О нанотехнологии. Некоторые аспекты вакуумного распыления

Одним из распространённых способов вакуумного распыления различных веществ с целью получения тонкопленочных покрытий является метод катодного распыления. 

Ускоренные в сильном электрическом поле ионы нейтрального газа бомбардируют мишень, передовая свой импульс и кинетическую энергию поверхностным атомам мишени. В свою очередь, эти атомы путем

последовательных столкновений передают энергию соседним атомам. Если колебательной энергии отдельного атома достаточно для разрыва  связей со своими соседями, то он покидает поверхность мишени и оседает на близко расположенную подложку. При этом, в отличие от обычного термического испарения мишень остается относительно холодной. Энергию, которую получает атом мишени от иона можно оценить по формуле:

Ea = (4mimaEi Cos /(mi + ma), где  Мприв = mi ma /( mi  +  ma )  - приведенная масса полученной из системы уравнений, связывающей правило сложения скоростей, законы  сохранения импульса и энергии, взаимодействующих частиц в системе центра масс. Кроме воздействия ионов мишень может бомбардироваться ускоренными электронами, что приводит к некоторому нагреванию её.

Установка катодного распыления обычно включает в себя: вакуумную камеру, катод-мишень, анод-подложка, игольчатые натекатели газов, систему магнитов, экран, нагреватель подложки и систему откачки воздуха.

Между катодом и анодом в условиях разряженной атмосферы 10-2 – 10 Па создается тлеющий разряд. Катодные электроны эмиссии, ускоренные электростатическим  полем прикатодного темного пространства,

сталкиваются с атомами нейтрального газа, например, аргон или криптон, и ионизируют их. Ток разряда регулируется реостатом, включенного последовательно с источником высокого напряжения в цепи катод-анод. Для устранения разряда на стенки вакуумной камеры используется защитный экран, который устанавливается вблизи катода. Положительные ионы ускоряются электрическим полем в 1 -10 кВ и бомбардируют мишень.

Количество распыляемого вещества в единицу времени зависит от природы и строения материала, от степени вакуума, от приложенного напряжения, величины ионного тока. Для кристаллической мишени важен выбор направления бомбардировки по отношению к кристаллографическим осям.

Средняя скорость напыления для катодного распыления достаточно низкая и составляет 1 – 3 нм. Эта скорость зависит от нескольких причин, главной из которых является коэффициент распыления, показывающего число распыленных атомов мишени на один ускоренный ион. Приближенно коэффициент распыления равен отношению энергии иона к энергии связи атома мишени. В зависимости от материала, ускоряющего поля и угла падения этот коэффициент имеет минимум и максимум. Согласно Венеру эффективным является выбор направления бомбардировки вдоль линии расположения узлов решетки. При невысокой энергии ионов угловое распределения распыленных частиц более широкое, чем для высокоэнергичных. Считается, что распыление частиц подчиняется закону косинуса.

Распыление веществ, состоящих из разнородных атомов, может сопровождаться селективностью в отношении коэффициента распыления, что приводит к нарушению стехиометрического состава покрытия. Например,

для получения диэлектрических покрытий используется метод реактивного напыления, т.е. в присутствии химически активных газов: кислород, фтор, азот и др.  Для уменьшения оседания на мишень окислов и нитратов, что снижает  скорость распыления, реактивный газ подается непосредственно на подложку, а инертный газ ближе к мишени. 

Прямое катодное и магнетронное распыление диэлектрических мишеней в стационарном электрическом поле проблематично, ввиду активной электризации поверхности мишени при бомбардировке положительными ионами аргона. Устранить данный эффект возможно, используя высокочастотное поле. В этом случае, мишень сначала бомбардируется в одном полупериоде ионами аргона, а в другом полупериоде электронами, которые снимают поверхностный положительный электростатический заряд.

Для увеличения скорости распыления можно использовать средства несамостоятельного газового разряда, например, с помощью термоэмиссии или ультрафиолетового облучения. В этом случае удается даже управлять плотностью ионного тока. Увеличение плотности тока увеличивает скорость распыления, а значит можно снизить давление в камере, уменьшая, тем самым, загрязнения покрытий остаточными газами.

К достоинствам катодного вакуумного распыления можно отнести: 

- практическая безынерционность, определяемая лишь наличием или отсутствием приложенного напряжения; 

- возможность напыления самых тугоплавких металлов; 

- достаточно высокая однородность покрытий по толщине; 

- возможность ионной очистки поверхности подложки  до начала распыления мишени;

- не требуется дорогостоящего вакуумного оборудования.

К некоторым недостаткам этого метода можно отнести:

- относительно низкая скорость напыления:

- принципиально низкий вакуум;

- возникновение радиационных дефектов в структуре покрытия.

Повышая температуру подложки удается снизить уровень загрязнения остаточными газами, и, одновременно, можно влиять на формирование структуры покрытия. Увеличить скорость напыления и снизить уровень радиационных дефектов позволяет магнетронное распыление. Система анод-катод находится в сильном магнитном поле, которое обеспечивает дополнительную ионизацию, увеличивая длину траектории ускоренных ионов и электронов в столбе газового разряда.

В этом случае степень вакуума можно снизить с 0,1 до 0,01 Па, а скорость напыления удается увеличить с 5 нм/с до 50 нм/с.