Принцип и характеристики получения тонких пленок методом напыления

В низковольтном тлеющем разряде постоянного тока процесс делится на пять зон: катодная зона, зона отрицательного свечения, темная зона Фарадея, зона положительного столба и анодная зона. Одна из этих зон, аномальный тлеющий разряд, собственно и используется для напыления осаждаемой пленки. При напылении подложка выступает в роли анода, обычно располагаясь в отрицательной зоне свечения, а мишень - в роли катода. Поскольку энергия и скорость электронов намного выше, чем у ионов, в процессе тлеющего разряда образуется слой плазменной оболочки, и благодаря наличию потенциала оболочки большая часть приложенного к электроду напряжения воспринимается потенциалом катодной оболочки. Создание потенциала оболочки плазмы приводит к тому, что ионы, достигающие катода, соответствующим образом ускоряются и приобретают энергию. Поэтому ионы обладают высокой энергией, когда они достигают поверхности катода через плазменную область тлеющего разряда, и производят эффект бомбардировки поверхности катода, так что молекулы и атомы материала катода выплескиваются наружу, и происходит явление напыления. Эти молекулы и атомы обладают определенной кинетической энергией и разлетаются в определенном направлении к поверхности заготовки, образуя тонкую пленку.

Напыление - сложный процесс, и напыление сопровождается различными явлениями ионной бомбардировки. Основным условием осаждения тонких пленок является то, что большинство частиц, выбрасываемых с поверхности твердого тела при высокоскоростном столкновении падающих частиц, представляют собой нейтральные атомы или молекулы. Кроме того, излученные вторичные электроны являются элементарными частицами, поддерживающими тлеющий разряд при напылении, а их энергия равна потенциалу мишени.

Диодное напыление - самый ранний метод напыления, получивший техническое применение. Напыляющее устройство диодного напыления состоит из двух электродов, катода и анода, поэтому его также называют катодным напылением или напылением постоянным током (DC).

Из-за существования диполярного напыления скорость диссоциации газа низкая (в 0,3 % ~ 0,5%), скорость осаждения медленная, коэффициент использования материала мишени низкий, электроны повышают температуру подложки и другие недостатки, поэтому технология напыления сначала не использовалась широко, чтобы компенсировать эти недостатки, в 1970-х годах была выдвинута технология магнетронного напыления. Технология магнетронного распыления уменьшает повреждение пленки, вызванное теплом вторичных электронов, ударяющихся о подложку, и улучшает скорость напыления при диполярном распылении. Поэтому технология магнетронного распыления получила быстрое развитие и широкое применение сразу после своего появления, и в настоящее время она стала одной из основных технологий нанесения покрытий на поверхность материалов.

Магнит размещается с обратной стороны мишени, так что поверхность магнитной линии силы, проникающей из мишени, образует структуру, перпендикулярную электрическому полю, и в конечном итоге возвращается к поверхности мишени. Связывающий эффект магнитного поля на вторичные электроны на поверхности мишени значительно увеличивает концентрацию плазмы у поверхности мишени, тем самым эффективно решая проблему низкой скорости осаждения при обычном дипольном напылении. Электроны в электрическом и магнитном полях искривляют траекторию, в процессе полета к подложке электроны и атомы газа сталкиваются, так что молекулы газа ионизируются катионами и электронами, электроны направляются к аноду, а катионы ускоряются под действием электрического поля к мишени, а высокая энергия бомбардирует поверхность мишени, так что мишень распыляется, выплескивая нейтральные атомы (или молекулы) мишени в подложку для осаждения пленки.