2. Методы получения тонких пленок

Многообразие методов получения тонких плёнок объясняется многообразием ис­пользуемых материалов для напыления, а также принятыми традициями и методами фирм-изготовителей.

1. Термическое вакуумное напыление

Суть метода состоит в нагреве вещества в вакууме до температуры, при которой кинетическая энергия атомов и молекул испаряемого вещества становится достаточной для отрыва от поверхности и распространения в окружающем пространстве.

Термическое напыле­ние протекает в три этапа:

1. Испарение вещества с целью получения паро-атомарного потока;

2. Перенос пара в вакууме;

3. Конденсация пара на подложке с образованием плёночной структуры;

Н агревать испаряемые вещества можно прямым и косвенным путём. Прямой путь представляет собой резистивный нагрев материала, в этом случае испаряется спираль, по которой протекает ток.

Косвенный путь подразумевает использование какого-либо побочного нагревателя, с температурой плавления, превышающей температуру испарения испаряемого вещества. Наиболее часто применяются проволочные, ленточ­ные и тигельные испарители. Последние изготавливают из кварца (1400° С), окиси алю­миния (1600° С), окиси тория (2200° С) и вакуумного графита (до 3000° С).

В резуль­тате нагрева испаряемое вещество переходит из твёрдого в жидкое состояние, однако не­которые металлы, такие как хром и вольфрам, могут испаряться из твёрдой фазы. При дальнейшем повышении температуры, когда энергия, сообщаемая молекулам, станет достаточной для отрыва их от поверхности вещества, начнётся испарение. Температура, при которой давление пара над поверхностью вещества составляет 1,33 Па, называется условной температурой испарения вещества.

Скорость испарения определяется по фор­муле:

, где

Тисп - температура испарения вещества;

р - давление на­сыщенного пара;

М- молярный вес испаряемого вещества.

Материал	Тисп	Vисп
Алюминий	966	0,85
Вольфрам	3309	1,45
Медь	1270	1,18
Титан	1550	0,95
Хром	1205	1,1

2. Катодное распыление

Одним из методов катодного распыления является реактивное распыление. Оно основано на введении в колпаковое пространство реактивного газа, который взаимодействует с конденсированными атомами на подложке. В результате этого образуются химические соединения (двуокись металла).

Катодное распыление по двухэлектродной схеме (диодное распыление)

М етод основан на разрушении катода при бомбардировке его ионизированными атомами разряженного газа. Атомы катода конденсируются на подложке.

Сначала из камеры откачивается воздух до давления 10^-5  10^-6 Па, затем закачива­ется аргон, в результате чего давление повышается до 10^-1  10^-2 Па. При подаче на катод отрицательного напряжения, в пространстве между анодом и катодом возникает атомар­ный тлеющий разряд, сопровождающийся образо­ванием квазинейтральной электронно-ионной плаз­мы. Тлеющий разряд сопровождается электронной эмиссией из катода. Электроны в области разряда ускоряются, приобретая кинетическую энергию, достаточную для ионизации газа. В прикатодной области ускоряются положительно заряженные ио­ны газа. Происходит бомбардировка катода, в ре­зультате которой, нейтральные атомы катода выле­тают с его поверхности. Диффундируя, эти частицы достигают подложки.

Преимущества метода

• Более равномерно распределяется толщина плёнки;

• Постоянный химический состав распыляемого материала;

• Возможность распыления тугоплавких металлов;

• Плёнки обладают улучшенными адгезионными свойствами (из-за большей энергии частиц распыляемого вещества и возможности создания оксидного слоя);

• Процесс не связан с высокой температурой.

Недостатки метода

• Низкая скорость роста плёнки из-за низкого вакуума;

• Наличие в плёнке молекул остаточного газа;

• Сложность контроля процесса напыления;

• Подложка должна обладать высокой теплопроводностью.

Ионно-плазменное (триодное) распыление в отличие от диодного распыления достигается не бомбардировкой катода, а специальной мишени. Сначала в камере создают предельно возможный вакуум, включают подогрев подложки и ток накала катода. После этого в подколпаковую область напускают аргон до давления 10¹ - 10² Па. Затем на анод подают напряжение в несколько сотен вольт, в результате чего между анодом и катодом возникает разряд (ток разряда 2-ЗА). После включения соленоида электро­ны начинают двигаться от катода к аноду по спира­ли. Когда на мишень подадут отрицательный по­тенциал порядка 2 - 3 кВ, положительные ионы аргона с энергией, достаточной для распыления, начнут бомбардировку мишени. Про­цесс позволяет производить очистку мишени и подложки.

Преимущества метода:

• Возможность распыление металлов и сплавов без изменения их состава;

• Возможность напыления сплавных пленок из различных материалов мишени;

• Большая скорость напыления (по сравнению с диодным);

• Безинерционность процесса напыления;

• Высокая адгезия пленки (примерно в 20 раз выше, чем при терми­ческом напылении);

• Возможность напыления непроводящих материалов (ферритов и диэлектриков);

Высокочастотное ионно-плазменное распыление: на металлическую пластину за мишенью подаётся высокочастотное напряжение с частотой 15 МГц 1-10 кВ. Накопленный положительный заряд на мишени компенсиру­ется бомбардировкой электронов.

Магнетронное распыление – дальнейшее совершенствование ионно-плазменного напыления: распыление материала за счет бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа аргона, образующимися в плазме аномального тлеющего разряда при наложении неоднородных скрещенных элементов и магнитных полей (за счет локализации плазмы у поверхности мишени повышается плотность ионного тока, то есть повышается эффективность распыления).

В промышленности применяется магнетронные системы диодного типа с коаксиальной конструкцией электродов.

Сравнительная характеристика некоторых методов катодного распыления

Характеристики системы	Тип системы
	Диодная		Триодная	Магне тронная
	С плоской мишенью	С цилиндриче­ской мишенью
Давление, Па	10	0,5	0,05	0,3
Напряжение на ми­шени, кВ	4	1-3	0,5-1	0,4-0,7
Скорость осаждения меди, мм/с	0,5	0,8	2	30
Степень использова­ния мишени, %	60-80	60-80	30	60-80
Эффективность распыления, см/Дж	7	25	20	35

Наиболее эффективен магнетронный тип распыления.