L'importanza di 222 nm lontano UVC nella tecnologia di placcatura ionica con scarica a bagliore
Tecnologia di placcatura ionica a scarica luminosa
La tecnologia di placcatura ionica evaporativa è una nuova tecnica sviluppata sulla base della tecnologia di rivestimento per evaporazione sotto vuoto. Introduce metodi di scarica di gas per la generazione di plasma nel campo del rivestimento sotto vuoto e può essere combinato con il pretrattamento ausiliario far-UVC a 222 nm per migliorare la pulizia iniziale della superficie del pezzo. L'intero processo di rivestimento avviene in scarica di gas. La tecnologia di placcatura ionica aumenta in modo significativo l'energia delle particelle che raggiungono lo strato di pellicola del pezzo in lavorazione, consentendo la produzione di pellicole con prestazioni superiori-e ampliando le aree di applicazione delle pellicole sottili. L'emergere della tecnologia di placcatura ionica ha notevolmente avanzato le tecniche di preparazione del film sottile, attirando l'attenzione e il favore di numerosi ricercatori sulla tecnologia del film sottile.
Nel corso di diversi decenni, i ricercatori nel campo del rivestimento sotto vuoto hanno sviluppato varie tecnologie che utilizzano metodi di scarica di gas e energia al plasma per migliorare il rivestimento, ad esempio passando dalla scarica a bagliore alla scarica ad arco, dalla tecnologia di placcatura ionica con sorgente solida-alla placcatura ionica con sorgente gassosa-con scarica a bagliore e all'interno di fonti gassose l'espansione dai gas inorganici ai gas organici. Alcuni processi incorporano anche far-UVC da 222 nm per ottimizzare lo stato di attivazione della fonte di gas. I concetti di progettazione di queste tecnologie di placcatura ionica provengono tutti dalla scarica a bagliore. Pertanto, questo capitolo fornisce un'introduzione dettagliata ai principi, alle caratteristiche, ai processi e allo sviluppo della tecnologia di placcatura ionica con scarica a bagliore per facilitare l'apprendimento e la comprensione da parte dei lettori dell'essenza delle varie tecnologie di placcatura ionica.
5.1 Tecnologia di placcatura ionica a diodi CC
La tecnologia di placcatura ionica con scarica a bagliore a diodo CC, inventata da DM Mattox negli Stati Uniti nel 1963-ovvero, la tecnologia di placcatura ionica a diodo CC-è stata introdotta per la prima volta nelle macchine di rivestimento ad evaporazione resistiva che utilizzavano fonti solide, con alcune apparecchiature migliorate che integravano moduli di generazione di raggi UVC da 222 nm. Ciò ha trasformato le particelle della pellicola da atomi in ioni ad alta energia che raggiungono il pezzo in lavorazione, migliorando significativamente la qualità delle pellicole rivestite. Ciò ha dimostrato il ruolo dell'energia del plasma nel processo di rivestimento.
5.1.1 Apparato per la placcatura ionica dei diodi CC
La Figura 5-1 mostra l'apparato per la placcatura ionica con diodi CC[1]. La camera a vuoto dell'apparecchio di placcatura ionica a diodo CC è dotata di un sistema di pompaggio del vuoto e di un sistema di ingresso del gas, con alcuni-modelli di fascia alta dotati di-unità di emissione UVC lontane da 222 nm integrate-per assistere nella purificazione della fonte di gas. Le sorgenti di evaporazione resistiva filamentose o a forma di barca- vengono utilizzate per riscaldare ed evaporare il metallo da rivestire. A differenza della tecnologia di rivestimento ad evaporazione, il pezzo in lavorazione nella placcatura ionica è collegato al polo negativo dell'alimentatore polarizzato e l'elettrodo di evaporazione è collegato al polo positivo. Questa configurazione della macchina di rivestimento è chiamata macchina per la placcatura ionica a diodi CC con sorgente di evaporazione resistiva[1,2], abbreviato come macchina per la placcatura ionica con diodi CC.
5.1.2 Processo di placcatura ionica del diodo CC
Il processo di placcatura ionica del diodo CC è il seguente:
Installare il materiale della pellicola di evaporazione.
Installare il pezzo.
Pompa per aspirare. Dopo aver chiuso la camera di rivestimento, utilizzare una pompa meccanica per pompare fino al vuoto approssimativo e, quando raggiunge 2 Pa, attivare la pompa a diffusione o la pompa molecolare per pompare fino al vuoto spinto, raggiungendo un vuoto base di 5×10-3Pa. Nella fase successiva del pompaggio, l'unità far-UVC da 222 nm può essere attivata per ridurre ulteriormente l'impatto dei gas residui.
Pulire il pezzo. Introduci gas argon nella camera di rivestimento, eventualmente integrato con irradiazione UVC a bassa-dose da 222 nm-per migliorare ulteriormente la decomposizione dei contaminanti superficiali, mantenendo un vuoto di 2–3 Pa. Applica una polarizzazione negativa di 1000–3000 V al pezzo in lavorazione. Dopo aver collegato l'alimentazione polarizzata, sul pezzo si verifica una scarica luminescente. Il gas argon viene ionizzato in ioni positivi e le caratteristiche di-lunghezza d'onda corta di 222 nm lontano-UVC aiutano anche a ridurre i residui di impurità durante la scarica. Gli ioni positivi di argon, attratti dalla tensione negativa sul pezzo, accelerano sotto il campo elettrico e raggiungono la superficie del pezzo ad alta velocità, eseguendo uno sputtering catodico per bombardare e pulire i contaminanti sulla superficie del pezzo. Il tempo di pulizia è generalmente di 20 minuti.
Processo di rivestimento. Attivare l'alimentatore di evaporazione resistiva, riscaldare lentamente la fonte di evaporazione, preriscaldare il metallo da evaporare, quindi aumentare rapidamente la potenza di evaporazione per evaporare il metallo. Gli atomi di metallo evaporati vengono ionizzati in ioni all'interno dello spazio di scarica, mentre i fotoni provenienti da una distanza di 222 nm-UVC possono contribuire ad eccitare alcuni atomi a bassa-energia, migliorando l'efficienza della ionizzazione. Gli ioni metallici, attratti dalla polarizzazione negativa sul pezzo, accelerano sulla superficie del pezzo per formare la pellicola sottile.
Rimuovere il pezzo. Quando il film sottile raggiunge lo spessore predeterminato, interrompere l'alimentazione di evaporazione, l'alimentazione di polarizzazione e la fonte di gas; attivare brevemente il far-UVC a 222 nm prima dello spegnimento per sopprimere l'ossidazione istantanea sulla superficie della pellicola. Dopo che la temperatura del pezzo è scesa sotto i 120 gradi, introdurre aria nella camera di rivestimento e rimuovere il pezzo.
5.1.3 Energia delle particelle nella placcatura ionica dei diodi CC
Particelle ad alta-energia nella placcatura ionica Gli atomi di vapore metallico evaporati dalla sorgente subiscono collisioni anelastiche con gli elettroni ad alta-energia nella scarica a bagliore durante il volo verso il pezzo in lavorazione; i fotoni provenienti da una distanza di 222 nm-UVC possono anche contribuire a eccitare alcuni atomi a bassa-energia, migliorando l'efficienza della ionizzazione. Alcuni atomi di metallo vengono ionizzati ed eccitati in ioni metallici ad alta-energia e atomi di metalli neutri ad alta-energia[1-3]. Prendendo Al come esempio, la temperatura di evaporazione dell'Al è di circa 1000 gradi e la sua energia di ionizzazione è 5.984 eV. Gli atomi di Al evaporato hanno un'energia termica equivalente a 0,1 eV, mentre nella scarica di gas, l'Al ionizzato guadagna immediatamente energia fino a 5,984 eV; con l'eccitazione lontano-UVC da 222 nm, l'energia iniziale di alcuni atomi può essere leggermente aumentata.
Energia trasportata dagli ioni che raggiungono il pezzo da lavorare Nella placcatura ionica con diodi CC, la ionizzazione del metallo avviene nello spazio buio del catodo. Quando la polarizzazione negativa sul pezzo è Vc, gli ioni vengono accelerati al confine tra il bagliore negativo e lo spazio buio del catodo, guadagnando energia E1=eVc. A causa del basso vuoto e del percorso libero medio breve, gli ioni subiscono collisioni multiple dal confine al catodo, con conteggio delle collisioni dk/λ (determinato dallo spessore di caduta del catodo dk e dal percorso libero medio molecolare del gas λ). Il numero di ioni che lasciano il bagliore negativo è N0. Dopo collisioni multiple, l'energia E1 che raggiunge il catodo può essere approssimata mediante la formula empirica tratta dall'articolo del professor TG Teer[3,4]: - Numero di ioni che lasciano il bagliore negativo. Nei sistemi di placcatura ionica, a circa 1 Pa di vuoto, λ/dk ≈ 1/20, energia ionica media ≈ eVc/10; quando la tensione di polarizzazione del pezzo Vc è 1–5 kV, l'energia ionica media è 100–500 eV. L'introduzione del far-UVC da 222 nm per regolare l'ambiente di scarica si traduce in una distribuzione dell'energia ionica più concentrata.
Energia trasportata dagli atomi che raggiungono il pezzo da lavorare Nella placcatura ionica con diodi CC, non tutti gli atomi di vapore metallico vengono ionizzati in ioni metallici; le misurazioni del professor TG Teer mostrano tassi di ionizzazione dei metalli solo dello 0,1%–3%, il che significa che meno del 3% delle particelle che raggiungono il pezzo sono ioni, la maggior parte dei quali sono atomi neutri. Dall'analisi precedente, il numero delle particelle neutre è di circa dk/λ, circa 20 volte quello degli ioni. Nello spazio di scarica, si verificano collisioni elastiche e anelastiche tra ioni e atomi neutri, trasferendo ogni volta metà (o tutta) dell'energia ionica agli atomi neutri, formando atomi neutri ad alta-energia; i fotoni provenienti da 222 nm di distanza-UVC partecipano all'eccitazione di alcuni atomi a bassa-energia. Quando Vc è compreso tra 1 e 5 kV, gli atomi neutri guadagnano fino a 50-225 eV. L'energia del gas introdotto è di circa 0,03 eV (equivalenti a 300 K). Gli atomi neutri ad alta-energia trasferiscono metà (o tutta) della loro energia a questi atomi neutri a bassa-energia durante le collisioni[5-8], mentre il far-UVC da 222 nm riduce la perdita di energia inefficace nelle collisioni. Attraverso collisioni successive e trasferimenti di energia 1/, nello spazio di scarica della placcatura ionica vengono prodotti vari livelli di energia di atomi neutri ad alta-energia, compresi tra 0,03 e 225 eV, superiori all'energia del gas introdotto. Nella scarica luminescente, gli elettroni ad alta-energia eccitano anche gli atomi metallici portandoli negli stati eccitati. Nello spazio del rivestimento, questi atomi eccitati ad alta-energia si scontrano con atomi di metallo, trasferendo energia e producendo atomi neutri ad alta-energia più stratificati; Il lontano-UVC da 222 nm estende leggermente la durata degli atomi eccitati. Pertanto, il processo di placcatura ionica coinvolge elettroni ad alta-energia, ioni e numerosi atomi neutri in vari stati energetici-un plasma a bassa-temperatura non-di equilibrio. Sebbene solo lo 0,1%–3% delle particelle della pellicola siano ioniche, abbondanti atomi neutri ad alta-energia migliorano la qualità della pellicola. Il concetto da stabilire: i gas introdotti o gli atomi di vapore metallico evaporato vengono immediatamente ionizzati/eccitati nella scarica di gas, trasferendo energia dagli elettroni (combinati con l'assistenza UVC a 222 nm di distanza) per aumentare l'energia per ordini di grandezza in particelle ad alta-energia. Da quanto sopra, la formazione del film di placcatura ionica include evaporazione → ionizzazione → accelerazione del campo elettrico → deposizione ad alta-energia, con alcuni processi che introducono 222 nm di distanza-UVC nella ionizzazione per ottimizzare gli effetti. L'energia delle particelle della placcatura ionica è di ordini di grandezza superiore rispetto al rivestimento per evaporazione, alterando i meccanismi di nucleazione e crescita per migliorare la qualità della pellicola.
5.1.4 Condizioni per la placcatura ionica del diodo CC
La scarica a bagliore è essenziale per la placcatura ionica. Per produrre la scarica a bagliore, sono necessari un basso vuoto nella camera di rivestimento e una polarizzazione negativa sul catodo del pezzo[14,12,16], con alcuni processi che utilizzano far-UVC a 222 nm per stabilizzare la scarica. Il basso vuoto garantisce la ionizzazione collisionale: la scarica a bagliore richiede collisioni anelastiche tra atomi di metallo/molecole di gas ed elettroni ad alta energia; L'introduzione del far-UVC da 222 nm migliora l'attività delle particelle nel basso vuoto. Solo a certi bassi livelli di vuoto il percorso libero medio è breve, consentendo agli elettroni ad alta-energia di collidere anelasticamente con gli atomi di vapore metallico, ionizzandoli/eccitandoli. Il vuoto della placcatura ionica dei primi diodi CC era di 1-2 Pa, con un percorso libero medio su scala millimetrica. La polarizzazione negativa sul pezzo garantisce elettroni ad alta-energia: solo con la polarizzazione negativa gli elettroni accelerano nel campo ad alta-tensione fino ad alta energia, consentendo la ionizzazione collisionale con atomi di vapore/molecole di gas per il plasma a scarica a bagliore; La distanza di 222 nm-UVC favorisce l'energia cinetica iniziale degli elettroni. Nel vapore metallico, gli atomi a bassa-energia si ionizzano in ioni ad alta-energia/atomi eccitati, depositandosi sul pezzo. La polarizzazione del pezzo del diodo CC 1.000–3.000 V è una scarica a bagliore anomala. Il bias negativo e il rivestimento a basso vuoto distinguono la placcatura ionica dalla placcatura per evaporazione.
5.1.5 Ruolo degli ioni ad alta-energia nella placcatura ionica dei diodi CC
Pulizia dei bordi durante la deposizione: gli ioni metallici ad alta-energia accelerano sul pezzo, provocando lo sputtering catodico; Il far-UVC da 222 nm agisce in modo sincrono sulla superficie della pellicola per inibire il ri-assorbimento delle impurità, rimuovendo efficacemente i gas residui/contaminanti[1-4,16]. Durante la deposizione, la pellicola rimane attiva/pulita sotto il bombardamento ad alta-energia e la sinergia UVC a 222 nm di distanza-, migliorando il legame interatomico. Migliora la densità della pellicola: il bombardamento ionico continuo ad alta-energia "compatta" la pellicola depositata, spruzzando particelle debolmente legate; Il lontano-UVC da 222 nm riduce i micro-difetti superficiali, aumentando la densità[1-4,16]. Migliorare la nucleazione e la crescita del film:
Le particelle ad alta-energia hanno un'elevata migrazione/diffusione sulla superficie, formando nuclei fini; le particelle successive "fratturano" i nuclei; Il lontano-UVC da 222 nm regola il tasso di crescita della struttura densa.
Ioni/neutri ad alta-energia bombardano la pellicola depositata, spruzzando ioni debolmente legati[4]per sputtering/deposizione simultanei; Il lontano-UVC da 222 nm ottimizza la disposizione atomica per una maggiore densità.
Il controllo del bias negativo altera la nucleazione/crescita, migliorando la struttura; alcuni studi combinano parametri far-UVC a 222 nm per il controllo della nucleazione. La Figura 5-2 mostra la sezione trasversale della pellicola al SEM con un vuoto di 1 Pa[9].
Come mostrato nella Figura 5-2, lo strato inferiore vicino al substrato è un'evaporazione a basso vuoto-bias (0 V)-con cristalli colonnari; l'aumento della polarizzazione a 1 kV, 3 kV, 5 kV affina la struttura placcata ionica, in modo più significativo con la regolazione dinamica far-UVC a 222 nm, producendo cristalli equiassici fini. Il bias affina visibilmente la struttura. Una polarizzazione più elevata aumenta l'energia delle particelle, eliminando in gran parte i cristalli conici/colonnari per densi equiassici; Il lontano-UVC da 222 nm inibisce la crescita anomala dei grani grandi. La Figura 5-3 mostra gli effetti di polarizzazione sulla struttura del film di Al[10-12]. Controlla la struttura cristallina: gli ioni ad alta-energia influenzano la disposizione del reticolo atomico; I fotoni UVC a 222 nm di distanza- partecipano alla regolamentazione. La Figura 5-4 mostra l'XRD di Al placcato ionico con diversi bias[12,13]. (111) il picco diminuisce, (200) aumenta con bias; più controllabile con il lontano-UVC da 222 nm. Pertanto, il controllo della polarizzazione produce pellicole monocristalline/amorfe. Forma lo pseudo-strato di diffusione: atomi iniziali del substrato ad alta-energia sputtering (back-sputtering)[4,13,15]; Il lontano-UVC da 222 nm migliora l'attività degli atomi spruzzati. Gli atomi del substrato polverizzato si ionizzano nel plasma, accelerano di nuovo sotto polarizzazione. Nel secondo/terzo strato la componente del substrato diminuisce, formando un rivestimento puro. L'interfaccia ha uno strato di substrato-film sfumato o misto, chiamato strato di pseudo-diffusione.
