1.6.2 Параметри вакуумно-конденсаційиого нанесення покриття іонним розпиленням

Найбільше впливають на ефективність процесу потужність розряду і його складові – струм та напруга, а також вид робочого газу. Ці параметри режиму розпилення легко регулюються.

Найбільш вагомим та легко керованим параметром є потужність тліючого розряду. Із збільшенням потужності продуктивність напилювання зростає Залежно від способу іонного розпилення потужність може бути від 2,0 кВт до 50 кВт. Густина енергії при цьому (10 - 10⁴) Вт/см². Кількість бомбардуючих іонів пропорційна густині струму. Тому продуктивність процесу в основному визначається величиною струму, а не напруги.

Найбільша ефективність напилення досягається при тріодній або магнетронній схемі напилення. Процес здійснюється на малій напрузі та високій густині струму.

На практиці напилення проводять при струмах у межах від 100 мА до 1500 мА та напрузі розряду від 500 В до 1500 В, при цьому густина струму знаходиться в межах від 0,1 мА/см² до 50 мА/см².

Із збільшенням тиску робочого газу в камері, підвищується концентрація іонів у розряді, а тому і густина струму. Якщо збільшення тиску мале, то залежність близька до лінійної. Збільшенням тиску в камері до визначених меж можна підвищити продуктивність напилення без збільшення потужності джерела живлення. При високому тиску відбувається зворотна дифузія атомів на поверхню розпилення і продуктивність зменшується. Наприклад, при р_К = 13,3 Па тільки 10 % атомів виходить за межі темного катодного простору.

Суттєво впливає тиск робочого газу на стабільність розряду, а також на формування покриття. З підвищенням тиску збільшується стабільність розряду. Але підвищення тиску не сприяє повному переносу частинок на поверхню напилення. Відбувається витрата енергії частинок та їх розсіювання в об'ємі камери. Залежно від способу іонного розпилення процес відбувається при тиску в камері від 10 Па до 10^-2 Па.

Дуже впливає на процес розпилення вид робочого газу. Максимальне розпилення викликають іони елементів, у яких заповнені d-оболонки (Сu, Ti, Ag та ін.), або p-оболонки (Аr, Кr та ін.) В основному в якості робочого газу використовують аргон, як найбільш доступний та економічний. Використовуються і інші інертні тази. Чим важчий газ, тим ефективніший процес розпилення.

Дистанцію напилення вибирають мінімальною. Вона знаходиться в межах від 40 мм до 150 мм. Завдяки цьому коефіцієнт використання маси наближається до 100 %. У міру зменшення відстані іонний струм падає і швидкість розпилення знижується.

На коефіцієнт розпилення впливають фізико-хімічні властивості матеріалу.

Величина коефіцієнта розпилення залежить від атомного номера та структури електронних оболонок. Вона зменшується у міру заповнення d-оболонок атомів. Найбільші зменшення у атомів з повним заповненням d-оболонок (Сu, Аg, Сd, Аu). У таблиці 1.5 наведені коефіцієнти розпилення та середні швидкості магнетронного напилення деяких матеріалів. Для розпилення використовували плоскі мішені діаметром 150 мм. Потужність тліючого розряду становила 4 кВт, дистанція напилення – 60 мм.

Великий вплив на ефективність процесу мають форма і розмір розпилюваного матеріалу. Розміри поверхні розпилення повинні відповідати потоку плазми тліючого розряду. Як правило, розміри поверхні напилення виберають близькими до розмірів напилюваної поверхні. Залежно від способу іонного розпилення площу мішені, яка розпилюється, вибирають у широких межах – від десятків до тисяч квадратних сантиметрів.

В багатьох випадках використовують плоскі мішені діаметром від 50 мм до 200 мм і товщиною від 5 мм до 15 мм.

Від хімічного складу розпилюваного матеріалу вимагають мінімального вмісту газів у нещільностях і твердому розчині та включень у структурі матеріалу. Поверхня повинна бути без забруднень.

Коефіцієнт розпилення матеріалу мало залежить від його температури. Але при іонному бомбардуванні на катоді виділяється біля 75 % потужності розряду. Для того, щоб уникнути небажаного підплавлення поверхні, розпилюваний матеріал інтенсивно охолоджують. Це дозволяє значно підвищити густину струму, і відповідно, швидкість розпилення.

Таблиця 1.5 – Коефіцієнт розпилення S та швидкість росту покриття V_п для деяких матеріалів

Матеріал, що розпилюється	S для іонів аргону з енергією 600 еВ, атом/іон	Швидкість осадження, нмс-1
Si	0,5	6,7
Ті	0,6	7,8
Та	0,6	7,8
W	0,6	7,8
Nb	0,65	8,4
Мо	0,9	11,7
Аl	1,2	12,7
G	1,2	12,8
Сr	1,3	16,6
Рt	1,6	21,0
Сu	2,8	30,0
Рd	2,4	31,2
Аn	2,8	36,7
Ag	3,4	44,2

На показники ефективності процесу суттєво впливають конструктивні особливості устаткування. Прикладом цього може бути введення гарячого катоду та магнітної системи в двоелектродну схему, що значно інтенсифікує процес розпилення, знижує нагрівання аноду і зменшує небезпеку перегрівання напилюваного виробу.

Для того щоб сконцентрувати розпилення матеріалу катоду встановлюють металічні екрани, які розташовують від розпилюваного матеріалу на відстані менше товщини катодного темного простору, і які повинні повторювати всі контури катоду та мати потенціал анода. Хороші результати дає екранування катоду діелектричними плівками. Від конструкції екрана залежить рівномірність розпилення катода. За їх допомогою можна усунути крайовий ефект розпилення, коли краї мішені розпилюються швидше інших ділянок поверхні катоду. Недостатня екранізація призводить до розпилення матеріалів, які використовуються для закріплення катода, збільшується густина повного іонного струму.