Экономические преимущества инновационных методов магнетронного распыления

В данной работе рассмотрены и приведены в сравнение различные типы магнетронных распылительных систем (МРС). Описано экономическое преимущество МРС, основанных на сильноточном импульсном магнетронном разряде (СИМР) перед другими МРС, главным образом зависящее от скорости осаждения тонкопленочного покрытия. Приведены соответствующиеэкономическиевыводы.

In this work various types of the magnetron raspylitelnykh of systems (MRS) are considered and given to comparison. The economic advantage of MRS based on the silnotochny pulse magnetron category (SPMC) before other MRS, mainly depending on the speed of sedimentation of a thin-film covering is described. The corresponding economic conclusions are given.

В настоящее время все большую популярность получают тонкопленочные покрытия, которые позволяют изменить свойства поверхностей твердых тел такие, как твердость, проводимость, отражение и др. Такой метод изменения свойств поверхности является наиболее дешевым, чем использование цельных материалов с необходимыми свойствами. При нанесении покрытий можно создать материал, который будет отличен по свойствам от своего предыдущего состояния без покрытия. Например, хрупкий сплав металлов можно сделать более прочным, если на него нанести слой толщиной в несколько нанометров тонкопленочного покрытия (например, алюминия) и данный сплав будет более стоек к разрушению. Тонкопленочные покрытия используются в оптике (просветляющие и отражающие покрытия), медицине (кальцефосфатные покрытия, имитирующие человеческую кость), микроэлектронике, машиностроении (для повышения прочности, коррозионной стойкости и др.) и во многих других отраслях.

Для нанесения тонкопленочных покрытий особую популярность приобрел метод магнетронного распыления. Данный метод был разработан в конце 1970-х г. и развивается активно в настоящее время. Магнетронные распылительные системы (МРС) приобрели значительную популярность за счёт того, что обеспечивают хорошее качество и большое разнообразие тонкопленочных покрытий. Сегодня получают все новые технологии по нанесению тонких пленок, основанные на данном методе. Однако, существует ряд проблем, связанных с данным методом. Так, например, достигнутая производительность технологических процессов не всегда удовлетворяет потребностям промышленного производства. В частности, для МРС на постоянном токе применительно к металлам скорость осаждения составляет 1–10 нм/с, а при получении покрытий сложного состава — ещё меньше [1].

Для решения данной проблемы в работе [2] был предложен метод, основанный на использовании сильноточного импульсного магнетронного разряда (СИМР), который позволяет расплавлять тонкий поверхностный слой осаждаемого металлического вещества, что приводит к увеличению скорости осаждения тонкопленочных покрытий в 10–100 раз, чем при распылении в обычном планарном магнетроне. Работы по развитию технологии осаждения тонкопленочных покрытий, основанных на данном методе в настоящее время ведутся в Национальном Исследовательском Томском Политехническом университете на кафедре водородной энергетики и плазменных технологий (ВЭПТ).

В масштабах промышленного производства тонкопленочных покрытий также встает вопрос об экономии средств на расходные материалы. Данная экономия напрямую связана с повышением скоростей осаждения тонкопленочных покрытий, т. к. таким образом уменьшается скорость технологического процесса.

Таким образом, целью данной статьи является экономическое обоснование целесообразности развития данной технологии, позволяющей осаждать распыляемый материал во много раз быстрее, чем при обычном распылении тонких пленок металлов в планарном магнетроне.

Краткое описание схемы устройства планарной МРС

Магнетронная распылительная система — это устройство для нанесения тонкопленочных покрытий на твердое тело, будь то стекло, арматура и др. В основе нанесения покрытия, как видно из названия, лежит процесс распыления. Принципиальная схема простейшей планарной МРС представлена на рисунке 1.

Рис. 1. МРС с плоским катодом (планарная). 1 — катод-мишень, 2 — магнитная система, 3 — источник питания, 4 — анод, 5 — траектория движения электронов, 6 — зона распыления, 7 — силовая линия магнитного поля [3]

Катод-мишень 1 изготавливается из того материала, из которого в дальнейшем и будут состоять частично или полностью тонкие пленки, материалы мишени, их свойства, а также ценовое распределение, можно узнать на сайте вакуумных приборов [4]. Именно данный элемент системы подвергается распылению в ходе работы. Магнитная система 2 в ходе процесса работы МРС охлаждается проточной водой. Источник питания 3 — источник постоянного напряжения.

Данная МРС может быть использована только для осаждения металлических покрытий. Для осаждения полупроводниковых или диэлектрических покрытий ее нерационально использовать из-за практически нулевых скоростей осаждения. Скорость осаждения металлов, как было сказано выше 1–10 нм/с.

Существующие технологии осаждения покрытий.

На сегодняшний день существует множество технологий получения тонкопленочных покрытий при помощи МРС, направленных на увеличение скорости осаждения. Наиболее затратными являются осаждения полупроводниковых и диэлектрических покрытий, так как скорость их осаждения значительно ниже скорости осаждения металлов. Более того, для нанесения покрытий нужны дополнительные расходные материалы, такие как водяное охлаждение, мишени МРС, рабочий газ, реактивный газ, который нужен для осаждения сложных по химическому составу пленок, например, оксидов, нитридов и т. п. Чем выше скорость осаждения покрытий, тем меньше затрачивается таких ресурсов, как электроэнергия, рабочий и реактивный газы, вода для охлаждения и др. Таким образом, увеличивая скорость процесса осаждения покрытий мы приходим к существенной экономии ресурсов, требующихся для получения тонкопленочных покрытий.

Для увеличения скорости осаждения покрытий есть несколько способов. Например, использование импульсных магнетронных распылительных систем со среднечастотным источником питания. Существует несколько видов данных систем, наиболее популярной из которых является дуальная магнетронная распылительная система. Данная система позволяет получать покрытия сложного химического состава со скоростями в среднем около 4 нм/с на примере покрытий из диоксида титана и не более 10 нм/с для титана [5]. Однако для данной системы требуется не одна мишень, а две, что требует соответствующих экономических затрат.

Также используются высокочастотные магнетронные распылительные системы, получившие название HIPIMS. Скорость осаждения покрытий диоксида титана данным методом 0,2–0,7 нм/с [6]. Они не являются высокоскоростными, но позволяют получать качественные покрытия и осаждать покрытия сложного состава.

Использование МРС с жидким катодом позволяет увеличить скорости осаждения металлических покрытий в 10–100 раз по сравнению со скоростями осаждения обычного планарного магнетрона [1]. Но использование данного вида МРС связано со множеством технологических сложностей. В настоящее время при помощи использования данного вида МРС невозможно организовать поточного производства по нанесению тонкопленочных покрытий в промышленных масштабах, т. к. при заданных параметрах технологического процесса получается недостаточная повторяемость результатов.

Результаты моделирования, а также экспериментальные результаты, описанные в работе [2] позволяют получить технологию осаждения покрытий, со скоростями осаждения схожими со скоростями при использовании МРС с жидким катодом, но лишенную большинства недостатков использования данной МРС.

Из таблицы 1 видно, что скорость осаждения и, следовательно, время осаждения у МРС на СИМР на порядок выше, чем у остальных МРС. Поэтому, затраты на электричество и воду, становятся намного меньше, чем при использовании планарной или дуальной системы распыления, так как эти ресурсы используются постоянно в ходе всего технологического процесса.

Таблица 1

Сравнение разных систем магнетронов

Малый расход времени на осаждение тонкопленочных покрытий также влияет на расход рабочего и (если используется) реактивного газов (Табл. 1), поэтому расход газов при использовании МРС на СИМР намного меньше, чем при использовании других видов МРС.

При использовании дуальной МРС расход на мишени увеличивается вдвое, так как конструкционно необходимо в данной системе наличие двух мишеней, а не одной, как у планарного МРС и МРС на СИМР.

Таким образом использование МРС на СИМР позволяет значительно сэкономить на расходных материалах за счет высокой скорости осаждения.

В ходе сравнения метода осаждения покрытий на основе СИМР с методами, основанными на использовании планарной и дуальной МРС видно, что использование метода осаждения покрытий, описанного в работе [2] является наиболее экономически целесообразным и позволяющим экономить такие ресурсы, как воду, электричество рабочий газ, а также время. Данный метод в перспективе возможно будет использовать для промышленных масштабов производства, где экономия данных ресурсов особенно значительна. Благодаря экономии расходных ресурсов, стоимость пленок значительно уменьшится, что позволит использовать их более активно в различных производствах, где необходимы модифицированные материалы.

Литература:

1.         Блейхер Г. А., Кривобоков В. П. Эрозия поверхности твёрдого тела под действием мощных пучков заряженных частиц. Новосибирск: Наука, 2014. 248 с.

2.         Щелканов И. А. Сильноточный импульный магнетронный разряд с автоускорением плазмы: дис. …канд. физ.-мат. наук / Ходаченко Г. В.; МИФИ. — Москва, 2011. — 135 л.

3.         Кривобоков В. П., Сочугов Н. С., Соловьев А. А. Плазменные покрытия (методы и оборудование): Учебное пособие — Томск: Изд–во ТПУ, 2008. — 104 с.

4.         Мишени для магнетронного распыления в вакууме [Электронный ресурс] // Мишени для магнетронов. — Режим доступа: http://www.ligamet.org/index.php?id=92. — Загл. с экрана (2015).

5.         Д. В. Сиделев, Ю. Н. Юрьев, Д. А. Кокова, О. В. Пенкова. Осаждение пленок диоксида титана с помощью дуального магнетрона: отические и фотокаталитические свойства // Известия вузов. Физика. 2014.

6.         G. Brauer, B. Szyszka, M. Vergohl, R. Bandorf. Magnetron sputtering — Milestones of 30 years // Vacuum. 2010. Vol. 84. C. 1354–1359.