Одержання тонких плівок методом магнетронного розпорошування

1. Теоретичні обгрунтування методу магнетронного розпорошування

1.1. Загальна характеристика методу іонно-плазмового розпорошування

Сучасні іонно-плазмові методи одержання тонких шарів дозволяють одержувати провідні, напівпровідні, діелектричні та магнітні плівки, що мають порівняно з вакуумтермічною технологією ряд переваг:

1) забезпечується висока адгезія плівок до підкладки завдяки підвищеній енергії конденсуючих атомів та іонів;

2) мішень являє собою матеріал, що тривалий час не замінюється та не нагрівається. Це знижує забруднення баластного газу, спрощує автоматизацію процесу напорошування та підвищує якість конденсату;

3) мала ступінь дисоціації багатокомпонентних сполук, що дає можливість одержання плівок того ж хімічного складу, що і висхідний матеріал;

4) можливість одержання оксидних, нітридних та інших плівок шляхом введення в розрядну камеру реактивних газів та використання хімічних реакцій атомів розпорошуваного матеріалу з реактивними газами.

Найбільш широке застосування одержав метод іонно-плазмового (катодного) розпорошування з використанням тліючого розряду на постійному струмі. Катодне розпорошування більш чутливе до складу залишкових газів у вакуумній камері та забруднення мішені , ніж вакуумтермічне випаровування. При однаковому парціальному тиску залишкових газів конденсація плівок з іонно-розпорошуваного матеріалу відбувається в більш несприятливих умовах, так що густина потоку речовини, що конденсується, на порядок нижча, ніж при вакуумтермічному випаровуванні. Однак розпорошувані атоми мають енергію на 1-2 порядки вищу, ніж термічно випаровувані, і це викликає самоочищення конденсату від порівняно легких атомів газових домішок. При цьому залишається тільки небезпека хімічної реакції на підкладці, коли високоенергетичні атоми конденсату зтикаються з енергетично активними атомами залишкових газів. Тому вимоги до вакууму щодо фонових газів та вакуумної гігієни в цілому при іонно-плазмовому розпорошуванні повинні бути більш високими, ніж при вакуумтермічній технології. При горінні розряду відбувається інтенсивна десорбція газів зі стінок вакуумної камери та поверхонь арматури, що знаходиться в зоні розряду, яка зумовлюється безперервним бомбардуванням іонами та електронами, які надходять з плазми розряду. Також має місце і звичайна термодесорбція з нагрітих ділянок арматури, які видалені із зони розряду. Внаслідок спільної дії обох механізмів рівень фону залишкових газів може збільшитись на декілька порядків.

В найпростішому випадку іонно-плазмове розпорошування відбувається в тліючому розряді за допомогою діодної системи, де мішень з розпорошуваного металу є катодом, а утримувач підкладки може бути анодом або знаходитись у просторі катод-анод. Розпорошувані частинки мають широкий енергетичний спектр з середнім значенням близько 5 еВ, який залежить від природи та енергії первинних іонів, природи розпорошуваного матеріалу та кута вильоту атомів з мішені. Цим, в основному, визначається висока якість та підвищена адгезія плівок, які одержують методом катодного розпорошування.

Однак, при всій простоті та перевагах діодного методу іонного розпорошування він має той недолік, що для його реалізації необхідні відносно високі тиски баластного газу. Це, з одного боку, підвищує ймовірність забруднення плівки та, з іншого боку, суттєво знижує швидкість її напорошування. Так, наприклад, при тиску в діодній системі менш ніж 5×10^-2 мм рт.ст. розрядний струм швидко падає і швидкість напорошування не перевищує декількох десятків ангстрем за хвилину.

Для одержання достатньої концентрації іонів при більш низьких тисках потрібно збільшити кількість іонізуючих електронів. З цією метою застосовують тріодні та тетродні системи іонного розпорошування, в яких підтримується дуговий розряд з розжарюваним катодом при тиску аргону близько 10^-3 мм рт.ст., а іони витягуються з плазми розряду і спрямовуються на розпорошувану поверхню (мішень). В цих умовах можна незалежно змінювати тиск газу, енергію та величину струму іонів. Однак до основних недоліків тріодних систем слід віднести нерівномірність розпорошування мішені великого розміру та складність устаткування.

Підвищити ефективність іонізації в плазмі можна також дією на тліючий розряд магнітного поля. При цьому збільшується ефективна довжина шляху електронів, що еквівалентно зростанню тиску газу. Другим важливим наслідком впливу магнітного поля є зменшення радіальної дифузії зарядів в зоні розряду, в результаті чого знижуються втрати електронів, здатних іонізувати атоми робочого газу. За даними деяких авторів, накладанням повздовжнього магнітного поля на нормальний тліючий розряд вдалося збільшити швидкість нанесення конденсату майже на порядок, однак тиск газу залишився досить високим і майже 70% розпорошуваного матеріалу не доходило до мішені. Найбільш перспективними є розпорошувальні пристрої з тліючим розрядом, в яких електричне та магнітне поля зхрещені. В літературі вони отримали назву магнетронних і в залежності від розташування електродів розрядного проміжку можуть бути планарними (плоскими) або циліндричними. Оскільки в подальшому піде мова про вдосконалення описаних в літературі та створення нових планарних магнетронних систем, має рацію розглянути електроніку плоского магнетрона.