Напыление тонких пленок в науке и производстве: обзор технологий

Напыление — один из ключевых процессов создания тонкопленочных покрытий, которые используют для улучшения характеристик поверхности, модификации ее свойств и формирования новых функциональных слоев. Технологии напыления широко применяются в различных областях науки и производства: микроэлектронике, оптике, материаловедении и многих других отраслях.

Отдельное значение методы напыления имеют в пробоподготовке образцов для электронной микроскопии. Нанесение тонкого проводящего слоя позволяет подготовить поверхность образца к исследованию и повысить качество получаемых данных.

Разберем основные виды PVD-напыления (Physical Vapor Deposition), принципы их работы, преимущества, ограничения и области применения.

1. Магнетронное распыление

Магнетронное распыление — один из наиболее распространенных методов создания тонких пленок. Его принцип заключается в том, что поверхность мишени, или таргета, бомбардируется ионами газа, чаще всего аргона. В результате атомы материала выбиваются из мишени и осаждаются на подложке, формируя равномерный тонкий слой.

1.1. DC-магнетронное распыление

DC-магнетронное распыление работает на постоянном токе и эффективно подходит для проводящих материалов. Постоянный ток создает стабильную плазму, которая обеспечивает выбивание атомов с поверхности мишени. Магнитное поле у поверхности мишени удерживает и направляет электроны, увеличивая плотность плазмы и эффективность ионной бомбардировки.

Рис. 1.Система напыления металлических покрытий C156RS

Особенно широкое применение этот метод получил в пробоподготовке для электронной микроскопии. Наиболее часто таким способом наносят покрытия из золота и платины.

Нанесение проводящего слоя на поверхность образца позволяет решить сразу несколько задач. Во-первых, покрытие снижает накопление электрического заряда и помогает повысить качество получаемого изображения. Во-вторых, оно позволяет защитить чувствительные к воздействию электронного пучка образцы от повреждения.

Рис. 2.Схема DC-магнетронное распыление

В качестве рабочего газа обычно используют аргон. Его атомы ионизируются в плазме, приобретают энергию и бомбардируют поверхность мишени. При распылении золота и некоторых других материалов, не подверженных окислению, в отдельных конфигурациях возможно проведение процесса без дополнительной подачи рабочего газа.

Давление газа, обычно находящееся в диапазоне 0,1–10 мТорр, а также мощность разряда и напряжение влияют на скорость распыления и структуру формируемого слоя.

Преимущества DC-магнетронного распыления:

• высокая скорость напыления;
• простота эксплуатации;
• относительно небольшая стоимость оборудования;
• хорошая однородность покрытия благодаря магнитному удержанию плазмы.

Такой метод распыления реализован в системах напыления металлов C156RS и C156TS.

Ограничения:

• метод неприменим для непроводящих материалов мишеней;
• для формирования сложных многослойных структур может потребоваться дополнительное оборудование.

1.2. RF-магнетронное распыление

RF (Radio Frequency) магнетронное распыление осуществляется с использованием переменного тока высокой частоты, обычно 13,56 МГц. Благодаря этому метод подходит не только для проводящих, но и для диэлектрических мишеней.

Переменное электрическое поле позволяет избежать накопления заряда на поверхности мишени, характерного для DC-метода при работе с непроводящими материалами. Взаимодействие плазмы с поверхностью приводит к выбиванию атомов как из проводящих, так и из непроводящих материалов.

Рис. 3.Схема RF-магнетронное распыление

Преимущества RF-магнетронного распыления:

• возможность распыления сложных материалов, включая оксиды, нитриды и фториды;
• высокая чистота осаждаемого слоя благодаря возможности контролировать параметры плазмы.

Ограничения:

• скорость распыления обычно ниже по сравнению с DC-методом;
• более высокая стоимость оборудования и обслуживания;
• необходим специальный RF-источник питания;
• предъявляются повышенные требования к кабелям и коннекторам;
• может потребоваться подвод водяного охлаждения.

2. Напыление методом испарения

Методы испарения в вакууме основаны на переходе материала-мишени в газовую фазу с последующим осаждением его частиц на подложке. Материал нагревается до температуры испарения, после чего его атомы или молекулы перемещаются к поверхности образца и конденсируются на ней.

Вакуум необходим для того, чтобы испаренные частицы как можно меньше сталкивались с молекулами остаточного газа и могли беспрепятственно перемещаться от источника к подложке.

2.1. Термическое резистивное импульсное испарение (Thermal Evaporation)

При термическом резистивном испарении материал нагревается до температуры испарения с помощью резистивного нагревателя, испарителя или тигля. Метод позволяет испарять углерод и ряд металлов, не относящихся к тугоплавким.

Рис. 4.Схема Термическое резистивное импульсное испарение

Такой способ получения углеродных пленок широко применяется при подготовке образцов для исследований методом электронной микроскопии.

По типу расходного материала системы углеродного напыления можно условно разделить на два основных вида: установки с испарителем из углеродного стержня и системы, использующие углеродную нить.

При работе со стержнями перед напылением требуется подготовка и заточка расходного материала. При этом такой способ позволяет получать высокочистые углеродные покрытия и хорошо подходит для аналитических исследований.

Рис. 5.Испаритель системы напыления углеродных покрытий C156TE

Преимущества термического испарения:

• простота метода;
• высокая чистота получаемых покрытий;
• удобство использования для нанесения углеродных пленок.

Ограничения:

• существуют ограничения по типу испаряемых материалов;
• метод не подходит для ряда высокотемпературных и тугоплавких веществ;
• скорость напыления может быть ниже по сравнению с магнетронным распылением.

Этот метод реализован в простых и эффективных системах напыления углерода C156RE и C156TE нашего производства.

2.2. Электронно-лучевое испарение (EB PVD)

При электронно-лучевом испарении (EB PVD) для локального нагрева и испарения материала используют пучок электронов высокой энергии.

Электронный луч концентрирует энергию на поверхности материала, нагревая его до высоких температур. Благодаря этому метод позволяет испарять в том числе материалы с высокой температурой плавления.

Процесс обычно проводится в условиях высокого вакуума, что минимизирует загрязнение и позволяет получать пленки высокой чистоты.

Рис. 6.Схема Электронно-лучевое испарение — EB PVD

Преимущества:

• возможность работы с тугоплавкими материалами;
• высокая чистота получаемого покрытия;
• возможность достижения высоких температур непосредственно в зоне испарения.

Ограничения:

• необходимость поддержания высокого вакуума;
• сложность конструкции оборудования;
• высокая стоимость системы.

3. Ионное напыление

Ионное напыление по принципу действия имеет сходство с магнетронным распылением, однако для воздействия на материал используется направленный пучок ионов. Он бомбардирует поверхность мишени и выбивает из нее атомы, которые затем осаждаются на подложке или исследуемом образце, формируя тонкий слой.

Рис. 7.Схема Ионное напыление

Преимущества:

• высокая адгезия покрытия благодаря энергии ионов;
• возможность нанесения тонких и равномерных слоев;
• хороший контроль процесса формирования покрытия.

Ограничения:

• высокая стоимость оборудования;
• значительные энергозатраты;
• относительно невысокая скорость нанесения покрытия.

4. Лазерное напыление (PLD)

Лазерное напыление, или PLD (Pulsed Laser Deposition), основано на использовании мощного импульсного лазера для испарения материала с поверхности мишени. Образовавшийся поток вещества и плазмы распространяется в сторону подложки и формирует на ней покрытие.

Короткие лазерные импульсы высокой мощности вызывают интенсивный локальный нагрев поверхности мишени и удаление материала. Образовавшийся поток переносит материал к подложке, где происходит формирование тонкой пленки.

Рис. 8.Схема Лазерное напыление — PLD

Преимущества:

• точный контроль состава и структуры формируемого слоя;
• возможность работы со сложными материалами;
• метод подходит для получения оксидных и многослойных структур.

Ограничения:

• высокая стоимость оборудования;
• ограниченная площадь равномерного покрытия;
• относительная сложность технологического процесса.

Как выбрать метод напыления

Каждый из рассмотренных методов имеет собственные физические основы, преимущества, ограничения и области применения. Выбор технологии зависит прежде всего от требований к будущему покрытию: его составу, толщине, адгезии и однородности, а также от материала мишени, типа подложки, необходимой производительности и доступного бюджета.

Для лабораторной пробоподготовки образцов к электронной микроскопии особенно востребованы DC-магнетронное распыление и термическое испарение. Эти технологии позволяют наносить тонкие металлические и углеродные покрытия, необходимые для получения качественных результатов при исследовании различных типов образцов.

Для решения таких задач ООО «Научные технологии и сервис» разрабатывает и производит российские системы напыления металлических и углеродных покрытий, включая C156RS, C156TS, C156RE и C156TE, а также комбинированные установки, объединяющие оба метода в одной системе C156RES и C156TES. Оборудование предназначено для лабораторной пробоподготовки и может подбираться в зависимости от типа исследуемых образцов и требований к наносимому покрытию.