При нанесении покрытий распылением материал бомбардируется ускоренным потоком положительно заряженных ионов (рисунок 5.8), чаще всего для этих целей используют тлеющий разряд при невысоком разрежении в камере (1–1 10-1 Па).
На материал покрытия подаётся отрицательный потенциал источника питания, поэтому в публикациях часто встречается другое название процесса – нанесение покрытий катодным распылением. Для образования положительных ионов в разряде используют аргон или другие газы, которые подают в камеру через специальный натекатель. Если в камеру поступают активные газы (азот, оксид углерода и др.), то происходит процесс реакционного нанесения покрытий. При распылении диэлектриков их располагают на токопроводящем электроде.
Рисунок 5.8 – Схемы напыления покрытий катодным распылением: диодная (а); триодная (б); магнетронная (в); диодная с высокочастотным разрядом (г), где 1 – распыляемый материал (катода); 2 – тлеющий разряд; 3 – натекатель; 4 – напыляемое изделие; 5 – покрытие; 6 – анод; 7 – горячий катод; 8 – магнитная катушка; 9 – постоянные магниты
|
|
Распыление катода происходит в основном выбиванием частиц (атомов, молекул) в результате прямой передачи импульса положительного иона поверхности распыления; в зоне удара выделяющаяся энергия создает условия, сходные с взрывным испарением распыляемого материала.
В момент соударения с распыляемым материалом ион передает часть энергии кристаллической решетке. Атом кристаллической решетки покидает равновесное состояние и переходит в междоузлие.
Может образоваться каскад смещенных атомов. Распыление происходит, если энергия иона превышает некоторое пороговое значение, которое для большинства материалов находится в интервале (1–160) 10-19 Дж. По мере увеличения энергии ионов распыление усиливается, наблюдается выход атомов из распыляемого материала с глубины до 8 нм (около 20 атомных слоев). Продуктами распыления являются нейтральные атомы (молекулы). Доля заряженных частиц (положительных и отрицательных ионов) составляет около 1 %.
Эффективность ионного распыления – коэффициент распыления S характеризуется числом распыленных атомов Na, приходящимся на один бомбардируемый ион Nи:
S=Na / Nи. | (5.3) |
Величину S можно выразить через потерю массы распыляемого материала (∆ m), ионный ток (j) и время (t):
, | (5.4) |
где K – коэффициент, зависящий от выбора единиц; А – масса распыленных атомов.
На практике часто рассчитывают скорость распыления материала (vp, г/(А ч)) по формуле:
vp=3,7×10-2×АS, или vp=6,15×1012×S j. | (5.5) |
Как следует из приведенных зависимостей, одним из наиболее значимых показателей эффективности процесса следует считать коэффициент распыления. В основном этот показатель определяется энергией бомбардирующих ионов, значение которой Ei должно быть выше порогового Ei п для каждого распыляемого материала бомбардирующих ионов.
|
|
На практике получили распространение различные схемы катодного распыления, отличающиеся условиями образования плазмы тлеющего разряда: диодная, триодная и магнетронная (см. рисунок 5.8).