1.6. Катодное распыление.

Как и далее описанное магнетронное распыление, катодное распыления является разновидностью ионно-плазменного распыления. В этом методе осаждения тонких пленок материал, который должен напыляться, используется в качестве катода в системе с тлеющим разрядом в инертном газе. Подложка, на которую нужно осадить пленку, располагается на аноде. Вакуумный объем, содержащий анод и катод, откачивают до давления 10^-4 Па, после чего производят напуск инертного газа (обычно это Ar при давлении 1-10 Па). Для зажигания тлеющего разряда между катодом и анодом подается высокое напряжение 1-10 кВ. Положительные ионы газа, источником которых является плазма тлеющего разряда, ускоряются в электрическом поле по направлению к катоду и достигают его с большой энергией, возрастание которой происходит в прикатодной области. В результате ионной бомбардировки материал с катода распыляется главным образом в виде нейтральных атомов, но частично и в виде ионов. Распыленное вещество конденсируется на всей окружающей площади, в том числе на подложках, расположенных на аноде. Скорость процесса напыления определяется удельной мощностью у поверхности мишени, размером зоны эрозии, расстоянием мишень-подложка, материалом мишени и давлением рабочего газа. Необходимо также учитывать тот факт, что для предотвращения растрескивания, сублимации или плавления мишень охлаждается по системе каналов в катоде. Поэтому для поддержания оптимальной температуры получения тонкопленочных покрытий необходимо найти оптимальную скорость подачи охладителя (обычно воды). К достоинствам метода катодного распыления относятся простота и легкость изготовления мишеней, а к недостаткам - низкая скорость напыления, разогрев подложки из-за бомбардирования ее поверхности частицами, маленькие площади напыления. 1.7. Магнетронное распыление.

Магнетронное распыление —нанесение тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме диодного разряда в скрещенных электрическом магнитном полях. Устройства, предназначенные для реализации этой технологии, называют магнетронными распылительными системами или, сокращённо, магнетронами (не путать с мощным электронными лампами - магнетронами, генерирующими СВЧ при взаимодействии потока электронов с магнитным полем.

При ионно-плазменном и катодном распылении бомбардирующие ионы образуются сравнительно далеко от мишени, поэтому вероятность потери ими своей энергии в результате столкновений достаточно велика. При использовании поперечного электрическому магнитного поля эффективность ионизации инертного газа вблизи мишени может быть значительно улучшена. Схема магнетронной распылительной системы, использующей этот принцип, приведена на рисунке 2.4.

Рис.2.4. Схема магнетронной распылительной системы.

Основными элементами магнетронной распылительной системы являются: плоский катод, изготовленный из напыляемого материала, анод, устанавливаемый по периметру катода, магнитная система, обычно на основе постоянных магнитов, и система водоохлождения. Силовые линии магнитного поля, замыкаясь между полюсами, пересекаются с линиями электрического поля. Принцип действия установки основан на торможении и изменяении траектория движения электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Электроны, эмитированные катодом, и образующиеся в результате ионизации, под действием замкнутого магнитного поля локализуются непосредственно над поверхностью распыляемого материала. Они как бы попадают в ловушку, образуемую, с одной стороны, действием магнитного поля, заставляющего двигаться электроны по циклоидальной траектории вблизи поверхности, с другой – отталкиванием их электрическим полем катода в направлении к аноду. Вероятность и количество столкновения электронов с молекулами аргона и ионизация последних резко возрастают. Из-за неоднородности действия электрических и магнитных полей в прикатодной зоне интенсивность ионизации в различных участках различна. Максимальное значение наблюдается в области, где линии индукции магнитного поля перпендикулярны вектору напряженности электрического поля, минимальное – где их направление совпадает. Локализация плазмы в прикатодном пространстве позволяет получить значительно большую плотность ионного тока при меньших рабочих давлениях, и, соответственно, обеспечить высокие скорости распыления. К достоинствам метода магнетронного распыления относятся: высокая скорость напыления, низкий уровень бомбардировки подложки, а к недостаткам: проблемы с выбором материалов мишени, а также сложности с ее производством. В отличие от технологии термического испарения, при магнетронном распылении не происходит фракционирование мишеней сложного состава (сплавов). Поскольку на небольшой участок площади мишени приходится большая мощность, мишени должны изготавливаться без пустот и пор, чтобы избежать локального плавления и разбрызгивания вещества.

Эффект магнетронного распыления может быть использован в технологии травления, однако наибольшее распространение он получил в технологии осаждения тонких покрытий и пленок.