1.1. Ионно-плазменные системы для нанесения тонких пленок
Общая характеристика процессов вакуумной плазменной технологии может быть получена на основе анализа физических эффектов, протекающих при взаимодействии заряженных частиц плазменного потока с обрабатываемой поверхностью. В качестве основного параметра, определяющего особенности этого взаимодействия, является энергия ионов Wi. В [10] приведена диаграмма зависимости концентрации заряженных частиц в плазме от их энергии для существующих способов нанесения покрытий, а в [19] рассмотрена диаграмма ориентировочных границ областей взаимодействия плазменных потоков с поверхностями, соответствующих тем или иным превалирующим физическим эффектам, определяющим возможность протекания различных технологических процессов. Диаграммы построены для бесстолкновительных ионных потоков твердых конденсирующихся веществ.
В области с энергиями не более 1 эВ преобладают процессы, имеющие в своей основе тепловую природу и широко используемые в химии, металлургии, а так же в установках низкотемпературной плазмы.
Характерные процессы вакуумной плазменной технологии начинаются с энергии более 1 эВ. В этом случае превалирующим эффектом является конденсация на поверхности подложки частиц из плазменного потока. Термовакуумное испарение, а так же электронно-лучевое и лазерное испарения, занимают на энергетических диаграммах лишь узкую полосу, которой соответствуют скорости роста наносимого покрытия от 10 до 100 нм/с.
Другой класс технологических установок основан уже на эффекте ионного распыления наносимого материала. Ионно-плазменное распыление занимает область с энергиями частиц до 50 эВ. Скорость осаждения в этом случае может достигать 300 нм/с. Источником ионов в этом случае является либо самостоятельный тлеющий разряд, либо плазма несамостоятельного дугового или высокочастотного разряда.
|
|
|
|
Рис. 1.3. Ионно-плазменные системы для нанесения тонких пленок. |
|
М – мишень; П – подложка; А – анод; ТК - термоэмиссионный катод а). - диодная высокочастотная система: ji=50 А/м2, Uраб=1…4 кВ (амплитудно), Ei=0.7…1.5 кЭв; б). – система на постоянном токе: ji=10 А/м2, Uраб=3…5 кВ, Ei=2…3.5 кЭв,; в). – триодная система: ji=50 А/м2, Uраб=1…2 кВ, Ei=1…2 кЭв: г). – магнетронная система: ji=2·102 А/м2, Uраб=0.4…0.8 кВ, Ei=0.3…0.5 кЭв. |
|
В настоящее время применяются различные процессы распыления, отличающиеся [20]:
- характером питающего напряжения, которое может быть постоянным, переменным или высокочастотным;
- числом используемых электродов;
- способом возбуждения и поддержания разряда (автоэлектронная эмиссия, термоэлектронная эмиссия, магнитное поле, электрическое высокочастотное поле и т. д.).
Подобное разнообразие, протекающих физических процессов и модификаций используемых устройств, обусловлено, стремлением улучшить основные технологические показатели – скорость осаждения покрытия; его чистоту и однородность формируемого покрытия по толщине; а также необходимостью расширения типа используемых материалов.
На рисунке 1.3 схематически представлены ионно-плазменные системы, предназначенные для нанесения тонких пленок: диодная высокочастотная система распыления (рис. 1.3.а), система распыления на постоянном токе (рис. 1.3.б), триодная система распыления (рис. 1.3.в) и магнетронная распылительная система (рис. 1.3.г) [21].
К основным параметрам, определяющим характер протекания технологического процесса, кроме энергии ионов, бомбардирующих мишень Wi, следует также отнести: плотность ионного тока на подложку ji, расстояние между электродами d и давление плазмообразующего газа в рабочем объеме p, обычно в этом случае используется аргон высокой чистоты.