2. 6. Катодное распыление.
Оно представляет собой процесс разрушения отрицательного электрода (катода) в газовом разряде под действием бомбардировки положительными ионами. Схема метода приведена на рис. 10. Стационарный тлеющий разряд зажигается между приблизительно параллельными плоскими катодом и заземленным анодом в среде инертного газа. Обычно разряд возникает при давлениях газа 10 – 0,1 Па и разности потенциалов 0,5 – 5 кВ между катодом и анодом, находящимися на расстоянии 2 – 4 см. На аноде размещают подложки для осаждения атомов металла, испаренных с катода. Положительные ионы, генерируемые в плазме тлеющего разряда электронами, эмитируемыми с анода, бомбардируют катод и выбивают из него атомы. Падающий ион нейтрализуется у поверхности мишени (катода) и движется в глубь распыляемого вещества мишени, упруго сталкиваясь с ее атомами. В результате образуется группа атомов, выбитых из узлов кристаллической решетки. Часть смещенных таким образом атомов может достичь поверхности мишени и выйти за ее пределы. Эти атомы обычно электрически нейтральны и достигают анода, практически не не соударяясь с газовыми молекулами.
Для каждой пары бомбардирующий ион – распыляемое вещество существует минимальная пороговая энергия иона, начиная с которой может происходить катодное распыление. Основным достоинством данного метода является возможность осаждения тугоплавких металлов, таких как вольфрам, молибден, тантал и др.
Метод катодного распыления, как правило, уступает методам осаждения из молекулярных пучков по плотностям конденсирующихся атомов и требует более сложного оборудования, но превосходит его по универсальности, особенно когда требуется диспергировать тугоплавкие металлы и их сплавы.
2. 7. Магнетронное распыление.
Широкое распространение получил магнетронный режим катодного распыления благодаря существенному повышению скорости осаждения. Принцип этого метода состоит в использовании скрещенных электрических и магнитных полей (рис. 11), причем последние располагаются так, что магнитные силовые линии проходят параллельно распыляемой поверхности. При такой конфигурации полей путь электронов в плазме существенно удлиняется. Благодаря этому почти на два порядка повышается интенсивность разряда и соответственно скорость осаждения. Мишень имеет прямоугольную форму, на поверхности которой в районе выхода и входа магнитных силовых линий возникает «дорожка распыления». Напыляемые подложки (на схеме не показаны) расположены над мишенью и для достижения равномерности пленок по составу и структуре подвергаются вращению.
Магнетронное напыление весьма универсально, его можно применять не только для металлических, но и для неметаллических мишеней. При магнетронном напылении температура подложки невелики (менее 100-2000С), что расширяет возможности получения наноструктурных пленок с небольшим размером зерен и аморфных пленок.
Кроме того, в качестве мишеней можно использовать не только индивидуальные металлы, но и сплавы. В частности, таким способом были получены пленки сплавов системы хром – железо на алюминиевой подложке, кадмий – вольфрам на танталовой подложке, с размером зерен меньше 20 нанометров.
Современные установки магнетронного напыления дополняются дополнительными источниками ионов для получения многокомпонентных пленок и покрытий с наноразмерным зерном и уникальными эксплуатационными свойствами. То есть, это уже своеобразные комбайны.
Для испарения металлической мишени используют потоки высокой энергии (до десятков кэВ), получаемые при бомбардировке ионами инертных газов (Ar+, Ne+, Kr+), а также ионами некоторых металлов, например Hg+ и Ag+. Предварительно ионы инертного газа, ускоренные до соответствующей энергии, проходят «очистку» по скоростям в специальном селекторе ионов (фильтр Вины), содержащем магнит с перпендикулярным к нему отклоняющим электрическим полем. Бомбардировка ионами поверхности металлической мишени происходит в вакууме. В результате вторичной ионной эмиссии с металлической поверхности испускаются кластерные ионы. Они могут конденсироваться на подложке в режиме вакуумного распыления или кластерного пучка.