Для того, щоб атоми газу, що летять від випарника до підкладки, зазнавали мінімальну кількість зіткнень з атомами решти газу і тим самим мінімальне розсіювання, в просторі підковпака потрібно забезпечувати достатньо високий вакуум. Критерієм необхідного вакууму може служити умова, щоб середня довжина вільного пробігу у декілька разів перевищувала відстань між випарником і підкладкою. Проте цієї умови часто недостатньо, оскільки будь-яка кількість залишкового газу може стати забрудненням напилюваної плівки і зміною її властивостей. Тому в принципі вакуум в установках термічного напилення має бути якомога вищим. У даний час вакуум нижче 10-6 мм рт. ст. вважається за неприйнятний, а у ряді установок він доведений до 10-11 мм рт. ст.[3]
Головними достоїнствами розглянутого методу є його простота і можливість отримання виключно чистих плівок (при високому вакуумі). Проте у нього є і серйозні недоліки: важкість напилення тугоплавких матеріалів і неможливість відтворення на підкладці хімічного складу випаровуваної речовини. Останнє пояснюється тим, що при високій температурі хімічні сполуки диссоціюють, а їх складові конденсуються на підкладці роздільно. Природною є вірогідність того, що нова комбінація атомів на підкладці не відповідатиме структурі початкової молекули.[3]
Схема цього методу показана на рис.3.2. Тут більшість компонентів ті ж, що і на рис.3.1. Проте відсутній випарник; його місце по розташуванню (і по функціях) займає катод 6, який або складається з напилюваної речовини, або електрично контактує з нею. Роль анода виконує підкладка разом з утримувачем.[3]
Простір підковпака спочатку відкачують до 10-5 – 10-6 мм рт. ст., а потім в нього через штуцер 8 вводять деяку кількість очищеного нейтрального газу (частіше за весь аргон), так що створюється тиск 10-1 – 10-2 мм рт. ст. При подачі високої (2 – 3 кВ) напруги на катод (анод заземляють з міркувань електробезпеки) в просторі анод-катод виникає аномальний тліючий розряд, що супроводиться виділенням – іонної плазми.
Рис 3.2. Катодне напилення
Специфіка аномального тліючого розряду полягає в тому, що в прикатодному просторі утворюється настільки сильне електричне поле, що позитивні іони газу, що прискорюються цим полем і бомбардуючий катод, вибивають з нього не тільки електрони (необхідні для підтримки розряду), але і нейтральні атоми. Тим самим катод поступово руйнується. У звичайних газорозрядних приладах руйнування катода не допустиме (тому в них використовується нормальний тліючий розряд), але в даному випадку вибивання атомів з катода є корисним процесом, аналогічним випаровуванню.[3]Важливою перевагою катодного напилення в порівнянні з термічним є те, що розпилювання катода не пов'язане з високою температурою. Відповідно відпадають труднощі при напиленні тугоплавких матеріалів і хімічних сполук.[3]
Проте в даному методі катод (тобто напилюваний матеріал), будучи елементом газорозрядного ланцюга, повинний володіти високою електропровідністю. Таку вимогу обмежує асортимент напилюваних матеріалів. Зокрема, виявляється неможливим напилення діелектриків, зокрема багатьох оксидів і інших хімічних сполук, поширених в технології напівпровідникових приладів.[3]
Це обмеження значною мірою усувається при використанні так званого реактивного (або хімічного) катодного напилення, особливість якого полягає в додаванні до основної маси інертного газу невеликої кількості активних газів, здатних утворювати необхідні хімічні сполуки з матеріалом катода, що розпилюється. Наприклад, домішавши до аргону кисень, можна виростити на підкладці плівку оксиду. Домішавши азот або монооксид вуглецю - нітрид або карбіди відповідних металів. В залежності від парціального тиску активного газу хімічна реакція може відбуватися або на катоді (і тоді на підкладці осідає вже готове з'єднання), або на підкладці – аноді.[3]
Недоліками катодного напилення в цілому є деяка забрудненість плівок (через використання порівняно низького вакууму), менша в порівнянні з термічним методом швидкість напилення (з тієї ж причини), а також складність контролю процесів.[3]
3.3 Іонно-плазмове напилення
Рис 3.3. Іонно-плазмове напилення
Схема цього методу показана на рис 3.3. Головна його особливість в порівнянні з методом катодного напилення полягає в тому, що в проміжку між електродом 9 – мішенню (з нанесеним на неї напилюваним матеріалом) і підкладкою 4 діє незалежний, "черговий" газовий розряд. Розряд має місце між електродами 6 і 7, причому тип розряду – несамостійний дуговий. Для цього типу розряду характерні: наявність спеціального джерела електронів у вигляді розжарюваного катода (6), низька робоча напруга (десятки вольт) і велика щільність електронно-іонної плазми. Простір підковпака, як і при катодному напиленні, заповнений нейтральним газом, але при нижчому тиску (10-3 – 10-4мм рт. ст.).[3]
Процес напилення полягає в наступному. На мішень щодо плазми (практично – щодо заземленого анода 7) подається від’ємний потенціал (2-3кВ), достатній для виникнення аномального тліючого розряду і інтенсивного бомбардування позитивними іонами плазми. Атоми мішені потрапляють на підкладку і осідають на ній. Таким чином, принципових відмінностей між процесами катодного і іонно-плазмового напилення немає. Розрізняють лише конструкції установок: їх називають відповідно 2-х і 3-х електродними.[3]
Початок і кінець процесу напилення визначаються подачею і відключенням напруги на мішені. Якщо передбачити механічну заслінку, то її наявність дозволяє реалізувати важливу додаткову можливість: якщо до початку напилення закрити заслінку і подати потенціал на мішень, то матиме місце іонне очищення мішені. Воно корисне для підвищення якості напилюваної плівки. Аналогічне очищення можна проводити на підкладці, подаючи на неї (до напилення плівки) негативний потенціал.[3]
При напиленні діелектричних плівок виникає трудність, пов'язана з накопиченням на мішені позитивного заряду, що перешкоджає подальшому іонному бомбардуванню. Це долається шляхом використання так званого високочастотного іонно-плазмового напилення. У цьому випадку на мішень на ряду з постійною негативною напругою подається змінна напруга високої частоти (близько 15 МГц) з амплітудою, що перевищує постійну напругу. Тоді під час більшої частини процесу результуюча напруга негативна; при цьому відбувається звичайний процес розпилювання мішені і на ній накопичується позитивний заряд. Проте під час невеликої частини процесу результуюча напруга позитивна; при цьому мішень бомбардується електронами, тобто розпилювання не відбувається, та зате компенсується накопичений позитивний заряд.[3]
Варіант реактивного (хімічного) іонно-плазмового напилення відкриває ті ж можливості отримання оксидів, нітриду і інших з'єднань, що і реактивне катодне напилення.[3]
Переваги іонно-плазмового методу в порівнянні з катодним полягають в більшій швидкості напилення і більшій гнучкості процесу (можливість іонного очищення, можливість відключення робочого ланцюга без переривання розряду і ін.). Крім того, на якості плівок позначається вищий вакуум.[3]
Один з варіантів хімічного іонно-плазмового напилення називають анодуванням. Цей процес полягає в окисленні поверхні металевої плівки (що знаходиться під позитивним потенціалом) негативними іонами кисню, що поступають з плазми газового розряду. Для цього до інертного газу (як і при чисто хімічному напиленні) слід додати кисень. Тому, що анодування здійснюється не нейтральними атомами, а іонами.[1]
Хімічне напилення і анодування проходять спільно, оскільки в газорозрядній плазмі (якщо вона містить кисень) співіснують нейтральні атоми і іони кисню. Для того, щоб анодування переважало над чисто хімічним напиленням, підкладку розташовують лицем (тобто металевою плівкою) убік, протилежно катоду, щоб на неї не попадали нейтральні атоми.
У міру наростання окисного шару струм в анодному ланцюзі падає, оскільки оксид є діелектриком. Для підтримки струму потрібно підвищувати живлячу напругу. Оскільки частина цієї напруги падає на плівці, процес анодування протікає в умовах великої напруженості поля в окисній плівці. У результаті і надалі вона володіє підвищеною електричною міцністю.[1]
До інших переваг анодування відносяться велика швидкість окислення і можливість управління процесом шляхом зміни струму в ланцюзі розряду. Якість оксидних плівок, що отримуються даним методом, вище, ніж при використанні інших методів.[1]
Цей метод отримання плівок відрізняється від попередніх тим, що робочим середовищем є рідина. Проте характер процесів схожий з іонно-плазмовим напиленням, оскільки і плазма і електроліт є квазінейтральною сумішшю іонів і неіонізованих молекул або атомів. А головне, осадження відбувається також поступово (пошарово) як і напилення, тобто забезпечує можливість отримання тонких плівок.[2]
Електрохімічне осадження історично розвинулося значно раніше за інші розглянуті методи – ще в XIX столітті. Вже десятки років назад воно широко використовувалося в машинобудуванні для різного роду гальванічних покриттів (нікелювання, хромування і т. п.). У мікроелектроніці електрохімічне осадження не є альтернативою термічному і іонно-плазмовому напиленню; воно доповнює їх і поєднується з ними.[4]