Катодное распыление по двухэлектродной схеме (диодное распыление)

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).

Метод 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.