Вакуумная напылительная установка SPI для нанесения тонких пленок (нанометровой толщины) золота, а также плазменной очистки

Вакуумная напылительная установка SPI Module Sputter/Carbon Coater (Structure Probe, Inc. США) (рис. 7) позволяет наносить тонкие пленки (нанометровой толщины) углерода и золота с целью создания токопроводящих дорожек на микрофлюидных чипах для подачи управляющего напряжения на исполнительные элементы и регистрации электрического тока. Также на данной установки можно осуществлять плазменную очистку и модификацию поверхности образцов.

Рис. 7. Вакуумная напылительная установка SPI Module Sputter/Carbon Coater.

Вакуумное напыление основано на создании направленного потока частиц (атомов, молекул или кластеров) наносимого материала на поверхность изделия. Процесс включает в себя такие стадии, как переход напыляемого вещества из твердого состояния в газообразное, перенос молекул газовой фазы к поверхности изделия, формирование пленки.

По способу перевода вещества из конденсированной в газовую фазу различают вакуумное испарение и ионное распыление. При ионном распылении частицы наносимого вещества выбиваются с поверхности конденсированной фазы путем ее бомбардировки ионами низкотемпературной плазмы. Вариантами ионного распыления являются катодное, магнетронное, ионно-плазменное и высокочастотное распыление, которые отличаются друг от друга условиями формирования и локализацией в пространстве низкотемпературной плазмы. Если распыление проводится в присутствии химических реагентов (в газовой фазе), то на поверхности изделия образуются продукты их взаимодействия с распыляемым веществом. Такое распыление называется реактивным.

Перенос частиц напыляемого вещества от источника (мишени) к поверхности образца осуществляется по прямолинейным траекториям при вакууме 10^-2 Па и ниже (вакуумное испарение) и путем диффузионного и конвективного переноса в плазме при давлениях 1 Па (катодное распыление) и 10^-1-10^-2 Па (магнетронное и ионно-плазменное распыление). Взаимодействие каждой частицы напыляемого вещества при соударении с поверхностью детали зависит от ее энергии, температуры поверхности и химического сродства материалов пленки и образца. Атомы или молекулы, достигшие поверхности, могут либо отразиться от нее, либо адсорбироваться и через некоторое время покинуть ее (десорбция), либо адсорбироваться и образовывать на поверхности конденсат (конденсация). При высоких энергиях частиц, большой температуре поверхности и малом химическом сродстве частица отражается поверхностью. Температура поверхности образца, выше которой все частицы отражаются от нее и пленка не образуется, называется критической. Критической плотностью потока испаряемых частиц для данной температуры поверхности называется наименьшая плотность, при которой частицы конденсируются и формируют пленку.

Структура напыленных пленок зависит от свойств материала, состояния и температуры поверхности, скорости напыления. Пленки могут быть аморфными (стеклообразными, напр. оксиды, Si), поликристаллическими (металлы, сплавы, Si) или монокристаллическими (напр., полупроводниковые пленки, полученные молекулярно-лучевой эпитаксией). Для упорядочения структуры и уменьшения внутренних механический напряжений пленок, повышения стабильности их свойств и улучшения адгезии к поверхности образца, сразу же после напыления без нарушения вакуума производят отжиг пленок при температурах, превышающих температуру поверхности при напылении.

Вакуумно-напылительные установки.Для вакуумного напыления используют технологическое оборудование периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. Установки периодического действия осуществляют один цикл нанесения пленок при заданном числе загружаемых изделий. Установки непрерывного действия используют при серийном и массовом производстве. Они бывают двух видов: многокамерные и многопозиционные однокамерные. Первые состоят из последовательно расположенных напылительных модулей, в каждом из которых осуществляется напыление пленок определенных материалов или их термическая обработка и контроль. Модули объединены между собой шлюзовыми камерами и транспортирующим конвейерным устройством. Многопозиционные однокамерные установки содержат несколько напылительных постов (расположенных в одной вакуумной камере), соединяемых транспортным устройством конвейерного или роторного типа.

Основные узлы и системы установок для вакуумного напыления представляют собой самостоятельные устройства, выполняющие заданные функции: создание вакуума, испарение или распыление материала пленок, транспортировку деталей, контроль режимов напыления и свойств пленок, электропитание и др. Обычно установка для ВН включает в себя:

- рабочую камеру, в которой осуществляется напыление пленок,

- источники испаряемых или распыляемых материалов с системами их энергопитания и устройствами управления,

- газораспределительную систему, обеспечивающую получение необходимого вакуума и организацию газовых потоков,

- систему электропитания и блокировки всех устройств и рабочих узлов установки,

- систему контроля и управления установкой, обеспечивающую заданные скорость напыления, толщину пленок, температуру поверхности образца и др.,

- транспортирующие устройства, обеспечивающие ввод и вывод деталей в рабочую камеру, точное размещение их на постах напыления и перевод из одной позиции напыления на другую при создании многослойной системы пленок,

- систему вспомогательных устройств [12, 13, 14].

Напыление золота на поверхность полимерных материалов осуществлялось пучком ускоренных ионов золота в среде Ar. Перед напылением образец для очистки подвергался ионному травлению в течение 10 сек. Давление в камере понижалось до 10^-2 Па. Основные функциональные и управляющие элементы установки поясняются на рис. 8.

Рис. 8. Основные функциональные и управляющие элементы напылительной установки SPI Module Sputter/Carbon Coater.

3.4. Экспериментальная установка для определения угла смачивания поверхности различными буферными растворами

Измерения угла смачивания на разных материалах проводились на специально собранной установке на основе микроскопа Prima Expert, изображение которой приведено на рис. 9.

Рис. 9. Схема измерительной установки: 1 – объектив микроскопа Prima Expert, 2 – USB-кабель, 3 – диодная подсветка, 4 – предметный столик с возможностью изменения высоты и угла наклона.

Измерения осуществлялись следующим образом. На предметный столик помещался образец. Капли выбранной жидкости наносились на поверхность исследуемого образца с помощью пипетки-дозатора. Объем капли составлял 20 микролитров. Проводилось фотографирование капли, а затем – обработка полученного изображения программой DropSnake v2.0.