5 Метод іонного та реактивного розпилення

Якщо бомбардувати поверхню твердого тіла або рідини окремими атомами, молекулами чи іонами, то на поверхні може відбуватися багато явищ. Яке із них відіграватиме основну роль, значною мірою залежить від енергії частинок.

При відносно малій енергії (5 еВ) атом потрапляє на поверхню або відбивається від неї.

Якщо кінетична енергія частинок, які бомбардують поверхню, більша за енергію зв'язку атомів, то поверхневі атоми починають мігрувати, внаслідок чого виникають поверхневі дефекти. При кінетичній енергії, більшій за величину 4Q (Q - теплота сублімації матеріалу мішені), виникає фізичне іонне розпилення.

Хоча для бомбардування використовують не нейтральні атоми, а іони (їх можна розганяти до будь-яких кінетичних енергій), ефект розпилення мішені буде однаковим як для іонів, так і для нейтральних атомів. Це пов'язано з тим, що іон нейтралізується ще при підльоті до мішені на атомні відстані (якщо мішень металева).

5.1 Іонне розпилення

Осадження металу в результаті іонного (катодного^) розпилення в тліючому розряді вперше спостерігав У.Гроув (1852 р.). В основі методу іонного розпилення до 1923 року лежав простий тліючий розряд у газі H₂, He, Ar, Kr, N₂ та інший при тиску 3 - 10 Па. Хоча метод тліючого розряду використовується ще й досі для одержання тонких плівок, він має такі суттєві недоліки:

• довжина вільного пробігу іонів та розпилених атомів настільки мала, що іони, які досягають мішені, мають великий розкид за енергіями та невизначений кут падіння;

• частина розпиленого матеріалу розcіюється і потрапляє знову на мішень;

Таблиця 1.2 - Параметри плазмових випарників

Вид випаровування	Типи випарників	D, см	j, mA/см2	, %	, мкм/с
Однорідне	З порожнистим катодом	6-10	0,1-30	1-50	10-3+10-1
	з випаровуванням анода: діодний тріодний зі схрещеними полями
		4-10	0,05-0,2	1-В	10-4+10-3
		10	0,5-2	10-30	10-4+10-3
		6	0,5-5	30-70	10-4+10-3
	електронно-променеві: з термокатодом з порожнистим катодом
		10	0,1-1	1-30	10-3+10-1
		10	0,3-3	10-40	10-3+10-1
Неоднорідне	вакуумно-дуговий	10	0,5-10	40-90	10-2-10-1

• не можна змінювати незалежно енергію іонів, густину іонного струму та тиск газу;

• не можна проводити розпилення при низьких енергіях іонів, оскільки самостійний тліючий розряд не може існувати при напругах, менших за певне характерне значення.

Названі недоліки стали особливо помітними після створення ртутних випрямлячів і тираронів, що працюють при тисках, менших за тиск тліючого розряду.

Певний прогрес у застосуванні іонного розпилення пов'язаний із триелектродною схемою, в якій плазма утворюється у вигляді позитивного стовпа розряду між анодом і катодом. Іонне розпилення відбувається при введенні у плазму негативного електрода-мішені. Перевагою цієї схеми є те, що навіть за відсутності магнітного поля плазма може бути створена при більш низьких тисках газу (~10^-1 Па) порівняно з двоелектродною системою, для якої необхідний тиск газу більший, ніж 3 Па. Розряд у триелектродній системі створюють і підтримують електрони, які випромінюються із термокатода (за аналогією із холодним катодом двоелектронної системи). Як наслідок цього, енергію іонів можна вибирати низькою і незалежною від струму розряду та тиску газів.

Великий прогрес у застосуванні іонного розпорошення пов’язаний з магнетронними пристроями, що мають плоску циліндричну чи прямокутну конструкцію (рис.1.12) і складаються з розпорошувального катода (2) та анода. Під катодом розташований Ш-подібний у перерізі магніт (1), силові лінії магнітного поля (3) якого зумовлюють траєкторії електрона (4).

Катод вміщений у магнітне поле зі складовою вектора магнітного поля, паралельною поверхні катода. Це дає можливість у таких пристроях запалювати електричний розряд низького тиску (менше 10^-1 Па) в атмосфері інертного газу, найчастіше аргону. Зветься такий розряд магнетронним за аналогією з магнетронними генераторами НВЧ. Оскільки на практиці частіше використовуються плоскі магнетрони, то розглянемо принцип дії саме такого типу пристроїв (рис.1.12). Анодом у них є стінки вакуумної камери чи прямокутна рамка, розміщена над катодом по периферії так, щоб не перекривати потік розпорошених атомів з катода на підкладку, розташовану за анодом (на рис.1.12 не показано).

Рисунок 1.12 - Прямокутний плоский магнетрон

Катод (2) охолоджується водою чи спеціальним мастилом, оскільки саме на катоді виділяється основна потужність електричного розряду, що нагадує тліючий, але при низьких тисках газу, що можливо тільки за наявності магнітного поля. Найбільш інтенсивно горить розряд там, де магнітне поле найбільш заважає електронам з катода переміщуватися до анода, тобто там, де магнітне поле паралельне поверхні катода.

Електрони іонізації зароджуються на катоді внаслідок іонно-електронної емісії та з’являються в об’ємі під час іонізації атома чи молекули електронним ударом. Прискорення електронів електричним полем проходить в основному на ділянці темного катодного простору шириною , що визначається за формулою

,

де - падіння напруги на ділянці темного катодного простору, вираженого у вольтах, - індукція магнітного поля на тій самій ділянці, виражена в теслах ( визначається у міліметрах). Електрони, що вийшли з ділянки темного катодного простору, стикаються з атомами аргону й іонізують їх. Після втрати своєї початкової енергії на акти іонізації електрони переходять на більш віддалену від катода траєкторію, прискорюються більш слабким електричним полем і через подальші зіткнення (дифузію) потрапляють на анод. Щоб зрозуміти траєкторію руху електронів (у схрещених повздовжньому магнітному і радіальному електричному полях), врахуємо, що в однорідному магнітному полі в перпендикулярній до поля площині електрон обертається по колу з циклотронною частотою

,

де m - маса електрона.

Крім того, він дрейфує в напрямку, перпендикулярному до електричного і магнітного полів, з швидкістю

.

Якщо не враховувати початкову швидкість електрона, то в однорідних схрещених полях траєкторія руху електрона описується циклоїдою, висота якої дорівнює двом ларморівським радіусам

.

Неоднорідність електричного і магнітного полів спотворює описаний вище рух електрона, з’являються градієнтні й відцентрові рухи електрона, що спотворює циклоїду. Можна сказати, що рух електрона в плоскому магнетроні між зіткненнями з атомами нагадує рух бігуна по біговій доріжці стадіону з підстрибуваннями (рис.1.12), тобто електрони потрапили у пастку, що відображено крапками на рисунку 1.12, де й відбувається найбільш інтенсивне горіння розряду в схрещених електричних і магнітних полях. Іони, що утворюються при зіткненні електронів з атомами, бомбардують і розпорошують катод. Матеріал катода осідає на підкладці, розміщеній над катодом (анод – по боках, але не на перетині з силовими лініями магнітного поля). Магнетрони можуть бути витягнутими в одному напрямку, як на рисунку 1.12, аксіально-симетричними з різними конфігураціями доріжок магнітного поля. При розпиленні діелектриків використовуються високочастотні магнетрони. При розпиленні магнітних матеріалів ускладнюється конструкція магнітної системи магнетрона, але основа конструкції залишається, тобто це досить універсальний технологічний пристрій. Експериментально розроблені методи іонного розпилення, коли електроди мають різну площу, використовуються як охолоджувальні мішені та ін.

Завершуючи розгляд питання, назвемо деякі переваги іонного розпилення порівняно з методом термічного випаровування:

- швидкості конденсації для різних металів, сплавів та діелектриків відрізняються мало, що робить метод іонного розпилення дуже ефективним при одержанні багатошарових плівок та покриттів;

- методом іонного розпилення можна одержувати плівки складних матеріалів (нержавіюча сталь, пермалой, скло, пірекс та ін.) без помітної зміни їх складу;

- відносно простий метод контролю товщини плівки чи покриття за швидкістю конденсації;

- можливість іонного розпилення з великої площі, що спрощує проблему одержання однорідних за товщиною плівок;

- не виникає проблеми в розміщенні електродів та підкладки;

- значно спрощується проблема очищення підкладки;

- дозволяє одержувати зразки з наперед заданими фізичними властивостями, без пор;

- плівки мають відносно високу адгезію.

Основними недоліками методу іонного розпилення є відносно низькі швидкості конденсації (0,08 - 5 нм/c) та обов'язкове забруднення плівок атомами газів. Рисунок 1.13 ілюструє ефект забруднення атомами аргону плівок нікелю.