Метод магнетронного распыления в PVD-технологиях: от физики процесса до инженерных решений

Магнетронное распыление – это один из методов физического осаждения тонких пленок из газовой фазы (англ. Physical Vapor Deposition, PVD), позволяющий получить плотные покрытия с хорошей адгезией. Метод широко применяется во многих современных отраслях, от покрытия упаковок для пищевой промышленности до создания нанометровых структур при производстве полупроводниковых элементов.

Физические основы процесса

Метод основан на катодном распылении мишени в плазме магнетронного разряда. Специально сконфигурированное магнитное поле создает ловушку для электронов вблизи поверхности катода. Это позволяет эффективно ионизовать рабочий газ и добиться высоких значений ионного тока.

В качестве анода, как правило, выступают заземленные стенки вакуумной камеры и подложка. Мишень либо является катодом, либо располагается в непосредственной близости от него, соприкасаясь с плазмой. Поток ионов выбивает молекулы из мишени, которые, в свою очередь, оседают на подложке и стенках камеры.

Ключевые аспекты технологии

За счет высокой плотности плазмы магнетронный разряд может поддерживаться при низких давлениях (до 10⁻³ Торр), что снижает рассеяние высокоэнергичных молекул или атомов, выбитых из мишени, а также минимизирует влияние рабочего газа на подложку. При этом скорость напыления остается конкурентоспособной по сравнению с другими методами PVD.
В качестве рабочего газа для разряда часто выступает аргон. Он, с одной стороны, являясь инертным газом, не реагирует с мишенью или подложкой, с другой стороны, он достаточно тяжелый, чтобы придавать высокую энергию выбитым молекулам мишени.
Во время работы магнетрона мишень претерпевает значительную тепловую нагрузку, поэтому, во избежание расплавления и разрушения, к ней необходимо подводить водяное охлаждение.
Перед тем как инициировать магнетронный разряд, вакуумную камеру откачивают до предельного вакуума. Это позволяет исключить влияние остаточного газа на техпроцесс. Чем выше требования к покрытию (наличие включений или неоднородностей), тем выше требования к чистоте камеры и к предельному вакууму. Степень чистоты рабочего газа также важна.
Рабочее давление магнетронного разряда часто находится вблизи верхней границы работы высоковакуумного насоса. Поэтому, чтобы снизить газовую нагрузку на насос, часто используется система с регулируемым положением вакуумного затвора.
Регулировка напряжения катода позволяет контролировать энергию выбитых молекул мишени, тем самым контролируя свойства покрытия. Так как напряжение катода обычно составляет порядка киловольта, то энергия молекул достигает более высоких значений, по сравнению с тепловыми методами (термического или электронно-лучевого испарения).
При распылении ферромагнитных материалов удерживающее магнитное поле ослабляется мишенью. В этом случае применяют усиленную магнитную сборку, позволяющую создавать поле даже сквозь нетолстый слой ферромагнетика.
Силовые линии магнитного поля распределены по поверхности мишени не равномерно, поэтому бомбардировка ионами происходит не по всей мишени, а в неширокой полосе, пролегающей по периметру. Это приводит к тому, что коэффициент использования мишени в планарных магнетронах обычно не превышает 30-40%.
В некоторых техпроцессах может быть приложено напряжение смещения на подложку. Небольшой (до 100 В) отрицательный потенциал помогает создать поток ионов рабочего газа, позволяя контролировать свойства покрытия.

Технологии магнетронного распыления можно разделить на два типа: распыление в инертном газе и реактивное. В первом случае в камере присутствует только инертный газ для поддержания газового разряда. Выбитые из мишени молекулы или атомы достигают подложки в неизменном состоянии. В случае реактивного распыления в камеру, кроме инертного газа, напускается активный газ – чаще всего кислород или азот. Выбитые из мишени атомы вступают в химическую реакцию с этим активным газом, в результате чего на подложке образуется более сложное соединение (оксид, нитрид).

Типы магнетронов

Подразделение магнетронов на типы может происходить по разным критериям.

По конфигурации магнитного поля различают сбалансированные и несбалансированные магнетроны

В случае сбалансированного магнитного поля все магнитные линии замыкаются вблизи катода, газовый разряд происходит в строго ограниченной области. Это позволяет добиться высоких скоростей осаждения пленки.
В случае несбалансированного магнитного поля часть магнитных линий позволяет электронам из газового разряда двигаться к подложке, ионизуя рабочий газ в ее окрестностях. Возникающий ионный поток позволяет добиться лучшей адгезии, а также плотности пленки.

По схеме подачи воды различают магнетроны с прямым и косвенным охлаждением мишени

Системы с прямым охлаждением мишени позволяют более эффективно отводить тепло. Это достигается за счет того, что мишень здесь является конструктивным элементом вакуумной схемы. Она соединяется с корпусом магнетрона с использованием эластомерного уплотнения. Поток охлаждающей воды непосредственно протекает по поверхности мишени. Тем самым мощность разряда, а вместе с ней и скорость напыления могут быть увеличены. Однако в такой схеме высок риск попадания воды внутрь вакуумной камеры во время работы магнетрона. Это может произойти либо из-за деформации мишени при нагреве (часто в случае больших мишеней) и нарушения герметичности уплотнения, либо из-за чрезмерного истончения мишени в процессе эксплуатации при недосмотре оператора.
В системах с косвенным охлаждением мишень не является частью конструкции магнетрона. Катод выполнен в виде медной пластины и прикреплен к корпусу при помощи неразборного соединения. Теплоотвод обеспечивается за счет плотного прижатия мишени к охлаждаемому водой катоду. Такие системы работают при меньшей мощности, однако более надежны и более просты в обслуживании при замене мишени.

По типам системы питания магнетроны делятся на: постоянного тока (DC), высокочастотные (ВЧ, на англоязычных ресурсах RF), импульсные, HiPIMS

Магнетроны с системой питания постоянного тока широко распространены, являясь самыми простыми из перечисленных типов. В данном случае система питания обеспечивает фиксированный потенциал на катоде, происходит классический магнетронный разряд. Этот тип системы питания применяют в случаях, когда параметры системы стабильны и слабо зависят от времени. Он прекрасно подходит для распыления металлов.
Высокочастотные магнетроны применяются при распылении диэлектриков. В этом случае вблизи мишени возникает высокочастотный разряд, для которого непроводящую мишень можно рассматривать как электрод, обладающий соответствующим импедансом. Наиболее распространены системы с частотой 13.56 МГц.
Система питания должна быть дополнена согласующим устройством, зачастую поставляемым отдельно и представляющим собой, например, конденсатор с переменной емкостью.
Этот тип можно применять и для проводящих мишеней, но эффективность будет ниже по сравнению с системами постоянного тока, так как значительная часть энергии идет на колебания ионов, а не на выбивание частиц из мишени.
Импульсные системы питания применяют при реактивном напылении металлов. В этом случае за счет реакции с активным газом на поверхности мишени может образовываться неоднородная диэлектрическая пленка. При этом происходит ее поляризация, накопление заряда, возникают неконтролируемые микроразряды, приводящие к нестабильности процесса напыления или образованию капель. Импульсные системы питания, наряду с импульсами отрицательного катодного напряжения, используют положительные импульсы для снятия накопившегося на пленке заряда.
Системы питания HiPIMS (англ. High Power Impulse Magnetron Sputtering) позволяют увеличить плотность и адгезию напыляемых пленок. За счет использования коротких мощных импульсов (до МВт), плотность плазмы в разряде может быть значительно увеличена. Это приводит к тому, что до 90% атомов, выбитых из мишени, оказываются ионизированы. Контроль энергии этих ионов дает дополнительные степени свободы техпроцесса. Например, можно добиться покрытий с большей плотностью, снизить температурный порог химической реакции для реактивного распыления, улучшить адгезию, а также контролировать другие свойства пленок.

Геометрическая конфигурация

Геометрическая конфигурация магнетронных распылительных систем может классифицироваться по различным признакам.

По расположению мишеней: планарные, конфокальные, цилиндрические

Планарные системы – это традиционная конфигурация, где мишень выполнена в виде плоского листа (диск для круглых магнетронов или прямоугольник для прямоугольных). Подложка располагается непосредственно напротив мишени. В этом случае можно получить покрытия с наивысшей однородностью и лучшей производительностью. Чтобы избежать краевых эффектов, размер подложки должен быть меньше размера мишени.

За счет того, что мишень равноудалена от всех точек подложки, достигается наибольшая однородность свойств покрытия, таких как сопротивление, показатель преломления и др. В такой конфигурации создается однонаправленный поток атомов мишени, что важно, например, для таких процессов как lift-off. Еще одним преимуществом является возможность контролировать расстояние между подложкой и мишенью, что позволяет подобрать оптимальные параметры производительности и однородности.

Конфокальная конфигурация используется в тех случаях, когда необходимо наносить многослойные покрытия или напылять несколько материалов одновременно. В этом случае несколько круглых магнетронов с плоской мишенью расположены под углом и направлены на подложку с разных сторон. Несмотря на уменьшение однородности покрытия и снижение скорости напыления по сравнению с планарной конфигурацией, конфокальное расположение магнетронов позволяет поочередно наносить материалы с разных мишеней, что необходимо при формировании многослойных покрытий.

Кроме того, конфокальная конфигурация позволяет задействовать несколько мишеней одновременно для создания сложных компаундов. Еще одним преимуществом является то, что подложка может быть в два раза больше катода, что позволяет сэкономить на материале мишени. Также при конфокальном расположении магнетронов меньше материала оседает на стенках камеры, что важно, например, при напылении драгоценных металлов.

Цилиндрические магнетроны позволяют наносить покрытия на 3-х мерные объекты. В этом случае мишень представляет собой внутреннюю поверхность полого цилиндра, а напыление происходит по направлению к оси. Это позволяет наносить равномерные покрытия со всех сторон на объекты сложной формы, например, на медицинские стенты. Также данная конфигурация позволяет в 2 или 3 раза более эффективно использовать мишень по сравнению с планарными магнетронами.

По положению подложки: подложка снизу, подложка сверху, системы барабанного типа

Распространенной конфигурацией является положение подложки снизу. При этом планарный магнетрон или конфокальная система расположены над подложкой. В этом случае доступ к магнетронам облегчен, что добавляет удобства в обслуживании и настройке параметров. Однако в такой конфигурации при интенсивном напылении на подложку могут падать фрагменты материала, образованные на элементах распылительной системы или на стенках.
Положение подложки сверху позволяет минимизировать загрязнение напыляемой пленки. В то же время данная конфигурация позволяет совмещать магнетронные распылительные системы с другими PVD методами (термическое испарение, испарение электронным лучом). Однако в таких системах обслуживание магнетронов затруднено.
В системах барабанного типа магнетроны (зачастую прямоугольные) расположены вертикально на стенках цилиндрической вакуумной камеры. Подложки при этом закреплены на вращающемся барабане в центре камеры. Это позволяет наносить многослойные покрытия и получить наибольший выход продукции за одну загрузку по сравнению с другими конфигурациями.

«АкадемВак» — технологии под ваши задачи: от идеи до производства

Компания «АкадемВак» расположена в сердце Сибири, в Новосибирском Академгородке. Мы разрабатываем, производим и поставляем современные установки вакуумного напыления, которые подходят для решения широкого круга задач - от научных исследований до серийного производства.

Широкий модельный ряд и разнообразная компоновка позволяют подобрать решение, максимально адаптированное под задачу клиента.

Высокопроизводительные вакуумные установки напыления серии ACADEMVAC-PRO: вакуумные камеры большого объема, мощная система откачки, полностью автоматизированная система управления. Предназначены для серийного производства.
Компактные установки напыления серии ACADEMVAC-Tabletop: небольшие установки напыления, возможны исполнения с ручной системой управления для снижения стоимости. Подходят для лабораторных и исследовательских задач, для знакомства с тонкопленочными технологиями. Чаще всего эти установки оснащаются магнетронами с диаметром мишени 2 или 3 дюйма, термическими испарителями.
Универсальные вакуумные установки напыления серии ACADEMVAC-M/T: установки среднего размера, максимально гибкая платформа для кастомизации. Обеспечивают гибкость в выборе методов получения тонкоплёночных покрытий (включая электронно-лучевые испарители), средств откачки, контроля за процессами, аналитики, содержат возможности для дооснащения в будущем. Хорошо подходят для мелкосерийного производства, для выполнения широкого спектра задач.
Сверхвысоковакуумные установки напыления серии ACADEMVAC-UHV: специализированные вакуумные установки, разработанные с целью обеспечить повышенные требования к чистоте процессов в сверхвысоковакуумных перспективных применениях.

Помимо напылительного оборудования, компания "АкадемВак" разрабатывает и производит установки травления, термовакуумных испытаний (ТВИ), вакуумные печи, а также узлы и комплектующие: вакуумные камеры, криогенные экраны, технологические источники, системы питания и управления.

Специалисты компании готовы оказать экспертную помощь в выборе оптимального технологического решения под ваши задачи. Напишите нам о Вашей задаче или ознакомьтесь с нашим каталогом.

Контакты

Адрес

Телефон

Email