Конденсация атомов на поверхности при катодном распылении

Диффузия распыленных атомов в газовой фазе

В условиях тлеющего разряда при давлениях, которые обычно используются (0,1-5 торр), длина свободного пробега почти всегда меньше пути, проходимого распыленными частицами. При этом характер их движения является диффузионным и часть распыленных атомов, сталкиваясь с молекулами газа, изменяют свое направление и возвращаются обратно на катод. Это явление получило название обратной диффузии. В результате обратной диффузии распыленных частиц на катод изменяется скорость распыления, или, точнее, скорость конденсации уменьшается с увеличением давления и расстояния катод-подложка.

В общем случае зависимость скорости распыления от давления и параметров может быть описана эмпирической формулой вида:

где U - величина катодного падения потенциала;

i - ток разряда;

d - среднее расстояние между катодом и подложкой;

Р - давление газа;

А и В - эмпирические константы, зависящие от рода газа и материала катода.

Процесс конденсации при катодном распылении существенно отличается от конденсации при термическом испарении. Так, при катодном распылении отсутствует критическая температура конденсации, и конденсация металлической пленки осуществляется практически при любых плотностях пучка. Методом катодного распыления без охлаждения подложки удается осадить такие металлы, которые при вакуумном испарении конденсируются только при дополнительном охлаждении. Энергия связи с подложкой при катодном распылении оказывается выше, чем при термическом испарении. С другой стороны, недостатком при получении пленок катодным распылением является присутствие рабочего газа. Молекулы газа, активированные разрядом, адсорбируются в напыленном слое, и пленка обычно содержит большое количество газа.

И все-таки метод катодного распыления позволяет избежать многих трудностей, возникающих при термическом испарении, и получать пленки металлов с низкими температурами конденсации, пленки тугоплавких металлов и соединений с контролируемыми свойствами.

Порядок выполнения работы

Получение пленок методом катодного распыления производится на установке, схема которой представлена на рис.9.

Рис.9. Схема установки катодного распыления

1-стеклянный колпак; 2-катод; 3-анод с подложками; 4-натекатель;

5,6,7,10-вакуумные краны; 8-паромасляный насос;9-форвакуумный насос

Основной частью поста, как и в работе №2, является стеклянный колпак (1), в котором в пространстве между катодом (2) и анодом (3) подается высокое напряжение и зажигается тлеющий разряд. Катод выполнен из медного цилиндра.

В качестве подложки используется покровное стекло, предварительно обработанное по вышеизложенной методике (см. работу №2). Подложка помещается на соответствующую подставку, служащую анодом. После загрузки при закрытом кране 4 открываем водопроводный кран для охлаждения диффузионного насоса (8), включаем форвакуумный наcoc (9). При этом кран 5 должен быть закрыт и открыты краны 6 и 7. При давлении не выше 10^-1 торр включаем нагреватель диффузионного насоса и откачиваем систему до давления порядка 10^-4 торр.

Теперь можно с помощью крана 4 из специального баллона (камеры) напустить в систему до требуемого давления соответствующий газ (Аг). Включить высокое напряжение и установить необходимый ток разряда (по миллиамперметру). Время обработки подложек, так же как и ток разряда, и расстояние от катода до подложек устанавливается преподавателем.

По истечении заданного времени выключить высокое напряжение, а после остывания катода закрыть краны 5 и 6 и напустить воздух (кран 4) в систему, произвести выгрузку и, если требуется, загрузку подложек. После загрузки новых подложек необходимо закрыть краны 4 и 7 (краны 5 и 6 закрыты), открыть кран 5, откачать установку до давления 10^-1 торр, закрыть кран 5 и открыть краны 6 и 7, откачать установку до рабочего давления и произвести напыление пленки.

Можно работать и не включая диффузионный насос, производя распыление катода в атмосфере остаточных газов. В этом случае, не открывая водопроводный кран для охлаждения диффузионного насоса, (вакуумные краны 6 и 7 закрыты), открываем кран 5 и откачиваем системy до предельно допустимого вакуума и производим распыление катода.

В процессе работы по выбору преподавателя могут быть выполнены следующие задания:

- определить толщину полученной пленки;

- вычислить скорость напыления пленок;

- исследовать зависимость скорости распыления и толщины пленки от тока разряда;

- исследовать зависимость толщины пленки от расстояния между катодом и подложкой.

При составлении отчета необходимо рассмотреть ряд вопросов:

1. Изменение параметров разряда в процессе опыта (величины изменений и как они могут сказаться на результатах).

2. Возможность термического испарения материала катода за счет его нагревания под действием разряда.

3. Подобрать аналитическое выражение, описывающее экспериментально полученную зависимость скорости распыления от параметров разряда. Найти неизвестные коэффициенты в этом выражении.

4. Обсудить влияние параметров разряда и условий получения пленки на ее толщину.

Дата добавления: 2014-12-23