За допомогою технології магнетронного розпилення на підкладку наносяться тонкі плівки, для чого використовується діодний розряд в схрещених полях. Прилади, що застосовуються для реалізації даного завдання, називаються розпилювальними системами або магнетронами (не плутати з пристроями, за допомогою яких генеруються СВЧ-коливання).
Магнетронний розряд - це газовий діодний розряд, що утворюється в схрещених полях, тобто в області простору в розрядному обсязі, де магнітне і електричне поля ортогональні один одному. Лінії магнітних полів спрямовані поперек лінії струму.
Історія відкриття
Неоціненний внесок у вивчення магнетронних розрядів вніс голландський фізик Ф. М. Пеннінга. Крім відомих сфер застосування магнетронних розрядів, а саме в якості іонних джерел, датчиків вимірювання вакууму або іонних насосів, він запропонував застосування використовувати такі частинки для нанесення покриттів і розпилення.
фізичні основи
Якщо розглядати механізм емісії електронів, магнетронні розряди постійного струму є аномальні тліючі розряди. Під впливом іонного бомбардування і завдяки іонно-електронної емісії, поверхня катода звільняється від електронів. З урахуванням того, що коефіцієнт такої емісії досить невисокий, іонний струм на катод значно перевищує електронний. Підтримка балансу заряджених частинок, що знаходяться в плазмі, досягається за рахунок іонізації електронами нейтральних атомів газу. Ця реакція протікає в темному катодному просторі за умови прискорення частинок електричним полем.
На відміну від тліючих розрядів, коли які не відчувають зіткнення електрони вільно прискорюються електричним полем до тих пір, поки не покинуть темне катодного простір (область катодного падіння потенціалів), в даному випадку траєкторія руху електрона буде викривлятися, що обумовлено наявністю поперечного магнітного поля і дією сили Лоренца. Якщо магнітне поле має достатню величину електрони повернуться на катод майже з нульовою енергією і знову почнуть прискорений рух під впливом електричного поля. Траєкторія руху являє собою циклоиду, тобто електрон буде дрейфувати уздовж поверхні катода, переміщаючись в напрямку, перпендикулярному як магнітному, так і електричного полів. Електрон виявляється в «пастці», яку може тільки при здійсненні зіткнення з іншими частками. В даному випадку його траєкторія зміниться і буде розташовуватися трохи далі від катода.
Цей рух триває до тих пір, поки не ослабне дію полів: магнітного - через віддалення від симетрично розташованих полюсів магнітної системи, а електричного - за рахунок так званої «плазмової екранування». Наявність пастки істотно підвищує ефективність іонізації за допомогою емітованих електронів, що дає можливість отримувати іонний струм високої щільності і високу швидкість розпилення при порівняно низькому рівні тиску, що становить близько 0,1 Па або нижче. Щоб така пастка працювала максимально ефективно, потрібно виключити ймовірність витоку електронів на анод при їх переміщенні уздовж силових ліній магнітних полів а траєкторія дрейфу повинна бути замкнута.
особливості технології
Технологічне значення технології магнетронного розпилення полягає в тому, що іони, що бомбардують поверхню мішені (катода), розпилюють її. Цей ефект покладено в основу методики магнетронного травлення, а за рахунок того, що, осідаючи на підкладку, розпорошену речовина мішені здатне формувати щільну плівку, магнетронного розпилення отримало сьогодні широке застосування.
розпилення мішені
Момент імпульсу передається матеріалу при зіткненні заряджених іонів з поверхнею мішені. Падаючі іони викликають цілий каскад зіткнень, після імпульс доходить безпосередньо до атома, який розташовується на поверхні, відривається від мішені і виявляється на підкладці. Середня кількість атомів, що вибиваються одним падаючим іоном аргону, прийнято називати ефективністю процесу, що залежить від енергії і маси іона, кута падіння, енергії зв'язку атомів і маси випаровується. Якщо матеріал має кристалічну решітку, ефективність також залежить від її розташування.
Частинки, які вилітають із поверхню мішені осідають на підкладці у вигляді плівки, при цьому деякі з них розсіюються на молекулах залишкового газу або осідають на стінках вакуумної камери.
Напилення металів і сплавів
Напилення металів і сплавів здійснюється в середовищі інертних газів, як правило, аргону. Основною відмінністю магнетронного розпилення від методики термічного випаровування є відсутність необхідності фракціонування мішеней, що мають складний склад (сплавів).
реактивний напилення
Для напилення нітриду, оксидів і інших складних з'єднань використовується технологія реактивного магнетронного напилення. До аргону, що є плазмообразующих газом, додається реактивний газ, в якості якого найчастіше застосовуються азот або кисень. У плазмі магнетронного розряду відбувається дисоціація реактивного газу та вивільнення активних вільних радикалів, що взаємодіють з розпорошеними атомами, які осідають на підкладку, і формують хімічна сполука.