Principio y características de la preparación de películas finas por el método de sputtering
La tecnología de pulverización catódica esDeposición física de vapor (PVD)Una especie de, se puede utilizar para la preparación de aislantes, metales y otras películas delgadas, películas compuestas también se pueden preparar, la teoría puede ser sputtered casi todo lo suficiente para hacer un blanco sólido metales, aleaciones, compuestos poliméricos y materiales cerámicos, etc, la preparación de películas delgadas, rápido, de baja temperatura, pequeños daños a la película; preparación de películas delgadas preparadas por la uniformidad de la capa de película, interna no porosa, de alta densidad, buena adherencia con el sustrato, la película es de alta calidad.Tecnología de pulverización catódica por magnetrónLa tasa de sputtering y el aprovechamiento del blanco propuestos han mejorado mucho y se utilizan ampliamente en la investigación científica y la producción industrial.
descarga de gas incandescente
Proceso de pulverización catódica se establece sobre la base de la descarga de gas resplandor, descarga de resplandor es un tipo de descarga de gas, es una especie de cátodo bombardeo de iones para producir electrones secundarios para mantener una descarga estable auto-sostenida debido a la cámara de pulverización catódica todavía existe en un pequeño número de iones y electrones, por lo que sólo tiene que añadir la tensión negativa, aún no se produce una descarga de resplandor, en este momento la corriente es pequeña, la corriente es casi sin cambios, para participar en el movimiento del número de cargos determinar el. La intensidad de la corriente, esta vez se llama para la descarga oscura. Cuando la tensión está aumentando, la energía de los electrones y los iones cargados en la cámara de pulverización catódica aumenta gradualmente, y cuando los electrones y los iones cargados se aceleran en el campo eléctrico, que constantemente chocan con los electrodos y los átomos de gas electrificado, y el número de partículas cargadas aumenta continuamente, y la corriente aumenta. Posteriormente, con el aumento del número de partículas cargadas, la corriente también aumenta lentamente, la tensión permanece invariable, esta región de descarga se denomina "zona de descarga de Thomson". Por último, el desarrollo de "avalancha", positivo lejos de la superficie del blanco del cátodo continuó bombardeando los electrones secundarios son bombardeados a cabo, la liberación de electrones secundarios y la cámara de pulverización catódica en la colisión de gas, la formación de más iones positivos, iones positivos seguido de bombardeo de la diana producida por los electrones secundarios, y luego con los átomos de gas chocan para formar más iones positivos. En este proceso, cuando el proceso de descarga del sistema alcanza la autosuficiencia, el gas comienza a brillar, la tensión disminuye y, a continuación, la corriente aumenta repentinamente, lo que suele denominarse una región de "zona de descarga normal". Después, se aumenta la potencia y aumenta la densidad de corriente y tensión entre los dos polos, momento en el que la descarga incandescente se estabiliza y esta región se conoce como "región de descarga incandescente anormal", que es la que se utiliza realmente en la tecnología de sputtering. A continuación se produce la "zona de descarga de arco", que es la zona en la que la tensión entre los polos desciende a un nivel muy bajo después de la zona de descarga anómala.
Pulverización catódica con magnetrón de corriente continua
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.
pulverización catódica reactiva
Si la película a preparar es un compuesto, existen dos métodos, (1) el sputtering directo del material objetivo del compuesto, y (2) se puede preparar por sputtering reactivo. Dado que las moléculas del compuesto anterior, después de ser pulverizadas, pueden descomponerse en una atmósfera de plasma debido al impacto de los electrones, y la película final obtenida no tiene la misma composición química que la sustancia material objetivo, la película se prepara a veces por pulverización reactiva. El sputtering reactivo suele utilizarse para sputterizar películas compuestas como óxidos o nitruros (nitruro de tántalo, nitruro de silicio, películas superconductoras, películas conductoras transparentes ITO, etc.). Durante el experimento, se mezcla una cantidad adecuada de gas reactivo (por ejemplo, nitrógeno, oxígeno, etc.) en el gas de pulverización catódica, y el nitrógeno o el oxígeno se transformarán en iones negativos en la cámara de pulverización catódica, que reaccionarán con los átomos o grupos de átomos bombardeados del material objetivo para formar compuestos. La ventaja del sputtering reactivo es que la composición química de la película puede controlarse ajustando los parámetros del proceso en el momento del sputtering, ajustando los componentes de la película para conseguir un control preciso de los componentes de la película. Según la velocidad de deposición del sputtering reactivo se pueden dividir en tres categorías: modo de transición, modo de metal, modo de óxido.
Pulverización catódica por RF
El sputtering por radiofrecuencia (RF), también conocido como sputtering de alta frecuencia, se inventó para el sputtering de materiales aislantes. El sputtering por diodos y el sputtering magnetrónico pueden bombardear metales y semiconductores, pero no aislantes, debido a que los iones que inciden sobre un blanco aislante hacen que el blanco se cargue eléctricamente y, cuando el potencial del blanco aumenta gradualmente, el campo eléctrico acelerado por iones se hace cada vez más pequeño hasta que se detiene el sputtering y se detiene la descarga luminosa, lo que hace que el sputtering no pueda continuar, y ésta es la razón por la que el sputtering por diodos y el sputtering magnetrónico sólo pueden bombardear conductores y semiconductores, pero no películas finas aislantes. Ésta es la razón por la que el sputtering por diodo y el sputtering por magnetrón sólo pueden pulverizar conductores y semiconductores, pero no películas finas de aislantes, lo que condujo al desarrollo de la tecnología de sputtering por RF.
El principio de la pulverización catódica por radiofrecuencia es que si se aplica una tensión de radiofrecuencia al blanco, cuando se aplica una onda sinusoidal al blanco en el semiciclo positivo, debido a que la masa de electrones es menor que la masa de iones, los electrones son más fáciles de mover que los iones positivos, la movilidad es mayor, y por lo tanto los electrones son capaces de volar al blanco en un período muy corto de tiempo para neutralizar las cargas positivas acumuladas en la superficie del blanco y depositar un gran número de electrones en la superficie del blanco, de modo que el blanco presenta un potencial negativo y atrae iones positivos. Seguir bombardeando la superficie del blanco, de forma que se siga produciendo el fenómeno de sputtering de medio ciclo positivo y negativo. El campo eléctrico de corriente alterna de alta frecuencia (HFAC) hace que el material objetivo sea bombardeado alternativamente por iones y electrones, y el choque de electrones en el campo eléctrico de alta frecuencia aumenta la probabilidad de ionización, por lo que la tasa de sputtering del sputtering RF es mayor que la del sputtering dipolar. El bombardeo por RF no sólo puede bombardear aislantes, sino también conductores.
Además de los métodos de pulverización catódica anteriores, también existen la pulverización catódica iónica, la pulverización catódica de polarización, la pulverización catódica ECR, etc.
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