Pulverización con magnetrón

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La pulverización catódica  es una tecnología para depositar películas delgadas sobre un sustrato utilizando la pulverización catódica de un objetivo en un plasma de una descarga de magnetrón  , una descarga de diodo en campos cruzados. Los dispositivos tecnológicos diseñados para implementar esta tecnología se denominan sistemas de pulverización catódica de magnetrones o, para abreviar, magnetrones (que no deben confundirse con los magnetrones de vacío  , dispositivos diseñados para generar oscilaciones de microondas ).

Descarga de magnetrón

Una descarga de magnetrón es una descarga de gas de diodo en campos cruzados (hay una región del espacio en el volumen de descarga donde los campos eléctrico y magnético son ortogonales entre sí ; las líneas del campo magnético están dirigidas a través de las líneas de corriente ).

Historial de descubrimientos

En 1898, el investigador británico Phillips describió la aparición de una descarga eléctrica anular que ocurre alrededor del espacio entre los electrodos de varilla en un bulbo de vidrio bajo presión reducida cuando se enciende un campo magnético axial. En 1913 el prof. Strutt interpretó la descarga de Phillips como una descarga eléctrica en campos cruzados: un campo magnético axial y uno eléctrico radial. Sugirió que un campo eléctrico radial es creado por una carga positiva acumulada durante la descarga anterior en la pared del bulbo opuesta al espacio entre los electrodos, y la ionización del gas es causada por partículas negativas durante su carrera extendida a través del campo magnético desde el eje hasta el pared del bulbo Strutt instaló un ánodo anular alrededor de los extremos de los electrodos de varilla y obtuvo una descarga anular estable. La mayor contribución al estudio de la descarga del magnetrón la hizo el físico holandés F. M. Penning. Junto con otras aplicaciones de la descarga de magnetrón (como fuente de iones , sensor de medición de vacío , bomba de iones), propuso el uso de una descarga de magnetrón para pulverización catódica y revestimiento [1] .

Fundamentos físicos

Desde el punto de vista del mecanismo de emisión de electrones , una descarga de magnetrón de CC es una descarga luminiscente anómala . Los electrones abandonan la superficie del cátodo debido a la emisión de iones de electrones bajo la acción del bombardeo de iones . Debido al hecho de que el coeficiente de emisión de iones-electrones es muy pequeño, la corriente de iones al cátodo excede la corriente de electrones en al menos un orden de magnitud. El equilibrio de partículas cargadas en el plasma lo proporciona la ionización de átomos de gas neutro por electrones acelerados por el campo eléctrico en el espacio del cátodo oscuro.

A diferencia de una descarga luminiscente, donde un electrón que no experimenta colisiones será acelerado libremente por un campo eléctrico hasta que abandone la región de la caída de potencial del cátodo (espacio del cátodo oscuro), la presencia de un campo magnético transversal hace que el electrón doble su trayectoria bajo la influencia de la fuerza de Lorentz . Con un campo magnético suficiente, el electrón regresará al cátodo con energía casi nula y nuevamente comenzará un movimiento acelerado bajo la acción del campo eléctrico. La trayectoria de su movimiento será una cicloide , el electrón se desplaza a lo largo de la superficie del cátodo en una dirección perpendicular tanto al campo eléctrico como al magnético. El electrón está en una “trampa”, de la que solo puede salir chocando con otra partícula. Luego cambiará a una nueva trayectoria, situada un poco más lejos del cátodo, y así sucesivamente hasta que los campos se debiliten, el magnético por la distancia a los polos del sistema magnético, el eléctrico por el apantallamiento del plasma. Debido a la presencia de una trampa, la eficiencia de ionización por los electrones emitidos aumenta muchas veces, lo que hace posible, en contraste con una descarga de diodo convencional, obtener una alta densidad de corriente de iones y, por lo tanto, altas tasas de pulverización a presiones relativamente bajas de del orden de 0,1 Pa e inferior. Para que la trampa funcione de manera efectiva, es necesario excluir la fuga de electrones al ánodo a lo largo de las líneas del campo magnético, y las trayectorias de deriva deben estar cerradas.

Fundamentos de la tecnología

La importancia tecnológica de la pulverización catódica radica en el hecho de que los iones que bombardean la superficie del cátodo (objetivo) la pulverizan . Las tecnologías de grabado con magnetrón se basan en este efecto y, debido al hecho de que la sustancia objetivo pulverizada, depositada sobre el sustrato, puede formar una película densa, la pulverización con magnetrón ha recibido la aplicación más amplia.

Sputtering de destino

Cuando los iones chocan con la superficie objetivo, el impulso se transfiere al material [2] [3] . El ion incidente provoca una cascada de colisiones en el material. Después de múltiples colisiones, el pulso alcanza un átomo ubicado en la superficie del material, que se desprende del objetivo y se deposita en la superficie del sustrato. El número promedio de átomos expulsados ​​por ion argón incidente se denomina eficiencia del proceso, que depende del ángulo de incidencia, la energía y la masa del ion, la masa del material evaporado y la energía de enlace del átomo en el material. En el caso de la evaporación de material cristalino, la eficiencia también depende de la disposición de la red cristalina.

Las partículas que salen de la superficie objetivo se depositan en forma de película sobre el sustrato, y también se dispersan parcialmente sobre las moléculas de gases residuales o se depositan en las paredes de la cámara de vacío de trabajo.

Proyección de metales y aleaciones

La deposición de metales y aleaciones se lleva a cabo en un ambiente de gas inerte , generalmente argón . A diferencia de la tecnología de evaporación térmica, la pulverización catódica con magnetrón no da como resultado el fraccionamiento de objetivos de composición compleja (aleaciones).

Pulverización reactiva

Para la deposición de compuestos complejos, como óxidos y nitruros , se utiliza la denominada pulverización catódica con magnetrón reactivo. Se agrega un gas reactivo (como oxígeno o nitrógeno ) al gas de plasma (argón ). En el plasma de una descarga de magnetrón, el gas reactivo se disocia , liberando radicales libres activos , que interactúan con los átomos pulverizados depositados sobre el sustrato, formando un compuesto químico .

Maggratron

Durante algún tiempo, el término "Magratron" también se encontró en la literatura soviética. La sílaba "Mag" en forma abreviada significaba magnetrón, "ra" - chisporroteo, "tron" - un dispositivo de descarga eléctrica. Debido a su intraducibilidad a idiomas extranjeros, el término no echó raíces, sino que comenzó a usarse la palabra "magnetrón".

Véase también

Notas

  1. ↑ Kuzmichev, 2008 , pág. 42-51.
  2. ↑ Sigmund, 1987 .
  3. ↑ Behrish, 2007 .

Literatura