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, форми
руемых 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.
|
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; Еи 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
Другие рефераты на тему «Химия»:
- Разработка участка по получению магнитопласта на основе полиамида-6 методом литья под давлением
- Химические элементы, их связи и валентность
- Теплоты сорбции акрилонитрила в капроновые
- Перспективные композиты XXI века на основе органических и неорганических полимеров. Новые металлические сплавы, приоритетные технологии
- Растворение твердых веществ