Технология и оборудование магнетронного нанесения покрытий
Для получения пленок с высокой адгезией к подложке не требуется ее предварительный подогрев — это объясняется высокой и практически одинаковой энергией ионов в ускорителе (при обычном термическом способе напыления пленок в вакууме для хорошей прочности сцепления покрытия с подложкой требуется ее предварительная активация путем нагрева до температуры, составляющей 0,3—0,5 от температуры плавления — ввиду низкой энергии конденсирующихся атомов покрытия).
В последнее время широкое распространение получили установки распыления магнетронного типа (рис. 5.10).
Магнетронные установки распыления имеют диодную конструкцию и в них используются скрещенные электрические и магнитные поля, образуемые источником питания 3 и системой постоянных магнитов 2.
При давлении рабочего газа 1,3 — 6,6-101 Па между мишенью-катодом 1 и анодом 4 зажигается тлеющий электрический разряд. При ионной бомбардировке катода-мишени происходит эмиссия электронов.
На элекроны, испускаемые катодом, воздействуют одновременно электрическое и магнитное поля:
электрическое поле ускоряет электроны, которые ионизируют атомы рабочего газа и поддерживают горение разряда;
поперечное магнитное поле 7 отклоняет электроны и заставляет их двигаться по сложным циклоидальным траекториям 5.
При этом электроны оказываются как бы в ловушке; с одной стороны, магнитное поле возвращает их на катод; с другой стороны — поверхность катода отталкивает эти электроны за счет электрических сил отталкивания одноименных зарядов.
Это вызывает дрейф и циркуляцию электронов между катодом И анодом, что способствует усилению процесса ионизации и повышению концентрации ионов у поверхности мишени-катода. Поперечное магнитное поле воздействует на плазму разряда и локализует ее вблизи поверхности мишени. Повышение концентрации ионов вблизи мишени позволяет бомбардировать мишень более интенсивными ионными потоками, чем в обычных диодных системах, что способствует увеличению скорости распыления мишени (зона интенсивного распыления 6) и образованию пленки на подложке.
Движение заряженных частиц в плазме, на которую наложены неоднородные электрические и магнитные поля, складывается из направленного, диффузионного и дрейфового перемещений заряженных частиц, а также циклотронного вращения.
Циклотронное вращение заряженных частиц плазмы происходит в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Это вращение характеризуется циклотронной частотой V и радиусом вращения г
Дрейф заряженной частицы в направлении перпендикулярном электрическому и магнитному полям, характеризуется скоростью дрейфа Уд:
где £ — напряженность электрического поля.
В однородном магнитном и электрическом полях траектория движения заряженной частицы будет циклоидой, высота которой равна двум радиусам вращения:
Однако в магнетронных установках магнитное и электрическое поля неоднородны — это приводит к возникновению побочных дрейфовых движений, в частности центробежного и градиентного.
Эти побочные движения вызывают разделение частиц по величине их зарядов и массе и соответственно искажение циклоидальной траектории.
Вследствие неоднородности магнитного и электрического полей плазма принимает форму, близкую к кольцевой, и располагается непосредственно у поверхности распыляемой мишени.
Скорость V роста толщины пленки на подложке линейно зависит от подводимой мощности Р. Наиболее интенсивное распыление мишени наблюдается в центральной части, где плазма имеет самую большую плотность. Для обеспечения равномерной толщины покрытий применяются различные способы: подбор оптимальной геометрии мишени; создание нескольких зон распыления; линейное перемещение подложек с использованием специальных профилированных экранов.
На рис. 5.11 показана схема установки магнетронного напыления непрерывного действия со шлюзовым загрузочно-разгрузочным устройством.
На магнетронных установках выполняются самые различные операции, например: металлизация (алюминирование) люминесцентных экранов, интегральных схем и др.; нанесение антидомингового покрытия на экраны; изготовление высококачественных фотошаблонов; нанесение пленок на органические материалы с низкой термостойкостью (благодаря тому, что при магнетронном напылении не требуется нагрева подложки); изготовление проводящих высокостабильных контактов; нанесение диэлектрических пленок.