Principio y características de la preparación de películas finas por el método de sputtering

En una descarga luminosa de corriente continua de baja tensión, el proceso se divide en cinco zonas: la zona catódica, la zona luminosa negativa, la zona oscura de Faraday, la zona de columna positiva y la zona anódica. Una de estas zonas, la descarga luminosa anómala, es la que se utiliza realmente para pulverizar la película depositada. En el sputtering, el sustrato actúa como ánodo, normalmente situado en la zona de resplandor negativo, y el blanco actúa como cátodo. Dado que la energía y la velocidad de los electrones son mucho mayores que las de los iones, durante la descarga luminiscente se forma una capa de plasma y, debido a la presencia del potencial de vaina, una gran parte de la tensión aplicada en el electrodo es absorbida por el potencial de vaina del cátodo. El establecimiento del potencial de vaina del plasma hace que los iones que llegan al cátodo se aceleren en consecuencia y ganen energía. Por lo tanto, los iones tienen alta energía cuando alcanzan la superficie del cátodo a través de la región de plasma de la descarga incandescente, y producen un efecto de bombardeo sobre la superficie del cátodo, de modo que las moléculas y átomos del material del cátodo son pulverizados y se produce el fenómeno de pulverización catódica. Estas moléculas y átomos tienen una cierta cantidad de energía cinética y se disparan en una dirección determinada hacia la superficie de la pieza para formar una película fina.

El sputtering es un proceso complejo, y va acompañado de diversos fenómenos de bombardeo iónico. La condición básica para la deposición de películas finas es que la mayoría de las partículas expulsadas de la superficie sólida bajo la colisión a alta velocidad de las partículas incidentes sean átomos o moléculas neutros. Además, los electrones secundarios irradiados son las partículas elementales que sostienen la descarga luminiscente en el sputtering, y su energía es igual al potencial del blanco.

El dispositivo de sputtering por diodos consta de dos electrodos, el cátodo y el ánodo, por lo que también se denomina sputtering catódico o sputtering de corriente continua (CC).

Debido a la existencia de la tasa de disociación del gas de sputtering dipolar es baja (en 0,3 % ~ 0,5%), la tasa de deposición es lenta, la tasa de utilización del material objetivo es baja, los electrones hacen que la temperatura del sustrato aumente y otras deficiencias, por lo que la tecnología de sputtering no fue ampliamente utilizada al principio, con el fin de compensar estas deficiencias, en la década de 1970 se propuso la tecnología de sputtering de magnetrón. La tecnología de pulverización catódica por magnetrón atenúa el daño a la película causado por el calor de los electrones secundarios que golpean el sustrato y mejora la velocidad de pulverización catódica dipolar. Por lo tanto, la tecnología de pulverización catódica por magnetrón ha experimentado un rápido desarrollo y una amplia aplicación tan pronto como se introdujo, y ahora se ha convertido en una de las principales tecnologías para el recubrimiento superficial de materiales.

El imán se coloca en la parte posterior del blanco, de modo que la superficie de la línea de fuerza magnética que penetra fuera del blanco forma una estructura perpendicular al campo eléctrico y finalmente vuelve a la superficie del blanco. El efecto vinculante del campo magnético sobre los electrones secundarios en la superficie del blanco aumenta significativamente la concentración de plasma cerca de la superficie del blanco, resolviendo así eficazmente el problema de la baja tasa de deposición del sputtering dipolar ordinario. Los electrones en los campos eléctricos y magnéticos, la trayectoria se dobla, en el proceso de volar a los electrones del sustrato y la colisión de átomos de gas, de modo que las moléculas de gas ionizado cationes y electrones, electrones al ánodo, y los cationes se acelerará bajo la acción del campo eléctrico a la meta, y el bombardeo de alta energía de la superficie de la meta, de modo que el objetivo de pulverización catódica, pulverización catódica de los átomos de destino neutro (o moléculas) en la deposición de sustrato de la formación de la película.