Вакуумное магнетронное распыление

Для увеличения надёжности работы испарителя, особенно при испарении легкоплавких металлов (алюминий, цинк и др.), когда из-за ухудшения отвода тепла выступ может плавиться, по периферии катода располагают обод из более тугоплавкого металла, падение напряжения на КП которого существенно выше. КП на него не переходит, т.е. не уходит на боковую поверхность, и стабильность работы испарителя существенно возрастает. По мере испарения материала катода на внутренней поверхности обруча осаждается испаряемый материал, и КП периодически возвращается на неё. Небольшая часть материала, из которого изготовлен обруч, может попадать в покрытие и загрязнять его, хотя в большинстве случаев это загрязнение очень мало и не сказывается на свойствах покрытий. Обычно обруч используется многократно.

Подобная конструкция вакуумно-дугового испарителя успешно использовалась при испарении металлов из жидкого состояния, в частности, при нанесении покрытий из олова. Давление паров олова при нагревании в вакууме очень низкое, к примеру, 1,3210^-10 атм. при температуре 1024 К (для сравнения давление паров свинца при температуре 1000 К составляет 1,4810^-5 атм). Поэтому рационально испарение олова вакуумной дугой. Если подложка допускает нагрев до температуры плавления олова, то капли на покрытии расплавляются, получается однородное покрытие, осаждаемое с большой скоростью.

Катод испарителя из жидкой фазы выполняется в виде чаши из более тугоплавкого металла, чем испаряемый. Остальные элементы испарителя аналогичны представленным на рис. 1.3.2.2.1.

В качестве анода проще всего использовать внутренние стенки вакуумной камеры. В этом случае весь поток металлической плазмы, генерируемой катодом, достигает поверхности анода. В таком исполнении дуговой разряд наиболее стабилен.

Также анодом может быть отдельный конусообразный электрод, располагаемый по периферии впереди катода (рис. 1.3.2.2.5).

Применение отдельного анода иногда бывает необходимым, если обрабатываемое изделие экранирует катод от вакуумной камеры.

При работе вакуумно-дугового испарителя в диапазоне давлений ниже, чем 0,1 Па анод испарителя должен находиться в зоне видимости поверхности испарения катода. Наиболее стабилен дуговой разряд, если анод установлен в направлении нормали к поверхности испарения катода. В этом направлении плотность генерируемой катодом плазмы максимальная.

Рис. 1.3.2.2.5 Схема вакуумно-дугового испарителя с конусообразным анодом: 1 - катод; 2 - анод; 3 - экран

При расположении анода вне зоны максимальной плотности плазмы, где электрическая проводимость снижена, возрастает межэлектродное напряжение, приводящее к снижению тока разряда. Периодическое изменение плотности плазмы в анодном пространстве, вызванное хаотическим движением КП по поверхности катода, приводит к пульсациям разрядного тока. Если величина пульсаций такова, что минимум разрядного тока меньше минимального тока стабильной работы испарителя, то разряд может прекратиться. По этой причине применение в качестве анода вакуумной камеры обеспечивает максимальную стабильность дугового разряда. Стабильность разряда в значительной мере может быть повышена применением специальных источников питания с крутопадающей вольт-амперной характеристикой.

Если работа испарителя осуществляется в диапазоне давлений выше, чем 0,1 Па, то анод можно устанавливать вне прямой видимости от катода к аноду (рис. 1.3.2.2.6).

На этом рисунке приведен вариант конструкции испарителя, в котором существование вакуумно-дугового разряда в диапазоне низких давлений невозможно, - анод находится за пределами видимости с поверхности испарения катода.

Рис. 1.3.2.2.6 Схема испарителя с анодом, расположенным вне прямой видимости от катода

В диапазоне давлений 0,01…0,1 Па проводником для тока дугового разряда служит как газо-металлическая, так и газовая плазма. При этом напряжение на электродах разряда выше, чем при расположении анода в прямой видимости, и в значительной степени зависит от давления и рода рабочего газа.

1.3.2.3 Испарители с магнитным удержанием катодного пятна

Удержание КП вакуумной дуги с помощью магнитных полей основано на их свойстве смещаться в направлении острого угла, образованного силовыми линиями магнитного поля с поверхностью катода. Если катод имеет форму конуса в однородном магнитном поле или цилиндра в расходящемся магнитном поле КП перемещаются в направлении его испаряемого торца. Обычно острый угол б (рис. 1.3.2.3.1), образованный силовыми линиями магнитного поля с боковой поверхностью катода, составляет не менее 15…20^о, а напряжённость магнитного поля на уровне 10…20 мТл.

Рис. 1.3.2.3.1 Схема взаимного расположения силовых линий магнитного поля и катода, при которой КП локализуются у его торца

Особенностью испарителей с магнитным удержанием КП является снижение величины минимального тока стабильной работы. Испаритель способен работать при наличии на катоде только одного КП. При выходе КП с рабочего торца катода на боковую, нерабочую поверхность, разряд не прекращается, поскольку не прерывается его электрическая связь с анодом. Магнитное поле возвращает КП на рабочий торец катода.

Рис. 1.3.2.3.2 Вакуумно-дуговой испаритель с магнитным удержанием КП на поверхности испарения катода:

1 - конусный катод; 2 - охлаждающее основание; 3 - токоподвод катода; 4 - изолированный экран основания; 5 - изолятор токоподвода; 6 - керамическая вставка электроразрядного поджигающего устройства; 7 - токоподвод поджигающего устройства; 8 - корпус катодного узла; 9 - короткий соленоид; 10 - силовые линии магнитного поля соленоида.

Приведена конструктивная схема (рис. 1.3.2.3.2) и внешний вид (рис. 1.3.2.3.3) вакуумно-дугового испарителя с магнитным удержанием КП. Катод 1 в виде усечённого конуса непосредственно охлаждается водой основания и установлен внутри корпуса 8 из немагнитного металла (нержавеющая сталь 12Х18Н10Т).

Снаружи корпуса размещён короткий соленоид 9.

Рис. 1.3.2.3.3 Электродуговой испаритель электродугового насоса. Катод - усеченный конус с нижним основанием 250 мм. Толщина катода 80 мм.

В процессе работы вакуумно-дугового испарителя поверхность испарения катода принимает форму, ортогональную силовым линиям магнитного поля. Конусный катод, находящийся в однородном магнитном поле, имеет плоскую поверхность испарения. В расходящемся аксиально-симметричном магнитном поле рабочая поверхность катода имеет выпуклую форму. Такая поверхность катода обеспечивает более однородное по всем направлениям распределение потока внутри вакуумной камеры. В результате катод может принять форму, близкую к полусфере (рис. 1.3.2.3.4).

Рис. 1.3.2.3.4 Катод испарителя с неоднородным магнитным полем

1.3.2.4 Испарители с фокусировкой плазменного потока

Для повышения коэффициента использования испаренного металла потоки металлической плазмы можно фокусировать. На заряженные частицы с целью изменения их траектории движения можно воздействовать электрическими и магнитными полями. На рис. 1.3.2.4.1 показана схема испарительного устройства с электромагнитной фокусировкой ионного компонента металлической плазмы.

Рис. 1.3.2.4.1 Схема испарителя с фокусировкой плазменного потока:

1 - анод; 2 - катод; 3 - стабилизирующий соленоид; 4 - фокусирующий соленоид; 5- поджигающий электрод; 6 - подложка; 7 - источник питания дугового разряда; 8 - импульсный высоковольтный источник возбуждения разряда.

Анод 1 испарителя имеет вид протяжённого цилиндра из немагнитной нержавеющей стали, на одном торце которого установлен цилиндрический торцевой катод. Снаружи цилиндра располагаются соленоиды 3 и 4. Средняя часть соленоида 3 совпадает с охлаждаемым торцом катода. Поверхность испарения катода совпадает с краем соленоида 3. Соленоид 4 находится на конце анода. Оба соленоида создают магнитное поле, силовые линии которого в районе боковой поверхности катода обеспечивают выход КП на его торцевую поверхность, но не пересекают анод. Соленоид 3 создаёт на оси катода магнитное поле напряжённостью ~ 15…20 мТл для удержания КП на торцевой поверхности; соленоид 4 - магнитное поле величиной ~ 5…10 мТл, обеспечивающее фокусировку плазменного потока.

Электрическое и магнитное поля в металлической плазме, генерируемой катодом, взаимно перпендикулярны (магнитное поле квазипараллельно оси анода, а электрическое поле направлено перпендикулярно оси катода). Электроны движутся по циклоидальной траектории вокруг продольной оси анода, образуя замкнутый круговой холловский ток. Поскольку движение электронов в радиальном направлении по направлению к аноду происходит только при столкновении электрона с частицами газа или металла, то электрическая проводимость плазмы в поперечном направлении резко падает, в результате чего в пространстве металлической плазмы, заключённом между боковой поверхностью катода и анодом, появляется разность потенциалов, которая зависит от напряжённости магнитного поля соленоида 4. Вектор напряжённости электрического поля в фокусирующей системе направлен по нормали к силовым линиям магнитного поля, т. е. практически по радиусу анода. Ион металла, двигающийся под углом к оси системы и имеющий радиальную составляющую скорости, испытывает тормозящее действие со стороны радиального электрического поля. Радиальная скорость иона уменьшается, а затем её направление меняется на противоположное: т. е. ион начинает двигаться к оси системы. Таким образом, радиальное электрическое поле не даёт возможность иону, двигающемуся под углом к оси анода, попасть на стенки анода, а осевая скорость иона, не изменяющая своё значение, перемещает ион на выход фокусирующей системы. Эксперименты показывают, что практически весь ионный поток, генерируемый катодом, попадает на срез анода, находящийся в вакуумной камере. Величина ионного тока на выходе фокусирующей системы I_ион. ~ 0,08 ^. I_разр. , где I_разр - ток дугового разряда. (Весь ионный ток, который можно извлечь из плазмы вакуумно-дугового разряда составляет I_ион. ~ 0,1^. I_разр )

На рис. 1.3.2.4.2 показано распределение плотности тока на выходе фокусирующей системы. Как видно, плотность ионного тока в центральной части диаметром около 8 см при фокусирующем поле 10 мТл в шесть раз превышает ионный ток в этой же области.

Впервые испаритель с фокусировкой плазменного катода был применён в установке «Булат-6».

Рис. 1.3.2.4.2 Радиальное распределение плотности тока на выходе фокусирующей системы.

Титан, ток дуги 100 А, Н_стаб. - 20 мТл. 1 - Н_ф. = 0 мТл; 2 - Н_ф = 3 мТл; 3 - Н_ф = 10 мТл.

Испарительное устройство, изображённое на рис. 1.3.2.4.3, так же как и испаритель описанный выше, содержит фокусирующую магнитную систему. Отличительной особенностью этого испарителя является наличие мощной системы, создающей в пространстве между подложкой и катодом магнитную линзу. Основной электронный поток проходит через приосевую область, где радиальная составляющая магнитного поля невелика или имеет нулевое значение. В этой области направления электрического и магнитных полей совпадают, поэтому вектор скорости движения электронов совпадает с направлением силовых линий магнитного поля. В остальном пространстве электроны замагничены и вращаются по круговым циклоидальным траекториям и по спиралям вокруг магнитных силовых линий. С увеличением магнитного поля радиус спирали, по которой движутся электроны, уменьшается, что увеличивает длину их пути и количество столкновений с частицами газа или металла. Электрическое сопротивление приосевой зоны из-за малого сечения велико, что приводит к увеличению падения напряжения в этой части межэлектродного зазора, благодаря чему энергия электронов повышается. При магнитном поле 145 мТл энергия электронов увеличивается до 25 эВ, т.е. на порядок по сравнению с обычным дуговым разрядом, что превышает потенциал ионизации титана и азота (6,8 и 15,6 эВ соответственно) и обеспечивает их ионизацию электронным ударом. При этом по сравнению с обычным дуговым разрядом растёт концентрация ионов N₂⁺, атомов азота и его атомарных ионов, ионов Ti. Степень ионизации титана может быть достигнута почти 100 % при величине магнитного поля 89 мТл. Из-за увеличения энергии электронов растёт плавающий потенциал капель, они подвергаются более интенсивной ионной бомбардировке и испаряются. Капли менее 5 мкм испаряются полностью, около 10 мкм - наполовину.

Рис. 1.3.2.4.3. Конструкционная схема вакуумно-дугового испарителя с улучшенными характеристикам:

1 - катод; 2 - электромагнит; 3 - катушка электромагнита; 4 - магнитопровод; 5 - область прохождения электронного потока; 6 - силовые линии магнитного поля; 7 - вакуумная камера - анод; 8 - подложка

Взаимное расположение катода и магнитной системы таково, что магнитные поля на поверхности катода имеют большую тангенциальную составляющую, благодаря которой КП совершает круговое движение по поверхности катода. Конфигурация магнитного поля обеспечивает сбалансированное влияние острого угла и магнитных полей тока в катоде (рис. 1.3.2.4.3), чем достигается равномерность его эрозии. Высокое значение величины тангенциальной составляющей магнитного поля обеспечивает большую скорость перемещения КП по поверхности испарения катода, благодаря чему значительно снижаются размеры и количество макрочастиц в потоке металлической плазмы.

Увеличение магнитного поля снижает уровень порогового тока катодных пятен, т.е. тока, при котором они начинают делиться. С уменьшением тока через катодное пятно уменьшаются размеры кратеров на поверхности катода, размеры и количество капель металла в плазменной струе.

Кроме того, поскольку капли в КП главным образом распространяется под углами 20…30К поверхности катода, основное их количество остаётся внутри испарителя и не попадает в покрытие.

Повышенная степень диссоциации и ионизации азота способствует интенсификации образования на поверхности катода нитрида титана, который также способствует уменьшению количества и размеров макрочастиц.

Таким образом, этот вид вакуумно-дугового испарителя обеспечивает высокую степень ионизации испаряемых материалов и рабочих газов и минимальное количество капельной фазы в потоке плазмы. К настоящему времени эта конструкция остаётся наилучшей в своём классе.

1.3.2.4 Испарители с автостабилизацией катодного пятна

В практике чаще всего применяются катоды с плоской или почти плоской поверхностью испарения. В этом случае изменение диаграммы направленности по мере расходования катода не столь существенны. Однако при плоской форме поверхности катода используется небольшая центральная часть магнитного поля соленоида, где силовые линии магнитного поля параллельны оси соленоида. При этом внутренний диаметр соленоида много больше поперечного размера катода. Для создания большого запаса испаряемого металла в катоде испарителя размеры соленоида становятся неприемлемо большими, однако имеется возможность их значительно сократить. Идея заключается в том, что соленоид включают только при попадании КП на боковую поверхность катода, а всё остальное время он выключен. При этом, естественно, можно увеличить ток, протекающий по соленоиду, сократив при этом размеры соленоида. Кроме того, поскольку при нахождении КП на поверхности испарения катода магнитное поле отсутствует, то катод по своим размерам (диаметру) может быть близок к внутреннему диаметру соленоида. Запас испаряемого металла в таком испарителе может быть практически таким же, как в испарителе с изолированным экраном. Конструктивная схема этого испарителя приведена на рис. 1.2.2.4.1.

В процессе хаотического перемещения по торцу катода 1 КП периодически выходит за пределы поверхности испарения катода на боковую поверхность. При этом в кольцевом электроде 2 (датчик положения КП), соединённом с отрицательным полюсом источника питания 5, возникает импульс тока, вызывающий срабатывание быстродействующего реле 6. Своим контактом 7 реле включает усилитель мощности 8, который подаёт импульс тока в соленоид 3. Возникающее магнитное поле выталкивает КП на рабочий торец катода.

Рис. 1.2.2.4.1Вакуумно-дуговой испаритель с автостабилизацией катодного пятна: 1-катод, 2 - кольцевой зонд, 3 - соленоид, 4 - источник питания дугового разряда, 5 - источник отрицательного напряжения зонда, 6 - реле, 7 - контакты реле, 8 - усилитель мощности.

1.3.2.5 Комбинированный испаритель

Испарители этой конструкции применяются на установках типа «Булат-3», ИЭТ-8 и некоторых установках фирмы Multi Arc Vacuum Systems (рис. 1.3.2.5.1). В испарителе использованы различные способы удержания КП на испаряемой поверхности, что дало возможность снизить пороговый ток, например, на титане до 35…40 А, уменьшить капельную составляющую.

Цилиндрический катод 2, расположенный соосно с анодом 1 (обычно это корпус вакуумной камеры), охвачен дополнительным анодом 3, который расположен на уровне торца катода, изолированным экраном 5 с соленоидом 6, размещённым ниже испаряемого торца катода. По периметру испаряемой поверхности катода имеется выступ высотой 1…2 мм. Зазор между дополнительным анодом и катодом составляет 1…1,5 мм. На фланце 4 укреплено поджигающее устройство 9, представляющее собой электромагнитный механизм, замыкающий дуговой промежуток. Все основные элементы испарителя - катодный узел, экран, поджигающее устройство, дополнительный анод совместно с фланцем и основной анод изолированы друг от друга прокладками 8 из органического стекла и фторопласта с резиновыми уплотнениями 7.

Дополнительный анод соединён с основным через резистор 0,5…2 Ом. Между корпусом поджигающего устройства и анодом включён резистор, ограничивающий ток через замыкатель во избежание его приваривания к катоду. Величина этого резистора составляет 10…18 Ом и зависит от материала катода. Между экраном и анодом включён конденсатор, который препятствует возникновению каскадных дуговых разрядов по цепи катод - экран - анод, которые могут появляться при наличии газовыделений у катода вследствие загрязнений или течей.

Рис. 1.3.2.5.1 Конструктивная схема вакуумно-дугового испарителя

1 - анод; 2 - катод; 3 - дополнительный анод; 4 - фланец; 5 - экран; 6 - соленоид; 7 - резиновые уплотнения; 8 - изоляторы; 9 - поджигающее устройство уплотнения.

При отсутствии внешнего магнитного поля катодные пятна перемещаются хаотически по торцевой поверхности катода, а при попадании на внутреннюю поверхность выступа возвращаются обратно на торцевую поверхность (см. рис. 1.3.2.5.1). При попадании КП на наружную боковую поверхность катода разряд не гаснет, а продолжается через дополнительный анод, однако этот путь энергетически менее выгоден, и разряд возвращается на основной анод, а пятно - на испаряемую поверхность без погасания.

Под влиянием магнитных полей тока разряда, протекающего по катоду, КП, в основном, находятся в центральной части торца, что приводит к неравномерному испарению катода (рис. 1.3.2.5.2 а), т.е. к неэффективному использованию испаряемого материала. Вследствие относительно низкой скорости перемещения КП плазменный поток содержит большое количество капельной фазы.

Рис. 1.3.2.5.2. Эрозия катода комбинированного испарителя: а - при отсутствии магнитного поля; б - при оптимальном магнитном поле; в - при увеличенном магнитном поле.

При наличии расходящегося магнитного поля соленоида КП движутся на торце катода по кольцевой траектории под влиянием тангенциальной его составляющей. В радиальном направлении на КП воздействуют правило «острого угла» между поверхностью катода и магнитными силовыми линиями и магнитное поле тока разряда, протекающего по катоду.

Магнитное поле тока в катоде стремится смещать КП к оси катода, магнитное поле соленоида - в противоположном направлении. При увеличении магнитного поля соленоида средний радиус траектории КП увеличивается. Обычно для обеспечения удовлетворительной формы эрозии торца этот радиус устанавливают примерно равным половине радиуса катода, при этом на торце образуется небольшой мениск (см. рис. 1.3.2.5.2, б). Магнитное поле при этом у поверхности катода составляет 3…4 мТл. При дальнейшем увеличении магнитного поля КП локализуются на периферии торца, испаряемая поверхность в центральной части становится выпуклой, изменяется диаграмма направленности плазменного потока, и уменьшается коэффициент использования катода (см. рис. 1.3.2.5.2, в).

Наличие тангенциальной составляющей магнитного поля соленоида повышает плотность плазмы у поверхности катода, что способствует уменьшению порогового тока разряда (для титана - 35….40 А при магнитных полях около 5 мТл) и тем самым снижению количества и размеров капель. Эта же тангенциальная составляющая создаёт азимутальное движение КП, причём скорость их движения в диапазоне магнитного поля 5…50 м/с, для титана увеличивается от 4 до 40 м/c, что также существенно уменьшает количество капель по сравнению с их количеством в отсутствие магнитного поля. В данной конструкции испарителя величина магнитного поля составляет около 4 мТл, и значение его порогового тока при испарении титана составляет 35…40 А. Ток разряда, при котором наносят покрытия из титана, обычно находится в диапазоне 100…120 А, т.е. одновременно на катоде могут существовать 2-3 катодных пятна. При дальнейшем увеличении тока дуги увеличиваются количество и размеры капель, что связано с повышением температуры испаряемой поверхности в связи с низкой теплопроводностью титана. При испарении металлов с высокой теплопроводностью могут использоваться токи значительно большей величины, в частности, для молибдена - 180…250 А и более.

В отличие от арочной конфигурации магнитного поля, когда магнитные силовые линии начинаются и заканчиваются на катоде, в данной конструкции они проходят через катод и анод (дополнительный), электроны от КП движутся вдоль них к аноду, что повышает стабильность работы испарителя в целом.

Испаренный материал катода, осаждающийся на впадине торца и стенках выступа, насыщается остаточными (или рабочими) газами и облегчает возникновение новых КП. При нанесении покрытий из соединений материала катода с реакционными газами, эти соединения образуются и на поверхности катода. При этом уменьшается количество и размеры капель, интенсифицируется синтез соединений в покрытиях в результате появления в объёме дополнительного атомарного газа, который освобождается при разложении в катодных пятнах соединений, образовавшихся на испаряемой поверхности. Большая часть капельной фазы не попадает в покрытие, поскольку она распространяется в основном под малыми углами к испаряемой поверхности и осаждается, главным образом, на внутренних стенках выступа катода или на стенках камеры.

Поджигающее устройство выполнено в виде электромеханического реле, кратковременно замыкающего промежуток между катодом и анодом. При размыкании создается плазменный сгусток у поверхности катода, обеспечивающий зажигание дугового разряда.

Катод с резиновым уплотнением непосредственно охлаждается проточной водой. При использовании в качестве испаряемых материалов металлов с низкой теплопроводностью (титан, цирконий, никель) при диаметре катода 64 мм и токах дуги 100 … 120 А расстояние между охлаждаемым и испаряемым торцами катода должно быть не более 35 мм. В противном случае температура испаряемой поверхности повышается, что ведёт к существенному увеличению количества и размеров капель. По этой же причине не рекомендуется нанесение покрытий при токах дуги более 120 А, так как низкой теплопроводности катода растёт температура испаряемой поверхности (рис. 1.3.2.5.3). При испарении металлов с высокой теплопроводностью такие ограничения в определённой мере снимаются, и испаритель может работать при токах 300 А и более.

Рис. 1.3.2.5.3 Зависимость температуры испаряемой поверхности катода от её расстояния до охлаждаемого водой торца при испарении различных материалов.

1 - титан, Iд = 120 А; 2 - титан, Iд = 70 А; 3 - молибден, Iд = 150 А; 4 - молибден, Iд = 120 А; 5 - медь, Iд = 150 А; 6 - молибден, Iд = 0 А; 7 - медь, 70 А. Диаметр катода 64 мм.

Общий вид комбинированного испарителя приведен на рис. 1.3.2.5.4.

Рис 1.3.2.5.4. Вакуумно-дуговой комбинированный испаритель: а - вид со стороны вакуумного объёма; б - вид снаружи камеры;

1 - фланец крепления испарителя к вакуумной камере; 2 - соленоид; 3 - резистор ограничения тока дополнительного анода; 4 - держатель катода - токоподвод; 5 - дополнительный анод;6 - катод; 7 - поджигающий электрод.

1.3.2.6 Магнетронное распыление

1.3.2.6.1 DC магнетрон

DC магнетрон является современным вариантом устройства катодного распыления материалов в вакууме с использованием источника энергии постоянного тока (DC) с целью нанесения проводящих покрытий на изделия. Принцип его действия основан на явлении физического распыления катода (материала мишени) ускоренными ионами рабочего газа, которые бомбардируют поверхность мишени под действием прикладываемого отрицательного потенциала.

Характерной чертой магнетронов является использование специальной магнитной системы, которая над распыляемой мишенью создает замкнутое по контуру туннелеобразное магнитное поле. Благодаря ему создаются условия получения локализованной плазмы высокой плотности и, соответственно, высокой плотности ионных токов, распыляющих мишень. Следствием этого является высокая производительность распыления материалов. Конструктивные принципы построения магнетронных устройств позволяют достаточно просто реализовать задачу нанесения однородных покрытий на широкоформатные поверхности. Это свойство позволило обеспечить значительный прогресс в современном производстве покрытий для архитектурных стекол, дисплеев, солнечных элементов, для декорирования пластиков и рулонных материалов и т.п. В основном DC магнетроны применяют для распыления металлов, используя инертные газы.

1.3.2.6.2 АС магнетрон

AC магнетрон разработан для реализации высоко-производительных процессов нанесения диэлектрических покрытий (оксидов, нитридов, карбидов и др.) распылением в реактивной среде проводящих материалов.

Проведение реактивных процессов на магнетроне имеет две особенности:

1 - образование и рост композитной пленки на поверхности мишени, 2 - осаждение такой же пленки на анодном электроде. При нанесении диэлектриков растущее покрытие блокирует движение электронных токов в цепи разряда плазмы, он становится нестабильным во времени и в конечном счете прекращается. Кроме того, растущие тонкие диэлектрические пленки на мишени за счет накопления заряда на ее поверхности испытывают частые микропробои, что является источником загрязнений в пленке.

При использовании АС магнетронов они подключаются к разным полюсам блока переменного питания (AC) частотой 20-80кГц. Такое подключение обеспечивает работу каждого из магнетронов попеременно, то в катодном режиме (распыления), то анодном. В результате исчезает проблема зарастания анода непроводящим материалом, поскольку анод находится в состоянии постоянной самоочистки. Кроме того, непроводящая пленка на мишени подвергается попеременному воздействию то ионным, то электронным потоками, обеспечивая зарядовую нейтрализацию поверхности и устраняет проблему дугообразования. В итоге, работа АС магнетрона протекает стабильно во времени и позволяет с высокой скоростью наносить диэлектрические покрытия высокого качества.

1.3.2.7 Ионно-лучевое распыление

Технология ионно-лучевого распыления заключается в бомбардировке мишени заданного состава пучком ионов с энергией до 5000 эВ с последующим осаждением распыленного материала на подложку. При этом стехиометрия формируемого покрытия идентична мишени.

Эта современная технология предназначена для нанесения прецизионных нанослойных покрытий с высокой плотностью и низкой шероховатостью. Пленки, получаемые методом ионно-лучевого распыления, имеют абсолютную величину шероховатости Rpv = 4,0 nm со среднеквадратичным отклонением Rms = 0,19 nm.

Отличительными достоинствами технологии является получение покрытий без эффекта дрейфа во времени при воздействии атмосферы и различных климатических условий, что является одним из важнейших требований к современным оптическим и функциональным покрытиям.

Дополнительными преимуществами технологии ионно-лучевого распыления являются возможность проведения реактивных и нереактивных процессов в одной камере без переналадки (например, из мишени Si можно получать покрытия Si, SiO₂, Si₃N₄), возможность нанесения покрытий на термочувствительные подложки (пластики и т.д.), так как процесс нанесения характеризуется низкими температурами до 900С. А также перенос нанокомпозитных материалов мишени на подложку без изменения их свойств.

На фирме “Изовак” разработаны ионные источники серии IBSS с различными конфигурациями ионного пучка, позволяющие проводить ионно-лучевое распыление мишеней как кольцевой, так и линейной геометрии, а также осуществлять косое напыление.

1.3.2.8 Ионно-лучевая очистка

Технология ионно-лучевой очистки предназначена для финишной очистки поверхности подложки пучком ускоренных ионов с энергией до 1500 эВ от молекулярных частиц, адсорбированных газов, полимерных фрагментов, паров воды, а также для атомарной активации поверхностных связей подложки непосредственно перед нанесением тонкопленочного покрытия. Применение технологии ионно-лучевой очистки гарантирует существенно более высокую степень адгезии по сравнению с традиционными методами (например, тлеющий разряд или плазменная очистка), что в итоге обеспечивает более длительную и надежную эксплуатацию деталей с покрытиями.

На фирме “Изовак” разработаны ионные источники серии IBCS с различными конфигурациями ионного пучка, позволяющие проводить ионно-лучевую очистку практически любых, в том числе и крупноформатных изделий. Достоинствами такой технологии являются высокая степень равномерности обрабатываемых изделий, возможность обработки под различными углами любых подложек (металлы, полупроводники, диэлектрики, полимеры), высокая скорость очистки.

Размещено на Allbest.ru