Գործնական փորձ վակուումային ծածկույթների մթնոլորտի կառավարման ոլորտում

Վակուումային ծածկույթներում մթնոլորտի վերահսկողությունը թաղանթի որակի և գործընթացի կայունության վրա ազդող ամենակարևոր գործոններից մեկն է: Չնայած ծածկույթի խցիկը գործում է վակուումի տակ, նստեցման միջավայրը լիովին «գազազուրկ» տարածք չէ: Մնացորդային գազերը, գործընթացային գազերը, ռեակտիվ գազերը, գազի հոսքը, աշխատանքային ճնշումը և պոմպային պայմանները անընդհատ փոխազդում են պլազմայի և նստեցման տեսակների հետ:

Իրական արտադրության մեջ, ծածկույթի բազմաթիվ թերություններ, որոնք, կարծես թե, կապված են թիրախի, կաթոդի, հիմքի կամ էլեկտրամատակարարման հետ, կարող են, ի վերջո, կապված լինել անկայուն մթնոլորտի կառավարման հետ: Անկայուն թաղանթի գույնը, վատ կպչունությունը, թաղանթի աննորմալ դիմադրությունը, չափազանց աղեղային առաջացումը, թաղանթի անհավասար հաստությունը, անցքերը և խմբաքանակից խմբաքանակ տատանումները հաճախ սերտորեն կապված են գործընթացի մթնոլորտի փոփոխությունների հետ:

Հետևաբար, արդյունաբերական PVD համակարգերի համար մթնոլորտի կառավարումը չպետք է դիտարկել պարզապես որպես գազի հոսքի հաշվիչի կարգավորում: Այն համակարգված գործընթաց է, որը ներառում է բազային ճնշումը, մնացորդային գազի կազմը, պրոցեսային գազի հոսքը, աշխատանքային ճնշումը, գազի մասնակի ճնշումը, պոմպային հաղորդունակությունը, պլազմային պայմանները և ռեակտիվ գազի հետադարձ կապը:

1. Առաջին քայլը գազի ներարկումը չէ, այլ հիմքի վակուումի կառավարումը

Արտադրության մեջ տարածված սխալ է պրոցեսային գազի պարամետրերի վրա կենտրոնանալը՝ անտեսելով վակուումային խցիկի վիճակը։

Գործընթացային գազեր ներմուծելուց առաջ ծածկույթի խցիկը պետք է հասնի համապատասխան բազային ճնշման: Բավականաչափ ցածր բազային ճնշումը նպաստում է մնացորդային թթվածնի, ջրային գոլորշու, ածխաջրածինների և այլ աղտոտիչների նվազեցմանը: Այս մնացորդային գազերը կարող են մասնակցել նստեցման գործընթացին և միանալ աճող թաղանթին՝ ազդելով թաղանթի կազմի, միկրոկառուցվածքի, կպչունության և օպտիկական կամ էլեկտրական հատկությունների վրա:

Սա հատկապես կարևոր է ռեակտիվ PVD գործընթացների համար: Օրինակ, նիտրիդների կամ օքսիդների նստեցման ժամանակ, նախատեսված ռեակտիվ գազը պետք է տարբերակել խցիկում մնացած անվերահսկելի թթվածնից կամ ջրային գոլորշուց: Հակառակ դեպքում, իրական ռեակտիվ մթնոլորտը կարող է զգալիորեն տարբերվել գործընթացի բաղադրատոմսից, նույնիսկ եթե զանգվածային հոսքի կարգավորիչը նորմալ է աշխատում:

Գործնականում, եթե նույն բաղադրատոմսը հանկարծակի տալիս է տարբեր ծածկույթի արդյունքներ, առաջին հարցը միշտ չէ, որ պետք է լինի այն, թե արդյոք նպատակային հզորությունը փոխվել է: Անհրաժեշտ է նաև ստուգել, ​​թե արդյոք փոխվել են բազային ճնշումը, պոմպի դադարեցման ժամանակը, խցիկի մաքրությունը և մնացորդային գազի պայմանները:

2. Պոմպի իջեցման վարքագիծը կարևոր գործընթացի ցուցիչ է

Առողջ վակուումային համակարգը պետք է ունենա համեմատաբար կայուն և կրկնվող պոմպային բնութագրեր։

Եթե ​​խցիկը սովորականից զգալիորեն ավելի երկար ժամանակ է պահանջում անհրաժեշտ բազային ճնշմանը հասնելու համար, դա կարող է վկայել արտանետումների ավելացման, աղտոտման, վակուումային արտահոսքի, պոմպի վատթարացման կամ խցիկի ներսում չափազանց խոնավության մասին։

Գազերի արտանետման բնորոշ աղբյուրներն են՝ հիմքի նյութերը, ամրակները, պոլիմերային մնացորդները, վակուումային ճարպը, խցիկի աղտոտված մակերեսները և կլանված խոնավությունը: Որոշ նյութեր կարող են շարունակել գազեր արտանետել խցիկի թվացյալ ընդունելի ճնշմանը հասնելուց հետո, ինչը հանգեցնում է անկայուն գործընթացային պայմանների նստեցման ընթացքում:

Հետևաբար, պոմպի դադարեցման ժամանակի, առավելագույն ճնշման, ճնշման բարձրացման արագության և գործընթացի կայունության միջև եղած կապը կարող է արժեքավոր տեղեկատվություն տրամադրել վակուումային համակարգի վիճակի մասին։

Արտադրական սարքավորումների դեպքում, պոմպային համակարգից մեկուսացումից հետո ճնշման բարձրացման վարքագծի մոնիթորինգը կարող է նաև օգնել տարբերակել իրական արտահոսքը նորմալ գազազատումից: Սա հատկապես օգտակար է խնդիրների լուծման ժամանակ:

3. Աշխատանքային ճնշումը որոշում է տրանսպորտային միջավայրը

Համապատասխան բազային վակուումի հասնելուց հետո ներմուծվում է տեխնոլոգիական գազ, և խցիկը մտնում է աշխատանքային ճնշման ռեժիմի մեջ։

Աշխատանքային ճնշումը անմիջականորեն ազդում է ցրված ատոմների, իոնների և էլեկտրոնների միջին ազատ ուղու վրա։ Հետևաբար, այն ազդում է պլազմայի բնութագրերի, նստեցման արագության, իոնացման, մասնիկների ցրման և նստեցման հոսքի անկյունային բաշխման վրա։

Համեմատաբար ցածր ճնշման դեպքում փոշիացված տեսակները կարող են անցնել խցիկով ավելի քիչ բախումներով, ինչը հանգեցնում է ավելի ուղղորդված նստվածքային հոսքի: Սա կարող է օգտակար լինել որոշակի կիրառությունների համար, բայց կարող է մեծացնել ստվերային էֆեկտները բարդ եռաչափ բաղադրիչների վրա:

Ճնշման բարձրացմանը զուգընթաց, նստվածքային նյութերի և գազի մոլեկուլների միջև բախումները դառնում են ավելի հաճախակի։ Նստվածքային հոսքը դառնում է ավելի ցրված, ինչը կարող է բարելավել ծածկույթը խորացված մակերեսների վրա, բայց կարող է նաև նվազեցնել նստվածքային արդյունավետությունը և փոխել թաղանթի ձևաբանությունը։

Հետևաբար, աշխատանքային ճնշումը չպետք է դիտարկել պարզապես որպես արժեք, որը պետք է «ճիշտ սահմանվի»։ Այն գործընթացի փոփոխական է, որն անմիջականորեն ազդում է նստվածքային նյութերի տեղափոխման կինետիկայի վրա։

4. Գազի հոսքը և ճնշումը նույնը չեն

Գործնականում PVD շահագործման մեջ գազի հոսքը սովորաբար կարգավորվում է զանգվածային հոսքի կարգավորիչի (MFC) միջոցով, մինչդեռ խցիկի ճնշումը որոշվում է գազի մուտքի և մղման հզորության միջև հավասարակշռությամբ։

Այս տարբերակումը չափազանց կարևոր է։

Նույն գազի հոսքի արագությունը պարտադիր չէ, որ նույն աշխատանքային ճնշումը ստեղծի վակուումային համակարգի տարբեր պայմաններում: Եթե փոխվում են պոմպի արագությունը, գազի փականի դիրքը, խցիկի հաղորդունակությունը կամ գազի ներքին հոսքի ուղին, ապա կարող է փոխվել նաև առաջացող ճնշումը:

Օրինակ, եթե գազի փականը կամ պոմպային համակարգը աննորմալ է աշխատում, օպերատորը կարող է մեծացնել գազի հոսքը՝ ճնշման շեղումը փոխհատուցելու համար: Չնայած ճնշումը կարող է ժամանակավորապես վերադառնալ նպատակային արժեքին, գազի հոսքի և պլազմայի իրական պայմանները կարող են արդեն փոխված լինել:

Հետևաբար, փորձառու տեխնոլոգիական ինժեներները, որպես կանոն, միասին են վերահսկում գազի հոսքը և խցիկի ճնշումը, այլ ոչ թե առանձին օգտագործում են որևէ պարամետր որպես միակ գործընթացային հղում։

5. Ռեակտիվ գազի կառավարումն ավելի զգայուն է

Ռեակտիվ PVD պրոցեսների համար, ինչպիսիք են TiN, CrN, TiAlN, Al₂O₃, SiO₂ և այլ միացություններով ծածկույթները, մթնոլորտի կառավարումը դառնում է զգալիորեն ավելի բարդ։

Ռեակտիվ գազը անմիջականորեն մասնակցում է թաղանթի առաջացմանը: Ազոտը, թթվածինը, ացետիլենը, մեթանը կամ այլ ռեակտիվ գազեր կարող են ռեակցիայի մեջ մտնել գոլորշիացված կամ փոշիացված նյութերի հետ՝ որոշելու թաղանթի վերջնական կազմը:

Հետևաբար, ռեակտիվ գազի մասնակի ճնշման փոքր փոփոխությունը կարող է զգալի փոփոխություն առաջացնել թաղանթի հատկություններում։

Օրինակ՝ ազոտի անբավարար հոսքը կարող է հանգեցնել թերի նիտրիդացման, մինչդեռ ազոտի ավելցուկը կարող է ազդել նստեցման արագության, պլազմայի բնութագրերի, թիրախի վարքագծի և թաղանթի կազմի վրա։ Ռեակտիվ մագնետրոնային փոշիացման դեպքում ռեակտիվ գազի ավելցուկային ներմուծումը կարող է նաև հանգեցնել թիրախի թունավորման, որի դեպքում թիրախի մակերեսին առաջանում է միացության շերտ և փոխում է փոշիացման բնութագրերը։

Ահա թե ինչու ռեակտիվ փոշիացումը հաճախ պահանջում է ավելի բարդ գործընթացի կառավարում, քան ավանդական մետաղական նստեցումը։

6. Թիրախային թունավորումը մթնոլորտի վերահսկման տիպիկ խնդիր է

Ռեակտիվ մագնետրոնային փոշիացման դեպքում թիրախի թունավորումը մթնոլորտի կառավարման հետ կապված ամենատարածված խնդիրներից մեկն է։

Երբ ռեակտիվ գազի մասնակի ճնշումը գերազանցում է որոշակի սահմանը, թիրախի մակերեսը կարող է ծածկվել միացյալ շերտով։ Այնուհետև թիրախը մետաղական փոշիացման վիճակից անցնում է թունավորման վիճակի։

Այս անցումը կարող է փոփոխություններ առաջացնել փոշիացման արագության, լիցքաթափման լարման, լիցքաթափման հոսանքի, երկրորդային էլեկտրոնների արտանետման, նստեցման արագության և թաղանթի կազմի մեջ։

Խնդիրն ավելի դժվար է դառնում, քանի որ ռեակտիվ գազի հոսքի և նպատակային վիճակի միջև կապը հաճախ ոչ գծային է։ Գազի հոսքի փոքր փոփոխությունը կարող է անհամաչափ մեծ փոփոխություն առաջացնել գործընթացի վիճակում։

Հետևաբար, մեծ ծավալի արտադրության համար միայն ֆիքսված ռեակտիվ գազի հոսքի վրա հույսը դնելը կարող է անբավարար լինել: Ավելի առաջադեմ համակարգերը կարող են օգտագործել փակ ցիկլի կառավարում՝ հիմնված օպտիկական ճառագայթման, արտանետման բնութագրերի, մասնակի ճնշման չափման կամ այլ գործընթացային ազդանշանների վրա՝ ռեակտիվ նստեցման պատուհանը կայունացնելու համար:

7. Խցիկի մաքրությունը անմիջականորեն ազդում է մթնոլորտի կայունության վրա

Մթնոլորտի կառավարումը կախված չէ միայն գազամատակարարման համակարգից։ Ծածկույթի խցիկի ներքին վիճակը նույնպես կարևոր է։

Կրկնվող արտադրական ցիկլերի ընթացքում ծածկույթային նյութը աստիճանաբար կուտակվում է խցիկի պատերի, վահանների, հիմքի ամրակների և այլ ներքին բաղադրիչների վրա: Այս նստվածքները կարող են դառնալ մասնիկների աղտոտման կամ գազերի արտանետման աղբյուրներ: Որոշ նստվածքներ կարող են նաև ռեակցիայի մեջ մտնել գործընթացային գազերի հետ կամ արտանետել նախկինում կլանված գազեր հետագա տաքացման և պլազմային շահագործման ընթացքում:

Սա կարող է աստիճանաբար փոխել խցիկի իրական մթնոլորտը, նույնիսկ այն դեպքում, երբ գործընթացի բաղադրատոմսը մնում է անփոփոխ։

Այս պատճառով, խցիկի կանոնավոր մաքրումը, վահանի փոխարինումը, ամրակների սպասարկումը և վակուումային կնքման ստուգումը մթնոլորտի կառավարման կարևոր մասեր են։

Կայուն PVD գործընթացը պարզապես կայուն բաղադրատոմսի արդյունք չէ։ Այն կախված է խցիկի ներսում համեմատաբար կայուն ֆիզիկական միջավայրի պահպանումից։

8. Գազի բաշխումը նույնքան կարևոր է, որքան գազի քանակը

Մեկ այլ գործնական խնդիր է այն, որ խցիկ մտնող գազի ընդհանուր քանակը չի երաշխավորում միատարր գործընթացային մթնոլորտ։

Գազի մուտքի, ցնցուղի գլխիկի, միջնորմի, պոմպային անցքի, գազի փականի և հիմքի պահիչի դիզայնը և դիրքը որոշում են, թե ինչպես է գազը բաշխվում խցիկի ներսում։

Գազի վատ բաշխումը կարող է առաջացնել ռեակտիվ գազի կոնցենտրացիայի կամ պլազմայի խտության տեղային տատանումներ: Արդյունքը կարող է լինել տարբեր թաղանթային կազմ կամ հաստություն հիմքի վրա տարբեր դիրքերում:

Սա հատկապես կարևոր է մեծ մակերեսով ծածկույթային համակարգերի և բարձր բեռնման հզորությամբ արտադրական սարքավորումների համար։

Հետևաբար, վակուումային ծածկույթի մեքենան օպտիմալացնելիս գազի հոսքի նախագծումը պետք է հաշվի առնել պլազմային աղբյուրի կոնֆիգուրացիայի, հիմքի պտույտի, պոմպային երկրաչափության և խցիկի կառուցվածքի հետ միասին։

9. Երբ ծածկույթը հանկարծակի փոխվում է, նախ ստուգեք մթնոլորտը

Իրական արտադրության մեջ ծածկույթի խնդիրները հաճախ ի հայտ են գալիս գույնի, կարծրության, կպչունության, թաղանթի հաստության կամ էլեկտրական կատարողականության հանկարծակի փոփոխությունների տեսքով։

Երբ սա տեղի է ունենում, գայթակղիչ է անմիջապես կարգավորել նստեցման հզորությունը, հիմքի թեքությունը կամ նստեցման ժամանակը: Այնուամենայնիվ, նախ պետք է ստուգել մթնոլորտին վերաբերող փոփոխականները:

Խնդիրների լուծման գործնական հաջորդականությունը ընթացիկ արտադրական տվյալների համեմատումն է նորմալ գործընթացային պայմանների հետ՝ հիմնական ճնշում, պոմպի դադարեցման ժամանակ, աշխատանքային ճնշում, տեխնոլոգիական գազի հոսք, ռեակտիվ գազի հոսք, գազի փականի դիրք, արտանետման լարում/հոսանք, հիմքի ջերմաստիճան և նստեցման արագություն։

Եթե ​​այս պարամետրերից մեկը փոխվել է, դա կարող է ավելի ուղղակի բացատրություն տալ, քան պարզապես ծածկույթի բաղադրատոմսի փոփոխությունը։

Մասնավորապես, եթե գազի հոսքի կարգավորումը անփոփոխ է, բայց խցիկի ճնշումը փոխվել է, խնդիրը կարող է լինել պոմպային համակարգի, ճնշման կարգավորման փականի, գազի մատակարարման, խցիկի հաղորդունակության կամ արտահոսքի վիճակում, այլ ոչ թե ծածկույթի նյութի մեջ։

10. Մթնոլորտի վերահսկողությունը, վերջին հաշվով, համակարգի վերահսկողության խնդիր է

Արդյունաբերական վակուումային ծածկույթների կիրառման գործնական փորձը ցույց է տալիս, որ մթնոլորտի կառավարումը չի կարող առանձնացվել ընդհանուր վակուումային համակարգից։

Վակուումային պոմպերը որոշում են խցիկի պոմպային հզորությունը։ Գազի մատակարարման համակարգը որոշում է գազի մուտքը։ Գազի հոսքի և խցիկի ճնշման միջև եղած կապը կարգավորվում է գազի հոսքի և խցիկի ճնշման միջև։ Պլազմայի աղբյուրը որոշում է, թե ինչպես է գազը իոնացվում և փոխազդում նստվածքի տեսակների հետ։ Հիմքի համակարգը որոշում է, թե ինչպես է աշխատանքային մասը փոխազդում պլազմայի հետ։

Այս համակարգերը գործում են միաժամանակ, և մեկ պարամետրի փոփոխությունը կարող է ազդել մի քանի այլ համակարգերի վրա։

Հետևաբար, հասուն PVD գործընթացը պետք է ստեղծի կայուն գործընթացային պատուհան, այլ ոչ թե հույսը դնի մեկ ֆիքսված պարամետրի վրա: Նպատակն է ապահովել, որ վակուումային ճնշումը, գազի հոսքը, պլազմայի բնութագրերը, հիմքի պայմանները և նստեցման պարամետրերը մնան վերահսկվող միջակայքում ամբողջ արտադրության ընթացքում:

Եզրակացություն

Մթնոլորտի վերահսկողությունը կայուն վակուումային ծածկույթի հիմնարար տարրերից մեկն է: Հիմքի ճնշումից և մնացորդային գազի կառավարումից մինչև աշխատանքային ճնշում, գազի հոսք, ռեակտիվ գազի մասնակի ճնշում, թիրախային թունավորում և խցիկի մաքրություն, յուրաքանչյուր գործոն կարող է ազդել վերջնական ծածկույթի վրա:

Ավանդական PVD նստեցման դեպքում կայուն մթնոլորտային պայմանները հիմք են հանդիսանում կրկնվող թաղանթի աճի համար: Ռեակտիվ փոշիացման և այլ պլազմային օժանդակությամբ գործընթացների դեպքում մթնոլորտի ճշգրիտ կառավարումն ավելի կարևոր է դառնում, քանի որ գազի կազմը անմիջականորեն մասնակցում է թաղանթի ձևավորմանը:

Հետևաբար, մթնոլորտի կառավարման իրական նպատակը պարզապես որոշակի ճնշման կամ գազի հոսքի արժեքի պահպանումը չէ։ Այն կայուն և վերարտադրելի նստեցման միջավայր ստեղծելն է, որտեղ պլազման, նստեցման տեսակները, սուբստրատը և ռեակտիվ մթնոլորտը մնում են վերահսկվող վիճակում։

Արդյունաբերական վակուումային ծածկույթների սարքավորումների համար սա պահանջում է վակուումային պոմպային համակարգի, գազի մատակարարման համակարգի, ճնշման կառավարման համակարգի, պլազմային աղբյուրի, խցիկի կառուցվածքի և գործընթացի կառավարման ծրագրային ապահովման համակարգված նախագծում։

- Այս հոդվածը հրապարակվել էվակուումային ծածկույթների սարքավորումների արտադրողՉժենհուա Վակուում