Распыление материалов: ионно-плазменное распыление

Этот метод основан на распылении атомов вещества в результате ударов ускоренных в электромагнитном поле ионов и конденсации этих атомов на подложку. Распыление бывает катодным (физическим) и реактивным (химическим). Катодное распыление происходит в результате столкновений между атомами мишени и падающими ионами и в сильной степени зависит от энергии бомбардирующих ионов. Следует отметить, что повышение напряжения ускоряющих его бомбардирующих ионов приводит к увеличению распыления, поскольку начиная с некоторого его значения начинает преобладать внедрение падающих ионов вглубь материала.

Существует по крайней мере два механизма процесса физического распыления. Согласно первому из них, распыление происходит в результате сильного местного разогрева поверхности мишени бомбардирующими ионами. Второй механизм предполагает передачу кинетической энергии падающих ионов атомам подложки с последующей передачей этой энергии другим атомам кристаллической решетки. Строя модели процесса ионно-плазменного распыления, необходимо рассматривать все разновидности взаимодействия ионов с поверхностью, падающий ион может обратно рассеяться на атоме или группе атомов на поверхности твердого тела, а также привести к смещению ионов или атомов образца из положения, где они были слабо связаны с поверхностью в положение, сильно связанное со структурой образца. Ионы высоких энергий могут проникать в глубь образца, создавая внутренние дефекты и оставаясь там (ионное легирование). В ряде случаев освобождение от связей с образцом одного или нескольких атомов или ионов приводит к физическому распылению. При взаимодействии ионов с поверхностными атомами могут образовываться химические соединения с возможным их испарением (химическое распыление). Захват поверхностным атомом электрона при рассеянии иона приводит к отражению нейтрального атома. Наконец возможна адсорбция ионов на поверхности, вторичная электронная и ионная эмиссия.

Широкое применение ионно-плазменного распыления обусловлено рядом его преимуществ.
1. Универсальность метода, позволяющая, используя одну унифицированную установку, распылять металлы, диэлектрики, полупроводники, сплавы и соединения.

2. Лучшая за счет большей кинетической энергии распыленных атомов и молекул по сравнению с вакуумным осаждением адгезия пленок к подложкам.

3. Возможность формирования различного состава пленок (в том числе пленок Такого состава, который нельзя получить другими методами) вследствие равномерного удаления атомов и молекул с поверхности мишени сложного химического соединения в процессе его распыления.

4. Повышенная воспроизводимость электрических свойств пленок, благодаря хорошей контролируемости и управляемости процесса.
К недостаткам метода следует отнести низкую скорость осаждения (около 200 А/мин) пленки, высокое давление в парогазовом пространстве.
Реактивное распыление

При получении пленок методом реактивного распыления взаимодействие рабочих газов с конденсируемой пленкой в ряде случаев улучшает ее электрофизические свойства. Взаимодействие реактивных газов, например О2 и N2, с атомами мишени Х приводит к образованию соединений типа ХnОm и XkNl. Газы сложного состава (NH3, CH4) под действием газового разряда диссоциируют и образуют аналогичные приведенным выше соединения. При наличии в газе молекул типа SiO, Si2O3, SiO2 ,CuO, Cu2O и др., образовавшихся из реагирующих ионов, состав формируемой пленки сильно зависит от катодного напряжения и их парциальных давлений. Оксиды при реактивном распылении образуются путем добавления к реакторному газу незначительной доли кислорода, в противном случае, например распыление SiO2 в чистом аргоне, приводит к образованию пленки состава SiOx, где x=1,94; …; 1,97.

Количественно процесс катодного распыления характеризуется коэффициентом распыления Кр, численно равным количеству атомов, выбитых с поверхности мишени одной соударяющейся в ней частицей:

Kp = K (mima) / (λi(mi + ma)) Wi (1)

где К—поправочный коэффициент, учитывающий физическое состояние поверхности мишени; mi и mа—массы бомбардирующего иона и атома мишени соответственно; Wi—энергия иона; λi—длина свободного пробега иона к мишени. В практике катодного распыления величина Кр обычно не превышает 10. В случае получения пленок двухкомпонентных сплавов применяются системы, содержащие два катода с отдельным регулированием напряжения на каждом из них.

Скорость распыления материалов существенно зависит от коэффициента распыления. Однако повышение скорости осаждения обычно отрицательно сказывается на свойствах пленки. Стремление повысить производительность ионно-плазменного распыления привело к созданию метода магнетронного распыления, основанного на удержании плазмы в скрещенных электрическом и магнитном полях. Применение этого метода позволяет за счет удержания плазмы в пространстве, прилегающем к мишени, повысить плотность ионного потока и, следовательно, увеличить скорость распыления.


Оставить комментарий





Статистика

Рейтинг@Mail.ru