18.01.2016

Метод распыления включает:
— тлеющий разряд для получения энергетических частиц (ионов);
— перенос ионов к твердой или расплавленной мишени с выбиванием поверхностных атомов или молекул, представляющих распыленные частицы;
— конденсацию распыленных частиц.
Распыленные атомы обладают намного большей энергией, чем при термическом испарении. Количество распыленных атомов на одну первичную частицу (коэффициент распыления 5) зависит от следующих факторов:
— энергии иона с порогом 5—25 эВ для металлов: S уменьшается с увеличением энергии из-за увеличения глубины проникновения;
— массы первичного иона М: возрастание ее приводит к увеличению S;
— теплоты испарения материала мишени Н: уменьшение ее приводит к увеличению
— температуры мишени Т: S не чувствителен к изменению Т, исключая очень высокие температуры при термическом испарении;
— угла падения пучка (угол между нормалью к поверхности мишени и направлением пучка);
— кристаллической структуры мишени: атомы, распыленные от монокристалла, имеют преимущественное направление вдоль предпочтительной ориентации плотной упаковки; S возрастает для плотноупакованных кристаллографических плоскостей;
— параметров процесса: приложенного к мишени напряжении, тока пучка, расстояния источник — подложка, состава газа, давления, скорости протекания газа, температуры подложки.
Техника распыления включает диодное и триодное распыление, а также высокочастотное к магнетронное распыление.
Тлеющий разряд постоянного тока может использоваться только при распылении проводящих мишеней. Высокочастотное распыление не зависит от проводимости мишени. Магнетронное или триодное распыление используется для достижения более высокого тока при менее эффективном источнике ионов, чем в случае тлеющего разряда. В триодном распылении более высокая ионизация плазмы может быть получена введением в плазму электронов от термоионною эмиттера. Распыление ионным пучком (IBS — Ion Beam Sputtering) позволяет легко и независимо контролировать плотность потока ионов в течение процесса осаждения.
Распыление имеет ряд преимуществ перед испарением. Например, оно обеспечивает возможность осаждения материалов с высокой температурой плавления, таких, как тугоплавкие металлы и керамики, которые трудно получить, используя метод испарения. Кроме того, распыление обеспечивает повышение чистоты осаждаемых материалов, поскольку в отличие от метода испарения не используется тигель, применение которого приводит к нежелательным химическим реакциям и загрязнению. Эти преимущества, а также простота, многообразие и гибкость процесса, возможность его автоматизации обусловили широкое применение распыления в промышленном производстве полупроводников, сенсоров и т. п.
Распыление и его разновидности используют для получения наноструктурных порошков и пленок. С использованием метода распыления при контроле условий процесса, обеспечивающих заданную текстуру и магнитные свойства пленок, получены тонкие пленки NdFeB толщиной 29—1500 нм. Пленки имеют интенсивно взаимодействующую доменную структуру, подобную структуре в нанокристаллическом массивном NdFeB. Были получены трехслойные пленки NdFeB/Fe/NdFeB со слоями толщиной 18/15/18 нм.
Градиентные по химическому составу пленки Ті—В—N на аустенитной стали и листах молибдена получают этим методом с использованием раздельной Ті2/ТіВ2-мишени в режиме магнетронного распыления. Покрытия, состоящие из гранецентрированной и гексагональной плотноупакованной решетки фаз с размером 3—5 нм имеют твердость выше 50 ГПа, причем она зависит от условий ионной бомбардировки.
Методом магнетронного распыления получают покрытия ТіВ2 на сталях и Sі-подложках. Применяют последующий отжиг при 400 и 800 °С. Покрытия ТіВ2 характеризуются нанокристаллической структурой с размером столбчатых зерен 20—50 нм, однако имеет место нестехиометрическое соотношение В/Ті и высокое содержание захваченного Аr.
Метод мультифункционального ионно-пучкового осаждения с девятью мишенями и четырьмя ионными источниками разработан для синтеза алмазных и многослойных покрытий, таких, как ТіС/металл. Металлические фазы представляют собой Fe, Сr, Nb, Zr, Ni, Сu, Аl. Толщина отдельных слоев варьировалась от 1 до 10 нм. Твердость и пластичность слоистых нанокристаллических структур зависит от параметров модуляции и характеристик металлической фазы.
Методом распыления получают при осаждении на охлаждаемую жидким азотом подложку нанокристаллические пленки Fі (размер зерна 8—9 нм).
Нанокристаллические алмазы получают методом осаждения на подогреваемую до 450 °С подложку с использованием углеводородного плазменного пучка.
Реакционное распыление используют для осаждения накокристаллических пленок Аl2O3 со средним размером зерна 10 нм. Осаждение после высокочастотного распыления мишени Аl2O3 осуществляют при температуре подложки ниже 60 °С в атмосфере Аг с добавкой 4 % O2 для устранения дефицита кислорода при осаждении.
Нанокомпозиты. При использовании композитных мишеней для распыления получены на некомпозитные тонкие пленки, состоящие из Аg-частиц в аморфном оксиде SiO2, аморфном 51 или в нанокристаллической ZnО-матрице. Металлические частицы квантовых размеров, распределенные в неметаллической матрице, способствуют локальному увеличению электромагнитного поля в нанокомпозитной пленке, что приводит к проявлению новых оптических свойств,
Порошки. Модифицированное магнетронное распыление и метод конденсации в инертном газе применяют для получения порошков нанокристаллических материалов с использованием установки для осаждения (см. рис. 16.4), в которой вместо источника с резистивным нагревом используется магнетронный метол распыления.
С использованием гибридного метода, получены катализаторы на основе нестехиометрического оксида СеО2.х с зерном примерно 5 нм, которые обладают уникальной каталитической активностью по восстановлению SО2, СО и окислению СО по сравнению с обычными катализаторами.
Распыление — сравнительно простой и гибкий метод, что выделяет его как наиболее распространенный метод для осаждения покрытий и порошков из паровой фазы. Однако необходимость использования больших и дорогих мишеней ограничивает его применение. Кроме того, при распылении в некоторых условиях недостаточно эффективно используется материал мишени. Обычно при магнетронном распылении только 25—30% общей массы мишени подвергается распылению. Повышение эффективности метода может быть достигнуто уплощением магнитного поля у поверхности мишени. Кроме того, в пленках при распылении в результате бомбардировки энергетическими частицами могут возникать сжимающие напряжения, В экстремальных случаях эти напряжения вызывают растрескивание и отслоение пленок от подложки.
Распыление конным пучком можно применять и для непроводящих материалов, однако в этом случае необходима нейтрализация ионного пучка с целью предотвращения образования заряда на мишени, который может уменьшить или полностью остановить распыление. Нейтрализация обычно осуществляется использованием нити накала, расположенной на пути ионного пучка. Нить накала необходимо часто менять, поскольку она распыляется в ходе процесса осаждения, что также приводит к нежелательному загрязнению осадка.