Ионно-лучевое и ионно-плазменное распыление

Если эффект испарения вещества связан с общим или локальным его разогревом, то распыление – это явление передачи момента импульса от налетающей частицы частицам поверхности мишени в результате серии последовательных столкновений с последующим отрывом атомов или молекул и переводом (инжекцией) распыленных атомов в газовую фазу или в вакуум (Рис.2.2).

а) б) в)

Рис.2.2. Схемы принципа ионного распыления-напыления (а) (Sputtering Gas – распылительный газ; Sputtering Taget – распылительная мишень; Sustrate and film growth – подложка и формиролвание пленки) и механизмов распыления атомов мишени (б) (Sputtered atom – распыляемый атом) и (в).

При ионно-лучевом или ионно-плазменном распылении поверхность мишени бомбардируют пучком ионов, имеющих энергию, превышающую энергию связи атомов мишени. В физических методах для бомбардировки, как правило, используют ионы благородных газов, в частности, аргона Ar⁺, имеющего массу, достаточную для распыления, и характеризующегося относительно малой стоимостью. Ионы аргона легко разгоняются до нужной энергии в электрическом поле и они химически инертны.

Характер взаимодействия бомбардирующих ионов с поверхностью твердого тела определяется их энергией (Рис.2.3).

Рис.2.3. Общая схема взаимодействия ионов с твердой поверхностью.

При энергиях, меньших энергии связи атомов в кристаллической решетке мишени, т.е. меньше 5 эВ, воздействие бомбардирующих ионов ограничивается физически адсорбированными слоями мишени, вызывая их десорбцию. При кинетических энергиях бомбардирующих ионов, превышающих энергию связи атомов в кристаллической решетке мишени, происходит разрушение приповерхностного слоя и выброс атомов в газовую фазу или вакуум (распыление). Минимальная энергия ионов, приводящая к выбиванию атомов с поверхности, называется пороговой энергией распыления. Значение ее находится в интервале энергий от 15 до 30 эВ. Важной характеристикой процессаионного распыления служит коэффициент распыления, определяемый количеством атомов, выбитых с бомбардируемой поверхности падающим ионом. При возрастании энергии бомбардирующих ионов свыше 100 эВ коэффициент распыления резко увеличивается и в области 5-10 кэВ выходит на насыщение. Дальнейшее повышение кинетической энергии свыше 100 кэВ приводит к снижению распыления, вызванному радиационными эффектами и внедрениями бомбардирующих ионов в кристаллическую решетку мишени (ионной имплантацией). Передача импульса от падающих ионов происходит в первых атомных слоях решетки. Например, при бомбардировке поверхности поликристаллической меди ионами аргона с энергией 1000 эВ глубина проникновения равнялась трем атомным слоям.

В установках для ионного распыления поток распыленных атомов создается либо в результате бомбардировки ионами плазменного разряда поверхности напыляемого материала, находящегося под отрицательным потенциалом или являющегося катодом тлеющего разряда (ионно-плазменное распыление), либо за счет бомбардировки ускоренными ионами, эмитированными автономным источником - ионной пушкой (ионно-лучевое распыление).

В технология ионно-лучевого распыления обычно используются пучки ионов с энергией порядка 1000 эВ, что обеспечивает поддержание низкой температуры подложки и ограничивает ее радиационное повреждение. При энергии свыше 1000 кэВ ионы проникают так глубоко, что лишь небольшое количество поверхностных атомов распыляется, и коэффициент распыления уменьшается. При этом удается наносит прецизионные нанослойные покрытия с высокой плотностью и низкой шероховатостью, причем стехиометрия формируемого покрытия идентична мишени. 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 полимерные подложки, так как процесс нанесения характеризуется низкими температурами (до 90⁰С). Кроме того возможен перенос материалов мишени сложного состава на подложку без изменения их свойств.

Коэффициент распыления зависит не только от природы бомбардирующих ионов, но и от природы материала мишени (распыляемого элемента - его положением в периодической системе и обратно пропорционален теплоте сублимации. Такие металлы как палладий, платина, золото имеют сравнительно высокий коэффициент распыления, тогда как углерод, титан и тантал – низкий.
Используются установки ионно-лучевого распыления, содержащие два ионных источника: источник ионов с холодным полым катодом на основе самостоятельного двухкаскадного разряда низкого давления для распыления мишеней и источник ионов Кауфмана холловского типа с открытым торцом для создания ассистирующего потока низкоэнергетических ионов. Ионно-лучевое распыление является методом анизотропного распыления с очень высоким разрешением, который обеспечивает хорошее качество покрытий, воспроизводимость и вносит минимальное загрязнение.
В некоторых методах испарения обработку ионным лучом подложки используют для улучшения качества формируемого покрытия. В этом случае ионная пушка, генерирующая ионы с энергией порядка нескольких кэВ, применяется в сочетании с испарительным источником. Ионы инертных газов структуру и состав наносимой пленки, делая ее более прочной и устойчивой к различным воздействиям.

Дата добавления: 2014-12-25