Катодное вакуумное распыление (диодное)

О сновано на явлении разрушения катода при бомбардировке его ионизированными молекулами разряженного газа. Атомы с поверхности катода осаждаются на приемной поверхности (подложке). Катодом является материал, предназначенный для распыления. Подложка располагается на аноде.

После откачки воздуха в камеру напускается рабочий газ. (Ar, N₂ до Р=10^-1-10^-2 мм.рт.ст.) Затем между анодом и катодом подается разность потенциалов ≈ несколько кV, которая вызывает пробой газового промежутка. Форма заряда зависит от давления рабочего газа, длины разрядного промежутка, геометрии электродов, ΔU, плотности разрядного тока (при малых плотностях I- возникает тлеющий разряд). Тлеющий разряд имеет характерное распределение разности потенциалов между анодом и катодом.

Наиболее важной с точки зрения физики разряда является область темного катодного пространства. Процесс ионизации в этой области является определяющим для поддержания разряда. Так приближение анода к границе этой области прекращает разряд. Почти все приложенное ΔU падает в области темнового катодного пространства. Ионы ускоряются и ударяются в катод. Ширина темнового катодного пространства Δd  1/Р газа. ΔdР →const для конкретного газа. Энергия ионов зависит от Δd и ΔU в этом пространстве. Бомбардировка катода ионами вызывает катодное распыление и эмиссию электронов (они нужны для поддержания разряда).

Эффективность катодного распыления характеризуется коэффициентом катодного распыления, который равен числу распыляемых атомов под действием 1-го иона.

Если разрядное напряжение (пробивное) близко к начальному, то такой разряд называется нормальным тлеющим. При увеличении разрядного тока вся поверхность катода начинает светиться. Разряд называется в этом случае аномальным тлеющим (коэффициент катодного распыления резко возрастает).

Процесс катодного распыления лучше всего объясняется импульсной теорией Вернера (ионы, ударяющие в катод, сообщают им энергию, достаточную для отрыва поверхностных атомов).

Оптимальным давлением рабочего газа является 10^-2- 10^-1 мм.рт.ст. При Р > или < этих значений скорость катодного распыления уменьшается. Оптимальным является расстояние от подложки до катода, вдвое больше . Оптимизация процесса катодного распыления связана с выбором давления, приложенной разности потенциалов, расстоянием от подложки до катода.

Различают физическое и реактивное катодное распыление.

Физическое - распыление проходит без химических реакций (состав пленки и катода одинаков).

Реактивное – расширяет возможности метода. В рабочую камеру вводят какой – либо газ, с молекулами которого распыляемое вещество образует химическое соединение. При получении окислов тугоплавленных металлов распыление проводят в смеси Ar и O₂; нитридов – Ar и N₂; карбидов – Ar и CO. Изменяя парциальное давление реактивного газа можно изменять состав и свойства пленок (пленки тантала получают с добавлением нитридов или оксидов, что улучшает их резистивные свойства). Установка напыления: УВН-62П-1.

Преимущества метода катодного распыления: лучше адгезия пленок при термическом напылении, т.к энергия атомов больше и они удаляют с подложки примеси, а окисный слой на подложке образуется легче.

• можно получать пленки тугоплавких металлов и их окислов.

• пленки по составу мало отличаются от распыляемых материалов.

Недостатки метода: контроль и управление методом достаточно сложное.

• пленки по составу более «грязные» из-за содержания в них остаточных газов.