Небольшое введение
В данной статье мы рассмотрим основные физические принципы магнетронного распыления, внешний вид установки и преимущества применения данного процесса.
Рабочая установка
Думаю, в интернете вы сможете легко найти фотографии различных установок, все они будут выглядет по-разному, однако основные элементы будут одни и те же. Установка, на которой поработала я, выглядела примерно так:
Я не буду сразу подробно описывать, что и как в ней работает, в этом разберемся по ходу.
Физика процесса
Ионизация
Процесс распыления возможен благодаря ионизации рабочего газа. Посмотрим, как она происходит. На картинках вы можете увидеть схематическое изображение процесса.
Мы имеем камеру с двумя разноименно заряженными пластинами (они подключены к напряжению), накачанную разреженным газом. В такой камере всегда будет находиться какое-то количество свободных электронов (первичные электроны). Они заряжены отрицательно и под действием электического поля будут двигаться к пложительно заряженной пластине. Такой электрон разгоняется так сильно, что при столкновении с нейтральным атомом газа он выбивает из него электрон. При этом частица теряет свою нейтральность и становится полржительным ионом. Таким образом получается низкотемпературная плазма.
Процесс распыления
Схематично представить рабочую камеру можно так:
И что же мы имеем? Ну, во-первых, мы видим вакуумную камеру, в которую подается разреженный рабочий газ (обычно аргон). Во-вторых, мы наблюдаем две заряженные пластины - анод (+) и катод (-). Это все похоже на предыдущие картинки, но дальше начинается самое интересное.
На аноде расположена подложка (как правило, пластина кремния), на которую будет наноситься пленка. А на катоде располагается мишень - это тот материал, который будет напыляться на подложку (к примеру, хром).
Когда камеру наполняют газом и подают на пластины напряжение, в ней происходит ионизация газа, рассмотренная нами ранее. Положительные ионы под действием электрического поля будут ускоряться в сторону катода и "врезаться" в материал мишени. При этом ионы отдадут свой импульс атому распыляемого вещества, он "вылетит" в камеру и распылится на подложке. Так и образуется пленка.
Но подождите! Я не упомянула про магниты в установке. На самом деле, без них установка тоже будет работать - такой процесс называется ионным распылением. А магниты - это такая примочка, улучшающаяя технологию.
Под действием скрещенных электрического и магнитного поля траектория принимает форму циклоиды (напоминает ряд арок). Таким образом, электроны попадают в своего рода "ловушку" возле катода и находятся там, пока не столкнутся с несколькими атомами газа. Так, в области катода образуется высокая концентрация положительно заряженных ионов. Благодаря этому повышается скорость распыления.
Как проходит работа с установкой?
Тут все предельно просто. Подложку помещают в загрузочную камеру, закрывают ее и откачивают с нее воздухподключенным насосом. Затем с монитора подают команду переместить пластину в рабочую камеру, подают в нее рабочий газ. Производится установка режима напыления: выставляется напряжение, при котором будет работать установка (с ростом напряжения будет расти скорость напыления). При запуске процесса в окне можно наблюдать свечение плазмы. Далее все делается в обратном порядке: пластина переносится в загрузочную камеру, в нее подается воздух и пластина изымается из установки.
Зачем это вообще нужно?
Тонкие пленки, благодаря своей универсальности, обеспечивающей индивидуальные свойства, нашли применение в ряде отраслей, начиная от простых покрытий для защиты от износа и коррозии и заканчивая более продвинутыми - фотоэлектрическими процессами.
Почему именно этот метод?
Магнетронное распыление - исключительно универсальный метод нанесения тонких пленок. Другие методы осаждения ограничены в материалах, которые они могут использовать в качестве мишени для распыления. Исходным материалом при магнетронном распылении может быть практически все, что угодно, поскольку не нужно расплавлять или испарять материал. Нанесенная распылением пленка будет иметь состав, близкий к исходному, и она будет прилипать к подложке лучше, чем испаренные пленки.
Магнетронное распыление доминирует над другими методами нанесения тонких пленок, поскольку оно позволяет получать большое количество пленок с небольшими затратами. Преимущества магнетронного распыления:
- Высокая скорость осаждения;
- Полное покрытие подложки;
- Высокая чистота пленок;
- Высокоадгезивные пленки;
- Однородность на подложках большой площади;
- Низкая температура.
