Magnetronin sputterointi

Magnetronisputterointi  on tekniikka ohuiden kalvojen kerrostamiseksi substraatille käyttämällä magnetronipurkauksen plasmassa olevan kohteen katodisputterointia - diodipurkausta  ristikkäisissä kentissä. Tämän tekniikan toteuttamiseen suunniteltuja teknisiä laitteita kutsutaan magnetronisputterointijärjestelmiksi tai lyhyesti magnetroneiksi (ei pidä sekoittaa tyhjiömagnetroneihin  - laitteisiin, jotka on suunniteltu tuottamaan mikroaaltovärähtelyjä ).

Magnetron Discharge

Magnetronipurkaus on diodikaasupurkaus ristikkäisissä kentissä (purkaustilavuudessa on tilaa, jossa sähkö- ja magneettikentät ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden ; magneettikenttäviivat on suunnattu virtalinjojen poikki ) .

Löytöhistoria

Vuonna 1898 brittiläinen tutkija Phillips kuvaili rengasmaisen sähköpurkauksen ilmaantumista, joka tapahtuu lasikuvun tankoelektrodien välisen raon ympärillä alennetussa paineessa, kun aksiaalinen magneettikenttä kytketään päälle. Vuonna 1913 prof. Strutt tulkitsi Phillipsin purkauksen sähköpurkaukseksi ristikkäisissä kentissä - aksiaalisessa magneettikentässä ja säteittäisessä sähköisessä kentässä. Hän ehdotti, että säteittäinen sähkökenttä syntyy positiivisesta varauksesta, joka on kertynyt edellisen purkauksen aikana lampun seinämään elektrodien välistä rakoa vastapäätä, ja kaasun ionisaatio aiheutuu negatiivisista hiukkasista, kun ne kulkevat pitkään magneettikentän poikki akselilta lampun seinä. Strutt asensi rengasmaisen anodin sauvaelektrodien päiden ympärille ja sai vakaan rengaspurkauksen. Suurimman panoksen magnetronipurkauksen tutkimukseen antoi hollantilainen fyysikko F. M. Penning. Muiden magnetronipurkauksen sovellusten ohella ( ionilähteenä , alipainemittausanturina , ionipumppuna) hän ehdotti magnetronipurkauksen käyttöä sputterointiin ja pinnoittamiseen [1] .

Fyysiset perustat

Elektroniemissiomekanismin näkökulmasta DC-magnetronipurkaus on poikkeava hehkupurkaus . Elektronit poistuvat katodin pinnasta johtuen ioni-elektroniemissiosta ionipommituksen vaikutuksesta . Johtuen siitä, että ioni-elektroniemissiokerroin on hyvin pieni, katodille menevä ionivirta ylittää elektronivirran vähintään suuruusluokkaa. Varautuneiden hiukkasten tasapaino plasmassa saadaan aikaan neutraalien kaasuatomien ionisaatiolla elektronien toimesta, joita sähkökenttä kiihdyttää pimeässä katoditilassa.

Toisin kuin hehkupurkauksessa, jossa elektroni, joka ei koe törmäyksiä, kiihtyy vapaasti sähkökentän vaikutuksesta, kunnes se poistuu katodin potentiaalipudotuksen alueelta (tumma katoditila), poikittaisen magneettikentän läsnäolo saa elektronin taipumaan. lentorata Lorentzin voiman vaikutuksen alaisena . Riittävällä magneettikentällä elektroni palaa katodille lähes nollaenergialla ja aloittaa jälleen kiihdytetyn liikkeen sähkökentän vaikutuksesta. Sen liikerata on sykloidi , elektroni ajautuu katodin pintaa pitkin suuntaan, joka on kohtisuorassa sekä sähkö- että magneettikenttiä vastaan. Elektroni on "ansassa", josta se voi poistua vain törmäämällä toiseen hiukkaseen. Sitten se vaihtaa uudelle liikeradalle, joka sijaitsee hieman kauempana katodista, ja niin edelleen, kunnes kentät heikkenevät, magneettinen johtuen etäisyydestä magneettijärjestelmän navoista, sähköinen plasmaseulonnan vuoksi. Erottimen läsnäolon ansiosta emittoivien elektronien ionisaation tehokkuus kasvaa monta kertaa, mikä mahdollistaa, toisin kuin tavanomaisessa diodipurkauksessa, suuren ionivirrantiheyden ja siten suuren sputterointinopeuden suhteellisen alhaisissa paineissa. luokkaa 0,1 Pa ja alle. Jotta ansa toimisi tehokkaasti, on välttämätöntä sulkea pois elektronien vuotaminen anodille magneettikenttälinjoja pitkin, ja ajoradat on suljettava.

Tekniikan perusteet

Magnetronisputteroinnin teknologinen merkitys on siinä, että katodin (kohteen) pintaa pommittavat ionit sputteroivat sitä. Magnetronisyövytysteknologiat perustuvat tähän vaikutukseen, ja koska sputteroitu kohdeaine, joka on kerrostettu alustalle, voi muodostaa tiheän kalvon, magnetronisputterointi on saanut laajimman käytön.

Kohteen sputterointi

Kun ionit törmäävät kohteen pintaan, liikemäärä siirtyy materiaaliin [2] [3] . Tuleva ioni aiheuttaa materiaaliin törmäyskaskadin. Useiden törmäysten jälkeen pulssi saavuttaa materiaalin pinnalla olevan atomin, joka irtoaa kohteesta ja laskeutuu alustan pinnalle. Keskimääräistä ulostyöntyneiden atomien lukumäärää tulevaa argon-ionia kohti kutsutaan prosessin tehokkuudelle, joka riippuu tulokulmasta, ionin energiasta ja massasta, haihtuneen materiaalin massasta sekä atomin sitoutumisenergiasta . materiaalia. Kiteisen materiaalin haihduttamisen tapauksessa tehokkuus riippuu myös kidehilan järjestelystä.

Kohdepinnalta lähtevät hiukkaset kerrostuvat kalvon muodossa substraatille, ja ne myös siroutuvat osittain jäännöskaasujen molekyyleille tai kerrostuvat työtyhjiökammion seinille.

Metallien ja metalliseosten ruiskutus

Metallien ja metalliseosten kerrostaminen suoritetaan inertissä kaasuympäristössä , yleensä argonissa . Toisin kuin lämpöhaihdutustekniikka, magnetronisputterointi ei johda monimutkaisen koostumuksen omaavien kohteiden (seosten) fraktioitumiseen .

Reaktiivinen ruiskutus

Monimutkaisten yhdisteiden, kuten oksidien ja nitridien , kerrostamiseen käytetään niin kutsuttua reaktiivista magnetronisputterointia. Plasmakaasuun (argon) lisätään reaktiivista kaasua (kuten happea tai typpeä ). Magnetronipurkauksen plasmassa reaktiivinen kaasu dissosioituu vapauttaen aktiivisia vapaita radikaaleja , jotka ovat vuorovaikutuksessa substraatille kerrostuneiden sputteroitujen atomien kanssa muodostaen kemiallisen yhdisteen .

Magratron

Jo jonkin aikaa termi "Magratron" tavattiin myös Neuvostoliiton kirjallisuudessa. Tavu "Mag" lyhennetyssä muodossa tarkoitti magnetronia, "ra" - sputterointia, "tron" - sähköpurkauslaitetta. Vieraille kielille käännettävyyden vuoksi termi ei juurtunut, sen sijaan alettiin käyttää sanaa "magnetron".

Katso myös

• Kaasufaasi epitaksi
• lämpösuihke
• Ioniruiskutus
• Plasmahoito

Muistiinpanot

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

Kirjallisuus

• Danilin B.S., Syrchin V.K. Magnetronisputterointijärjestelmät. - M . : Radio ja viestintä, 1982. - 72 s.
• Kuzmichev AI Magnetron sputterointijärjestelmät. - Kiova: "Avers", 2008.
• Sigmund P. Hiukkasiskulla tapahtuvan fysikaalisen sputteroinnin mekanismit ja teoria  // Ydininstrumentit ja -menetelmät fysiikan tutkimuksessa Osa B Säteen vuorovaikutus materiaalien ja atomien kanssa. - 1987. - Voi. 27. - s. 1-20. - doi : 10.1016/0168-583X(87)90004-8 .
• Behrisch R. Sputterointi hiukkaspommituksella: Kokeilut ja tietokonelaskelmat kynnyksestä sähköenergiaan / toim. Eckstein W. – Berliini: Springer, 2007.
• Ivanovsky G. F. , Petrov V. I. Materiaalien ioniplasmakäsittely. - M . : Radio ja viestintä, 1986.
• Danilin B.S. Matalalämpötilaisen plasman käyttö ohuiden kalvojen kerrostamiseen. - M .: Energoatomizdat, 1989. - 328 s.