Напыление — это метод физического осаждения из паровой фазы (PVD) для осаждения тонких пленок с помощью явления распыления . Это включает в себя выброс материала из «мишени», которая является источником, на «подложку», такую как кремниевая пластина . Повторное распыление — это повторная эмиссия осажденного материала в процессе осаждения с помощью ионной или атомной бомбардировки. [1] [2] Распыленные атомы, выброшенные из мишени, имеют широкое распределение энергии, обычно до десятков эВ (100 000 К ). Распыленные ионы (обычно только небольшая часть выброшенных частиц ионизирована — порядка 1 процента) могут баллистически вылетать из мишени по прямым линиям и энергично воздействовать на подложки или вакуумную камеру (вызывая повторное распыление). В качестве альтернативы, при более высоких давлениях газа ионы сталкиваются с атомами газа, которые действуют как замедлитель, и движутся диффузно, достигая подложек или стенки вакуумной камеры и конденсируясь после прохождения случайного блуждания . Весь диапазон от высокоэнергетического баллистического удара до низкоэнергетического термализованного движения доступен путем изменения давления фонового газа. Распыляющий газ часто является инертным газом, таким как аргон . Для эффективной передачи импульса атомный вес распыляющего газа должен быть близок к атомному весу мишени, поэтому для распыления легких элементов предпочтительнее использовать неон , в то время как для тяжелых элементов используются криптон или ксенон . [3] Реактивные газы также могут использоваться для распыления соединений. Соединение может быть образовано на поверхности мишени, в полете или на подложке в зависимости от параметров процесса. Наличие многих параметров, которые управляют осаждением распылением, делает его сложным процессом, но также позволяет экспертам в значительной степени контролировать рост и микроструктуру пленки.
Одно из самых ранних широко распространенных коммерческих применений напыления, которое до сих пор остается одним из самых важных, — это производство жестких дисков для компьютеров . Напыление широко используется в полупроводниковой промышленности для нанесения тонких пленок различных материалов при обработке интегральных схем . Тонкие антибликовые покрытия на стекле для оптических применений также наносятся напылением. Из-за низких температур подложки напыление является идеальным методом для нанесения контактных металлов для тонкопленочных транзисторов . Другое известное применение напыления — это низкоэмиссионные покрытия на стекле , используемые в сборках окон с двойным остеклением. Покрытие представляет собой многослойное покрытие, содержащее серебро и оксиды металлов, такие как оксид цинка , оксид олова или диоксид титана . Крупная промышленность развилась вокруг покрытия резцов с использованием напыленных нитридов, таких как нитрид титана , создавая знакомое твердое покрытие золотистого цвета. Напыление также используется в качестве процесса для нанесения слоя металла (например, алюминия) при изготовлении компакт-дисков и DVD-дисков.
Поверхности жестких дисков используют распыленный CrO x и другие распыленные материалы. Распыление является одним из основных процессов производства оптических волноводов и еще одним способом создания эффективных фотоэлектрических и тонкопленочных солнечных элементов. [4] [5]
В 2022 году исследователи из IMEC создали лабораторные сверхпроводящие кубиты со временем когерентности , превышающим 100 мкс , и средней точностью затвора одного кубита 99,94%, используя КМОП -совместимые методы изготовления, такие как напыление и субтрактивное травление. [6]
Напыление в сканирующей электронной микроскопии — это процесс напыления [ требуется разъяснение ] для покрытия образца тонким слоем проводящего материала, обычно металла, такого как сплав золота и палладия (Au/Pd). Проводящее покрытие необходимо для предотвращения зарядки образца электронным лучом в обычном режиме СЭМ (высокий вакуум, высокое напряжение). Хотя металлические покрытия также полезны для увеличения отношения сигнал/шум (тяжелые металлы являются хорошими излучателями вторичных электронов), они имеют низкое качество при использовании рентгеновской спектроскопии . По этой причине при использовании рентгеновской спектроскопии предпочтительным является углеродное покрытие. [7]
Важным преимуществом напыления является то, что даже материалы с очень высокими температурами плавления легко распыляются, в то время как испарение этих материалов в резистивном испарителе или ячейке Кнудсена проблематично или невозможно. Напыленные пленки имеют состав, близкий к составу исходного материала. Разница обусловлена тем, что различные элементы распределяются по-разному из-за их разной массы (легкие элементы легче отклоняются газом), но эта разница постоянна. Напыленные пленки обычно имеют лучшую адгезию к подложке, чем напыленные пленки. Мишень содержит большое количество материала и не требует обслуживания, что делает эту технологию подходящей для приложений сверхвысокого вакуума. Источники распыления не содержат горячих частей (во избежание нагрева они обычно охлаждаются водой) и совместимы с реактивными газами, такими как кислород. Напыление можно выполнять сверху вниз, в то время как испарение должно выполняться снизу вверх. Возможны передовые процессы, такие как эпитаксиальный рост.
Некоторые недостатки процесса распыления заключаются в том, что этот процесс сложнее сочетать с подъемом для структурирования пленки. Это связано с тем, что диффузный перенос, характерный для распыления, делает полную тень невозможной. Таким образом, нельзя полностью ограничить, куда попадают атомы, что может привести к проблемам с загрязнением. Кроме того, активный контроль послойного роста затруднен по сравнению с импульсным лазерным осаждением , а инертные распыляющие газы встроены в растущую пленку в качестве примесей. Импульсное лазерное осаждение является вариантом метода распыления, в котором для распыления используется лазерный луч. Роль распыленных и повторно распыляемых ионов и фонового газа полностью исследована в процессе импульсного лазерного осаждения. [8] [9]
Источники распыления часто используют магнетроны , которые используют сильные электрические и магнитные поля для удержания заряженных частиц плазмы вблизи поверхности распыляемой мишени. В магнитном поле электроны следуют по спиральным траекториям вокруг линий магнитного поля, подвергаясь большему количеству ионизирующих столкновений с газообразными нейтралами вблизи поверхности мишени, чем это могло бы произойти в противном случае. (По мере истощения материала мишени на поверхности мишени может появиться профиль эрозии «гоночной дорожки».) Газ распыления обычно представляет собой инертный газ, такой как аргон. Дополнительные ионы аргона, созданные в результате этих столкновений, приводят к более высокой скорости осаждения. Таким образом, плазму также можно поддерживать при более низком давлении. Распыляемые атомы нейтрально заряжены и, таким образом, не подвержены влиянию магнитной ловушки. Накопления заряда на изолирующих мишенях можно избежать с помощью ВЧ-распыления , где знак смещения анод-катод изменяется с высокой скоростью (обычно 13,56 МГц ). [10] Радиочастотное распыление хорошо подходит для производства высокоизолирующих оксидных пленок, но с дополнительными расходами на радиочастотные источники питания и сети согласования импеданса . Рассеянные магнитные поля, просачивающиеся от ферромагнитных мишеней, также нарушают процесс распыления. Для компенсации часто приходится использовать специально разработанные распылительные пушки с необычно сильными постоянными магнитами.
Ионно-лучевое распыление (IBS) — это метод, в котором мишень является внешней по отношению к источнику ионов . Источник может работать без какого-либо магнитного поля, как в ионизационном датчике с горячей нитью . В источнике Кауфмана ионы генерируются путем столкновений с электронами, которые удерживаются магнитным полем, как в магнетроне. Затем они ускоряются электрическим полем, исходящим от сетки по направлению к мишени. Когда ионы покидают источник, они нейтрализуются электронами из второй внешней нити. IBS имеет преимущество в том, что энергию и поток ионов можно контролировать независимо. Поскольку поток, который ударяет по мишени, состоит из нейтральных атомов, можно распылять как изолирующие, так и проводящие мишени. IBS нашел применение в производстве тонкопленочных головок для дисководов . Градиент давления между источником ионов и камерой образца создается путем размещения впуска газа в источнике и выстреливания через трубку в камеру образца. Это экономит газ и снижает загрязнение в приложениях сверхвысокого вакуума . Основным недостатком IBS является необходимость большого объема технического обслуживания для поддержания работоспособности источника ионов. [11]
При реактивном распылении распыляемые частицы из целевого материала подвергаются химической реакции, направленной на осаждение пленки с различным составом на определенную подложку. Химическая реакция, которой подвергаются частицы, происходит с реактивным газом, вводимым в распылительную камеру, таким как кислород или азот, что позволяет производить оксидные и нитридные пленки соответственно. [12] Введение дополнительного элемента в процесс, т. е. реактивного газа, оказывает значительное влияние на желаемые осаждения, что затрудняет поиск идеальных рабочих точек. Таким образом, подавляющее большинство процессов распыления на основе реактивных материалов характеризуются поведением, подобным гистерезису, поэтому для его устранения требуется надлежащий контроль задействованных параметров, например, парциального давления рабочего (или инертного) и реактивного газов. [13] Берг и др. предложили важную модель, т. е. модель Берга, для оценки влияния добавления реактивного газа в процессах распыления. В целом, влияние относительного давления и потока реактивного газа оценивалось в соответствии с эрозией мишени и скоростью осаждения пленки на желаемую подложку. [14] Состав пленки можно контролировать, изменяя относительное давление инертного и реактивного газов. Стехиометрия пленки является важным параметром для оптимизации функциональных свойств, таких как напряжение в SiN x и показатель преломления SiO x .
При ионно-ассистированном осаждении (IAD) подложка подвергается воздействию вторичного ионного пучка, работающего с меньшей мощностью, чем распылительная пушка. Обычно источник Кауфмана, такой как тот, что используется в IBS, поставляет вторичный пучок. IAD можно использовать для осаждения углерода в алмазоподобной форме на подложку. Любые атомы углерода, попавшие на подложку, которые не смогли должным образом связать в кристаллической решетке алмаза, будут выбиты вторичным пучком. NASA использовало эту технику для экспериментов по осаждению алмазных пленок на лопатки турбин в 1980-х годах. IAD используется в других важных промышленных приложениях, таких как создание тетраэдрических аморфных углеродных поверхностных покрытий на пластинах жестких дисков и твердых покрытий из нитрида переходных металлов на медицинских имплантатах.
Распыление может также осуществляться путем дистанционного создания плазмы высокой плотности. Плазма генерируется в боковой камере, открывающейся в основную технологическую камеру, содержащую мишень и покрываемую подложку . Поскольку плазма генерируется дистанционно, а не из самой мишени (как при обычном магнетронном распылении), ионный ток на мишень не зависит от напряжения, приложенного к мишени.
HiPIMS — это метод физического осаждения из паровой фазы тонких пленок, основанный на магнетронном распылении. HiPIMS использует чрезвычайно высокие плотности мощности порядка кВт/см 2 в коротких импульсах (импульсах) длительностью в десятки микросекунд при низком рабочем цикле < 10%.
Распыление газовым потоком использует эффект полого катода , тот же эффект, с помощью которого работают лампы с полым катодом . При распылении газовым потоком рабочий газ, такой как аргон, подается через отверстие в металле, на который подан отрицательный электрический потенциал. [15] [16] Повышенная плотность плазмы возникает в полом катоде, если давление в камере p и характерный размер L полого катода подчиняются закону Пашена 0,5 Па·м < p · L < 5 Па·м. Это вызывает высокий поток ионов на окружающих поверхностях и большой эффект распыления. Таким образом, распыление газовым потоком на основе полого катода может быть связано с большими скоростями осаждения вплоть до значений в несколько мкм/мин. [17]
В 1974 году JA Thornton применил модель структурной зоны для описания морфологии тонких пленок к осаждению распылением. В исследовании металлических слоев, полученных распылением на постоянном токе, [18] он расширил концепцию структурной зоны, первоначально введенную Мовчаном и Демчишиным для испаренных пленок . [19] Thornton ввел дополнительную структурную зону T, которая наблюдалась при низких давлениях аргона и характеризовалась плотно упакованными волокнистыми зернами. Наиболее важным моментом этого расширения было подчеркнуть давление p как решающий параметр процесса. В частности, если гипертермические методы, такие как распыление и т. д., используются для сублимации исходных атомов, давление управляет через среднюю длину свободного пробега распределением энергии, с которой они падают на поверхность растущей пленки. Таким образом, наряду с температурой осаждения T d при рассмотрении процесса осаждения всегда следует указывать давление в камере или среднюю длину свободного пробега.
Поскольку осаждение методом распыления относится к группе процессов с использованием плазмы, то наряду с нейтральными атомами на поверхность растущей пленки попадают также заряженные частицы (например, ионы аргона), и этот компонент может оказывать большое влияние. Обозначая потоки прибывающих ионов и атомов как J i и J a , оказалось, что величина отношения J i /J a играет решающую роль в микроструктуре и морфологии, получаемых в пленке. [20] Эффект ионной бомбардировки может количественно быть выведен из структурных параметров, таких как предпочтительная ориентация кристаллитов или текстура , и из состояния остаточного напряжения . Недавно было показано [21] , что текстуры и остаточные напряжения могут возникать в слоях Ti, распыленных газовым потоком, которые сравниваются с текстурами и остаточными напряжениями, полученными в макроскопических заготовках Ti, подвергнутых интенсивной пластической деформации дробеструйной обработкой .
