e sua energia de ionização é de 5,984 eV. Os átomos de Al evaporados possuem energia térmica equivalente a 0,1 eV, enquanto na descarga gasosa, o Al ionizado ganha energia de até 5,984 eV imediatamente; com excitação UVC distante-de 222 nm, a energia inicial de alguns átomos pode ser ligeiramente aumentada.
Energia transportada por íons que atingem a peça de trabalho No revestimento iônico de diodo DC, a ionização do metal ocorre no espaço escuro do cátodo. Quando a polarização negativa na peça de trabalho é Vc, os íons são acelerados na fronteira entre o brilho negativo e o espaço escuro do cátodo, ganhando energia E1=eVc. Devido ao baixo vácuo, caminho livre médio curto, os íons sofrem múltiplas colisões da fronteira até o cátodo, com contagem de colisões dk/λ (determinada pela espessura de queda do cátodo dk e caminho livre médio molecular do gás λ). O número de íons que saem do brilho negativo é N0. Após múltiplas colisões, a energia E1 que atinge o cátodo pode ser aproximada pela fórmula empírica do artigo do Professor TG Teer[3,4]: - Número de íons que saem do brilho negativo. Em sistemas de revestimento iônico, em torno de 1 Pa de vácuo, λ/dk ≈ 1/20, energia média de íons ≈ eVc/10; quando a polarização da peça Vc é de 1–5 kV, a energia média dos íons é de 100–500 eV. A introdução do UVC distante-de 222 nm para ajustar o ambiente de descarga resulta em uma distribuição de energia iônica mais concentrada.
Energia transportada pelos átomos que chegam à peça de trabalho No revestimento iônico com diodo CC, nem todos os átomos de vapor metálico são ionizados em íons metálicos; medições do professor TG Teer mostram taxas de ionização metálica de apenas 0,1% –3%, o que significa que menos de 3% das partículas que atingem a peça de trabalho são íons, sendo a maioria átomos neutros. Pela análise anterior, o número de partículas neutras é cerca de dk/λ, aproximadamente 20 vezes o número de íons. No espaço de descarga, colisões elásticas e inelásticas ocorrem entre íons e átomos neutros, transferindo metade (ou toda) da energia do íon para átomos neutros a cada vez, formando átomos neutros de alta-energia; fótons de 222nm distante-UVC participam da excitação de alguns átomos-de baixa energia. Quando Vc é 1–5 kV, os átomos neutros ganham até 50–225 eV. A energia do gás introduzido é de cerca de 0,03 eV (equivalente a 300 K). Átomos neutros de alta-energia transferem metade (ou toda) de sua energia para esses átomos neutros-de baixa energia durante as colisões[5-8], enquanto o UVC distante-de 222 nm reduz a perda de energia ineficaz em colisões. Através de colisões sucessivas e transferências de energia 1/, vários níveis de energia de átomos neutros de alta-energia são produzidos no espaço de descarga do revestimento iônico, variando de 0,03 a 225 eV, superior à energia do gás introduzida. Na descarga luminosa, elétrons de alta{8}energia também excitam átomos de metal em estados excitados. No espaço de revestimento, esses átomos excitados de alta-energia colidem com átomos de metal, transferindo energia e produzindo mais átomos neutros de alta-energia em camadas; 222 nm distante-UVC estende ligeiramente a vida útil dos átomos excitados. Assim, o processo de revestimento iônico envolve elétrons de alta-energia, íons e numerosos átomos neutros em vários estados de energia-um plasma de-temperatura fora de{18}}equilíbrio. Embora apenas 0,1% a 3% das partículas do filme sejam iônicas, átomos neutros e abundantes de alta-energia melhoram a qualidade do filme. O conceito a ser estabelecido: gases introduzidos ou átomos de vapor de metal evaporado são imediatamente ionizados/excitados na descarga de gás, transferindo energia de elétrons (combinado com assistência UVC distante-de 222nm) para aumentar a energia em ordens de magnitude em partículas de alta-energia. Do exposto, a formação do filme de revestimento iônico inclui evaporação → ionização → aceleração do campo elétrico → deposição de alta-energia, com alguns processos introduzindo UVC distante-de 222 nm na ionização para otimizar os efeitos. A energia das partículas do revestimento iônico é muito maior do que o revestimento por evaporação, alterando os mecanismos de nucleação e crescimento para melhorar a qualidade do filme.
5.1.4 Condições para Revestimento Iônico de Diodo DC
A descarga luminosa é essencial para o revestimento iônico. Para produzir descarga luminosa, são necessários baixo vácuo na câmara de revestimento e polarização negativa na peça de trabalho do cátodo.[14,12,16], com alguns processos usando UVC distante-de 222 nm para estabilizar a descarga. O baixo vácuo garante ionização colisional: a descarga luminosa requer colisões inelásticas entre átomos de metal/moléculas de gás e elétrons de alta{3}}energia; A introdução de UVC de 222 nm-aumenta a atividade das partículas em baixo vácuo. Somente em certos níveis de baixo vácuo o caminho livre é curto, permitindo que elétrons de alta-energia colidam inelasticamente com átomos de vapor metálico, ionizando-os/excitando-os. O vácuo inicial do revestimento iônico de diodo DC era de 1–2 Pa, com caminho livre médio em escala milimétrica. A polarização negativa na peça de trabalho garante elétrons de alta-energia: somente com polarização negativa os elétrons aceleram em campo de alta-tensão para alta energia, permitindo a ionização colisional com átomos de vapor/moléculas de gás para plasma de descarga luminosa; 222nm distante-UVC auxilia na energia cinética inicial do elétron. No vapor metálico, átomos de baixa{18}}energia ionizam-se em íons/átomos excitados de alta-energia, depositando-se na peça de trabalho. A polarização da peça de trabalho do diodo CC de 1.000 a 3.000 V é uma descarga incandescente anormal. A polarização negativa e o revestimento de baixo vácuo distinguem o revestimento iônico do revestimento por evaporação.
5.1.5 Papel dos íons de alta{1}}energia no revestimento iônico de diodo CC
Limpeza de bordas durante a deposição: íons metálicos de alta{0}energia aceleram até a peça de trabalho, causando pulverização catódica; O UVC distante-de 222 nm atua de forma síncrona na superfície do filme para inibir a re-adsorção de impurezas, removendo efetivamente gases/contaminantes residuais[1-4,16]. Durante a deposição, o filme permanece ativo/limpo sob bombardeio de alta-energia e sinergia UVC distante de 222 nm-, melhorando a ligação interatômica. Melhorar a densidade do filme: O bombardeio contínuo de íons de alta{5}energia "compacta" o filme depositado, espalhando partículas fracamente ligadas; O UVC distante-de 222 nm reduz micro-defeitos de superfície, aumentando a densidade[1-4,16]. Melhore a nucleação e o crescimento do filme:
Partículas-de alta energia têm alta migração/difusão na superfície, formando núcleos finos; as partículas subsequentes "fraturam" os núcleos; 222nm distante-UVC regula a taxa de crescimento para estrutura densa.
Íons/neutros de alta{0} energia bombardeiam o filme depositado, espalhando íons fracamente ligados[4]para pulverização/deposição simultânea; 222 nm distante-UVC otimiza o arranjo atômico para maior densidade.
O controle do viés negativo altera a nucleação/crescimento, melhorando a estrutura; alguns estudos combinam parâmetros UVC distantes de 222 nm-para controle de nucleação. A Figura 5-2 mostra SEM da seção transversal do filme no vácuo de 1 Pa[9].
Conforme mostrado na Figura 5-2, a camada inferior próxima ao substrato não tem-viés (0 V) baixa-evaporação a vácuo com cristais colunares; aumentar a polarização para 1 kV, 3 kV, 5 kV refina a estrutura-revestida de íons, mais significativamente com a regulação dinâmica UVC distante-de 222 nm, produzindo cristais equiaxiais finos. O preconceito refina visivelmente a estrutura. A polarização mais alta aumenta a energia das partículas, eliminando em grande parte os cristais cônicos/colunares para equiaxiais densos; 222 nm distante-UVC inibe o crescimento anormal de grãos grandes. A Figura 5-3 mostra os efeitos de polarização na estrutura do filme de Al[10-12]. Estrutura cristalina de controle: íons de alta{1}}energia afetam o arranjo da rede atômica; Os fótons UVC distantes de 222 nm- participam da regulamentação. A Figura 5-4 mostra XRD de Al banhado com íons em diferentes polarizações[12,13]. (111) pico diminui, (200) aumenta com viés; mais controlável com UVC distante-de 222 nm. Assim, o controle de polarização produz filmes monocristalinos/amorfos. Forma a camada de pseudo{8}}difusão: íons iniciais de alta-energia disparam átomos de substrato (back{10}}sputtering)[4,13,15]; 222nm distante-UVC aumenta a atividade do átomo pulverizado. Os átomos do substrato pulverizados ionizam-se no plasma e aceleram de volta sob polarização. Na segunda/terceira camada, o componente do substrato diminui, formando um revestimento puro. A interface possui uma camada de substrato-de filme gradiente ou misto, chamada camada de pseudo{6}}difusão.
