33.2 Іонне розпилення

Осадження металу в результаті іонного (катодного*) розпилення в тліючому розряді вперше спостерігав У.Гроув (1852 p.). В основі методу іонного розпилення до І 923 року лежав простий тліючий розряд у газі #2, Не, Аг, Кг, 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:

1довжина вільного пробігу іонів та розпилених атомів настільки мала, що іони, які досягають мішені, мають ве-іикий розкид за енергіями та невизначений кут падіння; - частина розпиленого матеріалу розсіюється і потрапляє чнову на мішень;

2не можна змінювати незалежно енергію іонів, густину іонного струму та тиск газу; і

3не можна проводити розпилення при низьких енергіях і іонів, оскільки самостійний тліючий розряд не може існу-[ кати при напругах, менших за певне характерне значення.

Названі недоліки стали особливо помітними після І створення ртутних випрямлячів і тираронів, що працюють І 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~' Па) порів­няно з двоелектродною системою, для якої необхідний гиск 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 ///-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'' 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 осповному на ділянці, темного катодного простору шириною cl_k, що визначається за формулою

де Uk - падіння напруги на ділянці темного катодного про­стору, вираженого у вольтах, В - індукція магнітного поля на тій самій ділянці, виражена в теслах (dk визначається у

міліметрах). Електрони, що вийшли з ділянки темного ка-I тодного простору, стикаються з атомами аргону й іонізу­ють їх. Після втрати своєї початкової енергії на акти іоні­зації електрони переходять на більш віддалену від катода іраєкторію, прискорюються більш слабким електричним полем і через подальші зіткнення (дифузію) потрапляють па 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, зі 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 цик-' лоїду. 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 багатошаро­ вих плівок та покриттів;

- методом іонного розпилення можна одержувати плівки складних матеріалів (нержавіюча сталь, иермалой, скло, нірекс 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 nop;

- плівки мають відносно високу адгезію.

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