Pulverizare cu magnetron

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 25 ianuarie 2022; verificarea necesită 1 editare .

Pulverizarea cu magnetron  este o tehnologie de depunere a peliculelor subțiri pe un substrat folosind pulverizarea catodică a unei ținte într-o plasmă a unei descărcări de magnetron  - o descărcare de diodă în câmpuri încrucișate. Dispozitivele tehnologice concepute pentru a implementa această tehnologie se numesc sisteme de pulverizare cu magnetron sau, pe scurt, magnetroni (a nu se confunda cu magnetronii de vid  - dispozitive concepute pentru a genera oscilații cu microunde ).

Descărcare cu magnetron

O descărcare de magnetron este o descărcare de gaz de diodă în câmpuri încrucișate (există o regiune de spațiu în volumul de descărcare în care câmpurile electrice și magnetice sunt ortogonale unul față de celălalt ; liniile câmpului magnetic sunt direcționate peste liniile curente ).

Istoricul descoperirilor

În 1898, cercetătorul britanic Phillips a descris apariția unei descărcări electrice inelare care are loc în jurul spațiului dintre electrozii tijei dintr-un bec de sticlă sub presiune redusă atunci când este pornit un câmp magnetic axial. În 1913 prof. Strutt a interpretat descărcarea Phillips ca o descărcare electrică în câmpuri încrucișate - un câmp magnetic axial și unul electric radial. El a sugerat că un câmp electric radial este creat de o sarcină pozitivă acumulată în timpul descărcării anterioare pe peretele becului opus spațiului dintre electrozi, iar ionizarea gazului este cauzată de particulele negative în timpul rulării lor extinse pe câmpul magnetic de la axă la peretele becului. Strutt a instalat un anod inelar în jurul capetelor electrozilor tijei și a obținut o descărcare inelă stabilă. Cea mai mare contribuție la studiul descărcării magnetronului a fost făcută de fizicianul olandez F. M. Penning. Alături de alte aplicații ale descărcării magnetronului (ca sursă de ioni , un senzor de măsurare a vidului , o pompă de ioni), el a propus utilizarea unei descărcări de magnetron pentru pulverizare și acoperire [1] .

Fundamente fizice

Din punctul de vedere al mecanismului de emisie de electroni , o descărcare de magnetron DC este o descărcare strălucitoare anormală . Electronii părăsesc suprafața catodului din cauza emisiei ion-electron sub acțiunea bombardamentului ionic . Datorită faptului că coeficientul de emisie ion-electron este foarte mic, curentul ionic către catod depășește curentul electronic cu cel puțin un ordin de mărime. Echilibrul particulelor încărcate din plasmă este asigurat de ionizarea atomilor de gaz neutru de către electroni accelerați de câmpul electric din spațiul catodic întunecat.

Spre deosebire de o descărcare luminoasă, în care un electron care nu suferă coliziuni va fi accelerat liber de un câmp electric până când părăsește regiunea scăderii potențialului catodic (spațiul catodic întunecat), prezența unui câmp magnetic transversal determină electronul să-și îndoaie. traiectorie sub influenţa forţei Lorentz . Cu un câmp magnetic suficient, electronul se va întoarce la catod cu energie aproape zero și va începe din nou mișcarea accelerată sub acțiunea câmpului electric. Traiectoria mișcării sale va fi o cicloidă , electronul se deplasează de-a lungul suprafeței catodului într-o direcție perpendiculară atât pe câmpul electric, cât și pe câmpul magnetic. Electronul se află într-o „capcană”, pe care o poate părăsi doar ciocnind cu o altă particulă. Apoi se va trece la o nouă traiectorie, situată ceva mai departe de catod, și tot așa până când câmpurile vor fi slăbite, cea magnetică datorită distanței de polii sistemului magnetic, cea electrică datorită ecranării cu plasmă. Datorită prezenței unei capcane, eficiența ionizării de către electronii emiși crește de multe ori, ceea ce face posibilă, spre deosebire de descărcarea unei diode convenționale, obținerea unei densități ridicate de curent ionic și, prin urmare, rate mari de pulverizare la presiuni relativ scăzute de de ordinul 0,1 Pa și mai jos. Pentru ca capcana să funcționeze eficient, este necesar să se excludă scurgerea electronilor către anod de-a lungul liniilor câmpului magnetic, iar traiectoriile de deriva trebuie să fie închise.

Fundamentele tehnologiei

Semnificația tehnologică a pulverizării cu magnetron constă în faptul că ionii care bombardează suprafața catodului (țintei) îl pulverizează. Tehnologiile de gravare cu magnetron se bazează pe acest efect și, datorită faptului că substanța țintă pulverizată, depusă pe substrat, poate forma un film dens, pulverizarea cu magnetron a primit cea mai largă aplicare.

Pulverizare țintă

Când ionii se ciocnesc cu suprafața țintă, impulsul este transferat materialului [2] [3] . Ionul incident provoacă o cascadă de ciocniri în material. După multiple ciocniri, pulsul ajunge la un atom situat pe suprafața materialului, care se desprinde de țintă și se depune pe suprafața substratului. Numărul mediu de atomi ejectați per ion de argon incident se numește eficiența procesului, care depinde de unghiul de incidență, de energia și masa ionului, de masa materialului evaporat și de energia de legare a atomului în material. În cazul evaporării materialului cristalin, eficiența depinde și de aranjarea rețelei cristaline.

Particulele care părăsesc suprafața țintă sunt depuse sub formă de peliculă pe substrat și sunt, de asemenea, împrăștiate parțial pe moleculele de gaze reziduale sau depuse pe pereții camerei cu vid de lucru.

Pulverizarea metalelor și aliajelor

Depunerea metalelor și aliajelor se realizează într-un mediu gazos inert , de obicei argon . Spre deosebire de tehnologia de evaporare termică, pulverizarea cu magnetron nu are ca rezultat fracţionarea ţintelor cu compoziţie complexă (aliaje).

Pulverizare reactivă

Pentru depunerea compușilor complecși, cum ar fi oxizi și nitruri , se utilizează așa-numita pulverizare cu magnetron reactiv. Un gaz reactiv (cum ar fi oxigenul sau azotul ) este adăugat la gazul de plasmă (argon ). În plasma unei descărcări de magnetron, gazul reactiv se disociază , eliberând radicali liberi activi , care interacționează cu atomii pulverizați depuși pe substrat, formând un compus chimic .

Magratron

De ceva vreme, termenul „Magratron” a fost întâlnit și în literatura sovietică. Silaba „Mag” în formă prescurtată însemna magnetron, „ra” - pulverizare, „tron” - un dispozitiv de descărcare electrică. Datorită intraductibilității sale în limbi străine, termenul nu a prins rădăcini, cuvântul „magnetron” a început să fie folosit în schimb.

Vezi și

• Epitaxie în fază gazoasă
• spray termic
• Pulverizare de ioni
• Tratament cu plasma

Note

1. ↑ Kuzmichev, 2008 , p. 42-51.
2. ↑ Sigmund, 1987 .
3. ↑ Behrisch, 2007 .

Literatură

• Danilin B.S., Syrchin V.K. Sisteme de pulverizare cu magnetron. - M . : Radio și comunicare, 1982. - 72 p.
• Kuzmichev AI Sisteme de pulverizare cu magnetron. - Kiev: „Avers”, 2008.
• Sigmund P. Mecanisme și teoria pulverizării fizice prin impactul particulelor  // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B Beam Interactions with Materials and Atoms. - 1987. - Vol. 27. - P. 1-20. - doi : 10.1016/0168-583X(87)90004-8 .
• Behrisch R. Sputtering by Particle bombardment: Experiments and Computer Calculations from Threshold to Mev Energies / ed. Eckstein W. — Berlin: Springer, 2007.
• Ivanovsky G. F. , Petrov V. I. Prelucrarea materialelor ion-plasmă. - M . : Radio și comunicare, 1986.
• Danilin B.S. Utilizarea plasmei la temperatură joasă pentru depunerea filmelor subțiri. — M .: Energoatomizdat, 1989. — 328 p.