Магнетронное распыление

Магнетронное распыление — технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещенных полях. Технологические устройства, предназначенные для реализации этой технологии, называются магнетронными распылительными системами или, сокращённо, магнетронами.

Физические основы

С точки зрения механизма эмиссии электронов, магнетронный разряд постоянного тока представляет собой аномальный тлеющий разряд. Электроны покидают поверхность катода за счёт ионно-электронной эмиссии под действием ионной бомбардировки. В связи с тем, что коэффициент ионно-электронной эмиссии весьма мал, ионный ток на катод превышает электронный как минимум на порядок. Баланс заряженных частиц в плазме обеспечивается ионизацией нейтральных атомов газа электронами, ускоренными электрическим полем в тёмном катодном пространстве.

Принцип работы магнетрона

В отличие от тлеющего разряда, где электрон, будет свободно ускоряться электрическим полем, не испытывающий столкновений, пока не покинет область катодного падения потенциала (тёмное катодное пространство), наличие поперечного магнитного поля заставляет электрон искривлять свою траекторию под действием силы Лоренца. Электрон вернётся на катод при достаточной величине магнитного поля с почти нулевой энергией и под действием электрического поля вновь начнёт ускоренное движение. Траекторией его движения будет циклоида, электрон дрейфует вдоль поверхности катода в направлении, перпендикулярном как электрическому, так и магнитному полю. Электрон находится в «ловушке», покинуть которую он может, только совершив столкновение с другой частицей. Тогда он перейдёт на новую траекторию, расположенную чуть дальше от катода и так до тех пор, пока не ослабнут поля, магнитное - за счёт удаления от полюсов магнитной системы, электрическое - за счёт плазменной экранировки. За счёт наличия ловушки несоизмеримо увеличивается эффективность ионизации эмитированными электронами, что дозволяет, обретать высокую плотность ионного тока, в отличие от обычного диодного разряда, а значит, и высокие скорости распыления при относительно низких давлениях порядка 0, 1 Па и ниже. Нужно элиминировать утечку электронов, на анод вдоль силовых линий магнитного поля, для того, чтобы ловушка работала эффективно, а траектории дрейфа должны быть замкнуты.

Основы технологии

Бомбардирующие поверхность катода (мишени) ионы распыляют её, в этом состоит технологическое значение магнетронного распыления. На этом эффекте устроены технологии магнетронного травления, а благодаря тому, что распылённое вещество мишени, осаждаясь на подложку, может образовывать плотную плёнку наиболее широкое применение получило магнетронное напыление.

Распыление мишени

При столкновении ионов с поверхностью мишени формируется передача момента импульса материалу. Падающий ион активизирует каскад столкновений в материале. После множественных столкновений импульс достигает атома, находящегося на поверхности образца, и который отлипает от мишени и высаживается на поверхности подложки. Среднее число выбитых атомов на один падающий ион аргона называют эффективностью процесса, которая находится в зависимости от угла падения, энергии и массы иона, массы испаряемого материала и энергии связи атома в материале. В случае испарения кристаллического материала эффективность также зависит от расположения кристаллической решетки.

Рисунок 7 - Процесс распыления мишени

Рисунок 8 - Физические процессы, происходящие в материале при его бомбардировке

Покидающие поверхность мишени частицы осаждаются в виде плёнки на подложке, а также частично рассеиваются на молекулах остаточных газов или осаждаются на стенках рабочей вакуумной камеры.

Преимущества и недостатки этого метода перечислены ниже.

Преимущества:

− плотная микро- (нано-) кристаллическая структура металлических и керамических покрытий при полном отсутствии капельной фазы;

− возможность нанесения покрытий на термочувствительные материалы при низких температурах;

− широкий спектр покрытий различного назначения;

− высокая скорость осаждения;

− высокие свойства металлических и керамических покрытий.

Недостатки:

− относительная сложность технической реализации метода при получении реактивных (керамических) покрытий;

− относительно высокая стоимость оборудования.