Давление паров металла в области катодного пятна достигает 105 Па, поэтому в зоне пятна не происходит взаимодействия с напускаемым газом. Взаимодействие реализуется в следующих областях: на катоде в зонах, остающихся после перемещения катодного пятна; непосредственно на поверхности подложки, где происходит реакция свеженапыленного слоя с газом; в разрядном промежутке при условии его достаточной протяженности.
Скорость перемещения катодного пятна в значительной степени зависит от состава и давления напускаемого газа. Эти параметры определяют скорость испарения и состав формируемого покрытия.
Конструктивно метод электродугового испарения наиболее прост; для его практической реализации используют стандартные сварочные выпрямители или генераторы. Это определяет значительные преимущества метода по сравнению с другими.
Один из наиболее серьезных недостатков метода-наличие капельной фазы в потоке частиц, поступающих на поверхность изделий - как правило, отрицательно влияет на электрофизические и оптические свойства пленок и ограничивает применение метода в радиоэлектронной и электротехнической промышленности. Этого недостатка лишены магнетронные распылительные системы.
МАГНЕТРОННЫЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ.
Действие магнетронного распылителя основано на распылении материала мишени-катода при его бомбардировке ионами рабочего газа, образующими в плазме аномально тлеющего разряда. Возникающая при этом вторичная эмиссия поддерживает разряд и обуславливает распыление материала мишени-катода. Магнетронная распылительная система (МРС) является одной из разновидностей схем диодного распыления.
Основные элементы МРС: катод, анод и магнитная система, предназначены для локализации плазмы у поверхности мишени – катода.
Наиболее широко применяют планарные магнетроны. Мишень – катод из распыляемого материала охлаждается проточной водой, поступающей по трубопроводу. На катод подаётся постоянное напряжение (300 … 800 В) через клемму от источника питания; под катодом расположена магнитная система, состоящая из центрального и периферийных постоянных магнитов, расположенных на основании из магнитомягкого материала. Все элементы смонтированы на корпусе, присоединенном к вакуумной камере изолирующими вакуумно-плотными прокладками.
Основные преимущества магнетронного способа распыления – высокая скорость нанесение плёнки и точность воспроизведения состава распыляемого материала. Магнетронное распыление позволяет получать покрытия практически из любых металлов, сплавов и полупроводниковых материалов без нарушения стехиометрического состава. В зависимости от состава рабочей атмосферы (долей кислорода, азота, диоксида углерода, сернистых газообразных соединений) можно получать плёнки оксидов, нитритов, карбидов, сульфитов различных материалов, в том числе и таких, которые невозможно получить методом термического испарения.
Скорость конденсации при магнетронном распылении зависит от силы тока разряда или мощности и от давления рабочего газа, что определяет жесткие требования к источникам питания. Для обеспечения воспроизводимости и стабильности процесса силу тока разряда необходимо поддерживать с точностью ±2 %; если же стабилизация процесса осуществляется по мощности разряда, то подводимую мощность следует поддерживать с точностью ± 20 Вт в диапазоне регулирования от 0 до 10 кВт. В качестве рабочей среды при магнетронном распылении используют смесь инертного и реакционных газов. Подбором парциальных давлений компонентов газовой смеси при постоянном общем давлении, поддерживаемом с точностью ±5 %, можно в широких пределах изменять оптические и электрические характеристики покрытия. Это, в свою очередь требует оснащение вакуумных установок насосами, обеспечивающие постоянную скорость откачки в рабочем диапазоне давлений. Состав получаемых соединений (оксидов, карбидов, нитритов) зависит от чистоты применяемых газов и распыляемых материалов, поэтому требуются сложные системы откачки газов и высокочистые материалы для распыления.
Метод магнетронного распыления с постоянной силой тока не позволяет получать плёнки оксидов при высокой скорости распыления из за резкого окисления катода–мишени. В этих случаях целесообразнее применять высокочастотное магнетронное распыление, реализующее возможность распыление диэлектрических материалов в магнитном поле без изменения стехиометрического состава при увеличенной скорости испарения.
Не смотря на некоторые преимущества непосредственного распыления диэлектриков ВЧ – магнетроном, этот способ отличается незначительной скоростью конденсации и, вследствие этого, низкой производительностью. Имеются опредёленные трудности в согласовании источника питания магнетрона с нагрузкой при работе на высоких частотах; кроме того, источник питания должен быть снабжен системой гашения дуговых разрядов, являющихся причиной нестабильности рабочих параметров магнетронной распылительной системы.
По принципу работы вакуумные установки с ионно-плазменными источниками распыления можно разделить на установки периодического и непрерывного действия.
В установках периодического действия распылительные устройства располагают по оси цилиндрической камеры, либо по её образующей, в первом случае используют цилиндрические распылительные устройства; во втором планарные. Подложки транспортируются через зону плазмы. Установки периодического действия применяют для нанесения покрытий на полимерную плёнку или бумагу. Для снижения температуры подложки при магнетронном распылении следует: следует улучшать тепловой контакт подложки с охлаждаемым барабаном; изготовлять барабан из материала с высокой теплопроводностью либо увеличивать теплопроводность газовой прослойки между барабаном и плёнкой; охлаждать барабан до температуры 243 … 253К; расширять зону нанесения покрытия и увеличивать диаметр барабана. Повышенная скорость газовыделения подложки , а также вероятность взаимодействия ионизированных газов с осаждающемся металлом обуславливают использование конденсационных вакуумных ловушек.
Для нанесения покрытий сложного состава или многослойных покрытий на плоские подложки перспективны установки непрерывного действия. Обычно установки непрерывного действия состоят из ряда плоских прямоугольных камер, разделённых шлюзами и затворами. наиболее распространены установки с распылением сверху вниз, а также установки с вертикальным перемещением подложек и боковым размещением распылительных устройств. В таблице приведены скорости осаждения различных сплавов и соединений при использовании планарного магнетрона мощностью 5 кВт.
Таблица 3
| Материал | Uос, мкм/(Вт с) | Материал | Uос, мкм/(Вт с) | Материал | Uос, мкм/(Вт с) |
| AlSi | 4,08 | Бронза | 6,80 | Cr2O3 | 4,59 |
| WTi | 2,04 | Латунь | 6,80 | InSnO2 | 2,38 |
| NiCr | 4,08 | WC | 1,87 | CdSnO2 | 3,57 |
| CuNi | 5,78 | TiO2 | 2,38 | Al2O3 | 2,38 |
| FeNi | 3,91 | Ta2O5 | 3,57 | TiN | 0,85 |
| CuTiFe | 7,48 |
Магнетронное распыление позволяет существенно расширить класс материалов, получаемых в виде плёнок, однако этот метод дорогостоящий, требует использования сложного оборудования и высокой культуры производства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме; А.И. Костржицкий, В.Ф. Карпов, М.П. Кабанченко, О.Н. Соловьёва, «Машинострение» 1991
2. Защита от коррозии, старения и биоповреждений: Справочник А.А. Герасименко, «Машиностроение» 1987