Магнетронное распыление-напыление
Используя магнитное поле, эффективность ионизации около мишени может быть значительно улучшена. В обыденных планарных диодных процессах ионы образуются относительно далеко от мишени и вероятность потери своей энергии в результате столкновений достаточно велика.
Магнетрон – это катод в устройстве диодной плазмы, который может работать либо в режиме постоянного, либо в режиме переменного тока, хотя преобладающее большинство работает в режиме постоянного тока. В магнетроне используется базовый эффект, заключающийся в том, что электроны реагируют на магнитные поля вследствие действия силы Лоренца.
Поскольку сила направлена под прямыми углами к первоначальной скорости свободного электрона в магнитном поле, то это приводит к тому, что электрон движется по спирали вокруг линии магнитного поля. Это движение по спирали приводит к значительно большей длине пути электрона, и если он находится в плазме, значительно более высока вероятность того, что он ударится об атом рабочего газа и, возможно, вызовет ионизацию этого атома. Магнитные поля используются для интенсификации плазмы способом, приводящим к более высоким плотностям и более низким напряжениям разряда при постоянной приложенной мощности.
В магнетроне используется небольшое видоизменение этого явления, при котором электрон должен реагировать как на электрическое, так и на магнитное поле. Если эти поля находятся под прямым углом, электрон испытывает чистый дрейф, который имеет направление, перпендикулярное полям E и B. В физике твердого тела это явление называется эффектом Холла, и приводит к небольшому перепаду напряжения на проводнике, по которому проходит ток в присутствии большого магнитного поля. В магнетроне, однако, путь дрейфа электронов имеет такую конфигурацию, что этот путь замыкается часто в форме замкнутой петли. Замкнутый путь позволяет электронам передвигаться вокруг пути дрейфа несколько раз, в результате чего достигается высокая степень эффективности передачи энергии ионизирующим электронам плазмы. Это приводит к очень низким напряжениям разрядки, высоким токам (в амперах) и очень маленькому увеличению напряжения при увеличении тока.
Фактический путь вторичного электрона после того, как он покинет катод, является весьма сложным. Электрон движется по спирали вокруг линий магнитного поля, совершая колебания в радиальном направлении вдоль линий поля. Кроме того, поскольку электрон находится в плазме, он подвергается большому количеству пересечений с другими присутствующими заряженными частицами. Электрон при этом имеет намного больше эффективных столкновений с другими электронами, чем при движении в чисто электрическом поле. Увеличение эффективности ионизации атомов рабочего газа благодаря магнитному полю, позволяет поддерживать тлеющий разряд в процессе осаждения даже при давлениях порядка 10-2 Па, что существенно ниже, чем при работе с диодной схемой. Формирование пленок при более низких значениях давления в рабочей камере положительно влияет на качество получаемых тонкопленочных структур.
Переход от диодной схемы к магнетронным источникам распыления дает ряд положительных эффектов:
- увеличение скорости формирования тонких пленок;
- улучшение чистоты получаемых структур, за счет осаждения при более низком давлении;
- уменьшение теплового воздействия на подложку;
- возможность работы при меньших значениях напряжения, что позволяет отказаться от высоковольтных источников питания.
Реактивное магнетронное распыление
Реактивное распыление и в частности реактивное магнетронное распыление – процесс, при котором атомы, распыляемые с металлического катода, образуют соединение с молекулами рабочего газа на поверхности образца. В целом образование пленки соединения происходит на поверхности образца, не в газовой фазе или в полете. Однако это приводит к проблеме, заключающейся в том, что вокруг металлического катода образуется та же среда, что и составляет осаждающуюся пленку.
Если имеется достаточное количество реактивного газа, присутствующего для реагирования с металлом на поверхности пленки, как правило, поверхность катода реагирует тоже.
Если поток реактивного газа увеличивается до критического уровня, почти весь реактивный газ будет включаться в осаждающиеся пленки. Пленки в этой точке становятся насыщенными реактивными компонентами и приближаются к своему конечному составу. Однако при критическом потоке пленки становятся полностью насыщенными, и любой дополнительный реактивный газ, введенный в камеру, служит насыщению катода магнетрона, переключая его из металлического режима в режим реактивного химического соединения, который, как правило, имеет значительно более низкий выход. Это приводит к быстрому уменьшению скорости распыления и, как следствие, к быстрому уменьшению способности осажденных пленок генерировать реактивные компоненты. Система проходит необратимый порог при этом критическом потоке: скорость осаждения резко падает, напряжение разряда обычно изменяется из-за изменения поверхности катода, и реактивный компонент теперь больше полностью не поглощается осажденными пленками, поскольку скорость подачи распыленных атомов значительно падает.
Уменьшение потока реактивного газа не приводит к немедленному восстановлению металлического режима при давлениях чуть ниже критического потока. Это происходит потому, что катод по-прежнему находится в полностью прореагировавшем состоянии, и выход по-прежнему низкий. Необходимо перейти к значительно более низкому потоку для того, чтобы вернуться к металлическому режиму.
Преимущества реактивного распыления заключаются в том, что многие оксидные соединения могут образовываться с помощью относительно легко изготавливаемых металлических мишеней. Скорости осаждения этих материалов могут быть высокими, а процесс легирования достаточно простым если использовать нескольких магнетронных источников, либо композитных мишеней.