Magnetron Sputtering
A magnetron sputtering technológia segítségével vékony filmeket helyeznek a szubsztrátumra, amelyhez dióda kisülést használnak keresztmetszetekben. A feladat végrehajtásához használt eszközöket permetezési rendszereknek vagy magnetronoknak nevezik (nem szabad összetéveszteni azokkal az eszközökkel, amelyekkel mikrohullámú oszcilláció keletkezik).
A magnetron kisülés egy gázdiódás kisülés, amely keresztmetszetű mezőkben van kialakítva, vagyis egy térfogati térben egy kisülési térfogatban, ahol a mágneses és elektromos mezők ortogonálisak egymással. A mágneses mezők vonalai az áramvonalon keresztül irányulnak.
A felfedezés története
A magnetron kisülések tanulmányozásához felbecsülhetetlen értékű hozzájárulás készült a holland fizikus, F. M. Penning. A magnetronkibocsátások, nevezetesen ionforrások, vákuummérő szenzorok vagy ionszivattyúk ismert alkalmazásai mellett javasolta ilyen részecskék bevonására és permetezésére.
Fizikai alap
Ha figyelembe vesszük az elektronkibocsátás mechanizmusait, akkor az egyenáramú magnetron kisülések rendellenes fénykibocsátások. Az ion bombázás és az ion-elektron-emisszió hatására a katódfelület elektronoktól mentesül. Figyelembe véve azt a tényt, hogy az ilyen kibocsátás együtthatója meglehetősen alacsony, a katód ionáramának jelentősen meghaladja az elektronáramot. A feltöltött elemek egyensúlyának fenntartása a plazmában semleges gáz atomok elektronjainak ionizációja miatt valósul meg. Ez a reakció egy sötét katód térben folytatódik, azzal a feltétellel, hogy a részecskék elektromos mezővel felgyorsulnak.
Ezzel szemben a parázsfény, amikor nem tapasztal az ütközés elektronok szabadon gyorsított az elektromos mező által mindaddig, amíg nem hagyott sötét katód térben (területen katód feszültségesés), ebben az esetben a pályáját a elektron mozgás meghajolhat, jelenléte miatt a keresztirányú mágneses mező és az erő Lorentz. Ha a mágneses mezőnek elegendő értéke van, akkor az elektronok szinte nulla energiával térnek vissza a katódra, és újra elkezdik a gyorsított mozgást az elektromos tér hatása alatt. A mozgás pályája egy cikloid, vagyis az elektron a katódfelület mentén elmozdul, és a mágneses és elektromos mezőre merőleges irányban mozog. Az elektron csapdába esik, ami csak akkor fordulhat elő, ha más részecskék ütköznek. Ebben az esetben a pályája megváltozik, és kissé távolabb helyezkedik el a katódtól.
Ez a mozgás addig folytatódik, amíg a mágneses mezők - a mágneses rendszer szimmetrikusan elhelyezett pólusainak és az elektromos mezőnek az eltávolítása miatt - az úgynevezett "plazma szűrés" miatt gyengülnek. A csapda jelenléte lényegesen növeli az ionizációs hatékonyságot az emittált elektronok segítségével, ami lehetővé teszi nagy sűrűségű ionáram és nagy sputterezési sebesség elérését egy viszonylag alacsony, körülbelül 0,1 Pa vagy ennél alacsonyabb nyomáson. Annak érdekében, hogy ez a csapda a lehető leghatékonyabban működjön, ki kell zárni az elektron anódból való kiszivárgásának lehetőségét, mivel a mágneses mezők erővonalán mozognak, és a drift pályát le kell zárni.
Technológiai jellemzők
A magnetron sputtering technológia technológiai jelentősége az, hogy a céltárgyat bombázó ionok (katód) megrepedték. Ez a hatás a magnetron-maratás technikájának alapja, és mivel a hordozóra helyezett lerakódott célanyag képes sűrű filmet képezni, a magnetron porlasztás széles körben elterjedt.
Sputtering a cél
Az impulzus pillanatát az anyagnak a töltött ionok ütközésével átvitték a célfelületre. A leeső ionok az ütközések teljes kaszkádját okozzák, miután az impulzus közvetlenül az atomra ér, amely a felszínen található, leválik a célpontról és megjelenik az aljzaton. Az egy incidens argonionnal kiütött atomok átlagos számát általában az eljárás energiahatékonyságának, az ion energiájának és tömegének, az incidencia szögének, az atomok kötési energiájának és az elpárologtatott anyag tömegének megfelelően határozták meg. Ha az anyagnak kristályrácsja van, a hatékonyság a helyétől is függ.
A célfelületet elhagyó részecskéket filmrétegként a szubsztrátumra helyezik el, ezek közül néhány szétszóródik a maradék gázmolekulákon vagy a vákuumkamra falán helyezkedik el.
Fémek és ötvözetek porlasztása
A fémek és ötvözetek porlasztását közömbös gázok, általában argon közegben hajtják végre. A legfontosabb különbség a magnetron sputtering és a termikus párolgás módszer között az, hogy nincs szükség összetett összetételű (ötvözetek) célpontok frakcionálására.
Reaktív permetezés
A nitridek, oxidok és más komplex vegyületek lerakódására a reaktív magnetron sputterelés technológiáját alkalmazzák. Az argonhoz, amely plazmaképző gáz, egy reaktív gázt adnak hozzá, amelyet leggyakrabban nitrogén vagy oxigénként használnak. A magnetron plazmakisülés disszociációja a reaktív gáz és a kibocsátás az aktív szabad gyökök reakcióba a porlasztott atomok hordanak fel a hordozóra, és amely egy kémiai vegyület.