Магнетронное распыление

Существует группа методов, в которых поток частиц осаждаемого материала образуется при бомбардировке материала заряженными частицами без перевода его в состояние расплава. Бомбардируемый материал называется мишенью. Один из наиболее распространённых – магнетронное распыление.

Принцип действия магнетронных распылительных систем (МРС)основан на зажигании в вакууме аномального тлеющего разряда при давлении рабочего газа 0,05÷10 Па. Обычно в качестве рабочего газа используется аргон (инертные газы).

На распыляемый материал подаётся отрицательный потенциал, он выполняет роль катода. U=0,1÷5 кВ.

Ионы плазмы при отталкивании электронов мишенью проникают в неё на определённую глубину, передают свою энергию частицам материала мишени. В случае кристаллического материала происходит смещение атомов из положения равновесия. Происходит распыление мишени за счёт выбивания атомов, молекул, кластеров.

Выход атомов и молекул происходит с глубины до 10 нм (≈10 атомных слоёв). Доля положительных или отрицательных заряженных ионов не превышает 1%.

Для начала процесса энергия ионов должна превышать некоторое пороговое значение, которое зависит от энергии связи между атомами в материале от типа бомбардирующих ионов.

Для большинства материалов пороговое значение находится в интервале 1÷100 эВ. Интенсивность распыления увеличивается при увеличении энергии ионов.

Коэффициент распыленияхарактеризуется числом атомов, выбитых с поверхности мишени одним ионом:

Δm- изменение массы материала (потеря);

j- ионный ток;

τ - время;

K - коэффициент, зависящий от выбора единицы измерения;

A- массовое число атомов;

S_i- 0,5÷20

Скорость распыления, [мкг/мкА]

Скорость распыления зависит от энергии бомбардировки ионов.

При достижении пороговой энергии (E_п=100кэВ) происходит скачокS_i→ рост → затухание. Процесс затухания связан с тем, что большую часть своей энергии ионы рассеивают внутри материала.

Чем легче бомбардирующие ионы, тем меньшую энергию им требуется сообщить при проникновении в мишень.

Наибольший S_iимеют материалы, заполненныеd-оболочками, такие какAg,Au,Cu. НаибольшийS_iдостигается ионами при использовании заполненныхp-оболочек (инертные газы).

S_iсильно зависит от ориентиров монокристаллов и текстурированности материала. КоэффициентS_iувеличивается при уменьшении угла падения ионов.

Температура мишени не оказывает влияния на распыление, т.к. чтобы активировать ионы им не нужен дополнительный нагрев.

При увеличении давления S_iуменьшается, т.к. меньшая доля ионов попадает на мишень, т.к. увеличивается число столкновений и рассеивающихся ионов на атомы газа. Также происходит обратная диффузия выбитых атомов с поверхности мишени с повышением давления.

Пример: если испарять Cuпри Т=1500К, то Е_атом=0,3эВ. В то же время если производить распылениеCuионами криптона с Е=1кэВ, то энергия атомов будет составлять 9эВ. Обычная энергия частиц: 1-10эВ (выше, чем в случае термического испарения).

Процесс имеет достоинства:

• Возможность нанесения многокомпонентных веществ без изменения хим.состава, причём необязательно, чтобы компоненты имели одинаковые коэффициенты распыления (S_i). При этом не нарушается соотношение элементов покрытия. При большой разнице вS_iв первые минуты распыления ударяются атомы с большим коэффициентом распыления и на поверхности образуется изменённый слой обеднёнными этими элементами. Вследствие обеднения скорость распыления вещества замедляется, процесс стабилизируется, состав и толщина сохраняются. Он выполняет роль автоматического регулятора скорости распыления различных компонентов сплавов и соединений.

• Отсутствие капельной фазы в потоке напыляемого материала. Ухудшаются свойства покрытия при неконтролируемом выбросе потока капель частиц (фазы).

1. – мишень (К)

2. – магнитная система

3. – источник питания

4. – анод

5. – траектория движения электрона

6. – зона распыления

7 – силовая линия МП.

МРС получили своё название от сверхвысокочастотных приборов n-типа, магнетронных устройств. Хотя кроме скрещенных электрического и магнитного полей ничего общего с ним не имеют.

Высокая скорость распределения, характерная для МРС достигается увеличением плотности ионного тока за счёт локализации плазмы и распыляемой поверхности с помощью сильного поперечного магнитного поля.

Силовые линии магнитного поля замыкаются между полюсами магнитной системы. Поверхность мишени, расположенной между местами входа и выхода силовых линий магнитного поля интенсивно распределяются и имеют вид замкнутой дорожки.

Геометрия этой зоны распыления определяется формой полюсов магнитной системы. Имитированные с катода под магнитным полем, им сообщается сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям у поверхности мишени. Внутри зоны м/у мишенью и магнитными линиями происходит несколько ионизирующих столкновений ē с атомами газов (движение → ионизация атмосферы рабочего газа). Таким образом, большая часть энергии электрона, прежде чем он попадает на анод, используется на ионизацию возбуждения, что значительно увеличивает ионизацию газа.

Степень ионизации в МРСприближается к 100%. Эффективность ионизации увеличивается, что приводит к возрастанию концентрации ионов у поверхности мишени → это увеличивает интенсивность ионной бомбардировки мишени → повышается скорость распыления → повышается скорость осаждения

Спецификой МРСявляется отсутствие бомбардировки подложки высокоэнергетическими вторичными электронами. Вторичные электроны захватываются магнитной ловушкой.