Магнетронное распыление

При помощи технологии магнетронного распыления на подложку наносятся тонкие пленки, для чего используется диодный разряд в скрещенных полях. Приборы, применяемые для реализации данной задачи, называются распылительными системами или магнетронами (не путать с устройствами, посредством которых генерируются СВЧ-колебания).

Магнетронный разряд — это газовый диодный разряд, образуемый в скрещенных полях, то есть в области пространства в разрядном объеме, где магнитное и электрическое поля ортогональны друг другу. Линии магнитных полей направлены поперек линии тока.

История открытия

В 1898 году британским исследователем Филлипсом было описано появление кольцеобразных электрических разрядов, которые возникают вокруг зазора, образующегося в стеклянной колбе между стержневыми электродами. Данная реакция протекает при пониженном давлении осевого магнитного поля. По прошествии нескольких лет, а точнее в 1913 году, проффесор Струтт отнес филлипсовский разряд к категории электрических разрядов в скрещенных полях — радиально электрическом и аксиальном магнитном. Было выдвинуто предположение, что создание радиального электрического поля осуществляется с помощью положительного заряда, накопленного на стенке колбы за время предыдущего разряда и расположенного напротив зазора между отдельными электродами, а ионизация газов объясняется воздействием отрицательных частиц, совершающих удлиненный пробег от оси к стеклянной стенке колбы, то есть поперек магнитного поля. Струтт разместил кольцевой анод вокруг нескольких торцов стержневых электродов, в результате чего возник устойчивый кольцевой разряд.

Неоценимый вклад в изучение магнетронных разрядов  внес голландский физик Ф. М. Пеннинг. Кроме известных сфер применения магнетронных разрядов, а именно в качестве ионных источников, датчиков измерения вакуума или ионных насосов, он предложил применение использовать такие частицы для нанесения покрытий и распыления.

Физические основы

Если рассматривать механизм эмиссии электронов, магнетронные разряды постоянного тока представляют собой аномальные тлеющие разряды. Под воздействием ионной бомбардировки и благодаря ионно-электронной эмиссии, поверхность катода освобождается от электронов. С учетом того, что коэффициент такой эмиссии достаточно невысокий, ионный ток на катод значительно превышает электронный. Поддержание баланса заряженных элементов, находящихся в плазме, достигается за счет ионизации электронами нейтральных атомов газа. Эта реакция протекает в темном катодном пространстве при условии ускорения частиц электрическим полем.

В отличие от тлеющих разрядов, когда не испытывающие столкновения электроны свободно ускоряются электрическим полем до тех пор, пока не покинут темное катодное пространство (область катодного падения потенциалов), в данном случае траектория движения электрона будет искривляться, что обусловлено наличием поперечного магнитного поля и действием силы Лоренца. Если магнитное поле имеет достаточную величину электроны вернутся на катод почти с нулевой энергией и снова начнут ускоренное движение под воздействием электрического поля. Траектория движения представляет собой циклоиду, то есть электрон будет дрейфовать вдоль поверхности катода, перемещаясь в направлении, перпендикулярном как магнитному, так и электрическому полям. Электрон оказывается в «ловушке», которую может только при совершении столкновения с другими частицами. В данном случае его траектория изменится и будет располагаться немного дальше от катода.

Это движение продолжается до тех пор, пока не ослабнет действие полей: магнитного — по причине удаления от симметрично расположенных полюсов магнитной системы, а электрического -  за счет так называемой «плазменной экранировки». Наличие ловушки существенно повышает эффективность ионизации с помощью эмитированных электронов, что дает возможность получать ионный ток высокой плотности и высокую скорость распыления при сравнительно низком уровне давления, составляющем порядка 0,1 Па или ниже. Чтобы такая ловушка работала максимально эффективно, нужно исключить вероятность утечки электронов на анод при их перемещении вдоль силовых линий магнитных полей а траектория дрейфа должна быть замкнута.

Особенности технологии

Технологическое значение технологии магнетронного распыления состоит в том, что ионы, бомбардирующие поверхность мишени (катода), распыляют её. Этот эффект положен в основу методики магнетронного травления, а за счет того, что, осаждаясь на подложку, распыленное вещество мишени способно формировать плотную плёнку, магнетронное распыление получило сегодня широкое применение.
Распыление мишени

Момент импульса передается материалу при столкновении заряженных ионов с поверхностью мишени. Падающие ионы вызывают целый каскад столкновений, после импульс доходит непосредственно до атома, который располагается на поверхности, отрывается от мишени и оказывается на подложке. Среднее количество атомов, выбиваемых одним падающим ионом аргона, принято называть эффективностью процесса, зависящей от энергии и массы иона, угла падения, энергии связи атомов и массы испаряемого материала. Если материал имеет кристаллическую решетку, эффективность также зависит от ее расположения.

Частицы, покидающие поверхность мишени осаждаются на подложке в виде пленки,  при этом некоторые из них рассеиваются на молекулах остаточного газа или осаждаются на стенках вакуумной камеры.

Напыление металлов и сплавов

Напыление металлов и сплавов осуществляется в среде инертных газов, как правило, аргона. Основным отличием магнетронного распыления от методики термического испарения является отсутствие необходимости фракционирования мишеней, имеющих сложный состав (сплавов).

Реактивное напыление

Для напыления нитридов, оксидов и других сложных соединений используется технология реактивного магнетронного напыления. К аргону, являющемуся плазмообразующим газом, добавляется реактивный газ, в качестве которого чаще всего применяются азот или кислород. В плазме магнетронного разряда происходит диссоциация реактивного газа и высвобождение активных свободных радикалов, взаимодействующих с распыленными атомами, которые осаждаются на подложку, и формирующих химическое соединение.