Іонне розпилення (sputtering) як метод отримання покриття полягає в бомбардуванні позитивними іонами твердої мішені (катода) з матеріа­лу, що наноситься, з послідуючим осадженням розпилених часток на поверхні деталей. Дуже часто цей процес називають катодним розпи­ленням.

Джерелом позитивних іонів є плазма тліючого розряду (постійного або високочастотного), яка горить у середовищі робочого газу при неви­сокому тиску у камері (1...10*^ Па)

Робочим газом може бути або інертний газ (наприклад, аргон), або, при реакційному напиленні, активні гази: азот, оксид вуглецю тощо.

Іонні розпилюючі системи, які використовуються зараз, можна поді­лити на деі основні групи:

1. Плазмоіонні, е яких мішень знаходиться у газорозрядній плазмі, яка створюється тліючим дуговим або високочастотним розрядом, а розпилення відбувається за рахунок бомбардування мішені іонами, до­бутими з плазми.

2. З автономним іонним джерелом без фокусування або з фокусу­ванням іонних струменів, які бомбардують мішень.

Плазмоіонні системи класифікуються:

- по кількості електродів: діодні, триодні тощо;

- по виду напруги, що використовується: постійна, високочастотна;

- по наявності або відсутності потенціалу на виробі, що напилюєть­ся: зі зміщенням або без зміщення.

Якщо розпилюваний матерал (мішень) є діелектриком, або високо - омним напівпровідником, то замість постійного використовують високо­частотний струм.

Використання іонного струменю від автономного джерела дозволяє отримати більші швидкості розпилення при більшому вакуумі, ніж у плаз - моіонних системах і послідовно розпилювати декілька мішеней. У сис­темах з іонним джерелом потік позитивно заряджених часток отримують за рахунок формування іонів у плазмі газового розряду, їх екстракції з плазми, прискорення та фокусування у системах іонної оптики.

Серед плазмоіонних способів на практиці отримали поширення ді­одні, триодні та магнетронні системи.

Діодна схема іонного розпилення подана на рис. 5.7.

Розпилений матеріал у вигляді диска або пластини, товщиною де­кілька міліметрів та розміром поверхні, близької до площі поверхні ви­робу, який напилюється, закріплюють на водоохолоджуваному катоді, до якого підводять від’ємний потенціал джерела живлення.

Другий електрод - анод, який розміщують на відстані декілька сан­тиметрів від катода. У деяких випадках анод може бути опорою дпя за­кріплення виробу. На анод подається позитивний потенціал джерела живлення. Разом з камерою він знаходиться під потенціалом землі. Для полегшення ініціювання тліючого розряду використовують допоміжний анод 7.

Умови існування тліючого розряду при діодній схемі ускладнені. Тому процес здійснюється при максимально високому тиску робочого газу, який допускається 1 ...10 Па, та підвищеній напрузі джерела елект­роживлення 5.,.10 кВ. Щільність іонного струму не перевищує 1,1—1.5 мА/см2. Швидкість розпилення катода та конденсації досить мала 0,2...2 нм/с. При діодній схемі утворюються вторинні високоенергетичні електрони (3...5 кВ), які бомбардують поверхню напилення, сприяючи неконтрольованому перегріванню виробу.

Рис. 5.7. Діодна схема напилення покриттів іонним розпиленням: 1 - матеріал (катод), що розпилюється; 2 - тліючий розряд; 3 - натікач; 4 - потік часток, що напилюються; 5 - виріб; 6 - покриття; 7 - анод

Для напилення діелектриків використовують високочасне катодне розпилення.

У процесі іонного бомбардування на поверхні діелектрика, який розпилюється, накопичується позитивний заряд. Внаслідок цього щіль­ність потоку іонів та їх енергія суттєво зменшується і розпилення прак­тично припиняється. Високочастотна схема катодного розпилення дозволяє у позитивні напівперіоди нейтралізувати позитивні заряди, а у негативні напівперіоди відбувається розпилення матеріалу катода.

Діодну схему катодного розпилення, в основному, використовують для напилення тонких плівок при виробництві інтегральних схем. Для напилення захисного покриття вона малоефективна.

Для підвищення ефективності розпилення запропоновано тріодну схему іонного катодного розпилення (рис. 5.8}.

Рис. 5.8. Схема тріодного напилення покриття іонним розпиленням: 1 - матеріал-катод, що розпилюється; 2 - тліючий розряд; 3 - натікач; 4 - потік часток; 5 - виріб; 6 - покриття; 7 - гарячий катод; 8 - анод; 9 - магнітна катушка

Гарячий катод є додатковим джерелом для електронів. Для збуд­ження розряду між гарячим катодом і анодом подають високу (1,0...2,0 кВ) напругу. Найбільша ефективність іонізації газу досягається за рахунок надання електронам складного руху завдяки магнітній котуш­ці. Магнітне поле, що діє на тліючий розряд, змінює характер руху елек­тронів. На більш тяжкі іони магнітне поле діє слабше.

В основному використовують поздовжнє магнітне поле, паралельне електричному полю в темному катодному просторі. Під дією магнітного поля електрони здійснюють більш складний рух навколо магнітних ліній, наприклад, по спіралі. Збільшується ефективна довжина шляху елект­ронів і тому збільшується ступінь іонізації робочого газу.

Допоміжний катод, анод і катушка утворюють генератор плазми, незалежно від розпилюваного матеріалу та напилюваного виробу.

Виріб, який напилюється, розташовується навколо плазми або за­нурюють у нього. Напруга, що подається на розпилюваний матеріал (ка­тод) не впливає на розряд, який утворює плазму. Це дозволяє регулювати прискорюючу напругу не доводячи її до високих рівнів.

На розпилюваний матеріал (холодний катод) подається від’ємний потенціал напругою 0,7..1,0 кВ. Створюються умови прискорення іонів з області гарячого катода у напряму розпилюваного матеріалу. На анод подається позитивне зміщення відносно напилюваного виробу. Це за­побігає переміщенню електронів до виробу і знижує можливість перегрі­вання виробу.

Тріодна схема процесу розпилення катода деякою мірою усуває недоліки діодної схеми. Процес здійснюють при більш низькому тиску робочого газу 10~1 Па і нижче. Продуктивність процесу збільшується.

Основним недоліком розглянутих систем іонного розпилення є від­носно низькі швидкості осадження покриття (50...3000 А7хв) і мала сту­пінь іонізації потоку часток, що осаджуються. Тому для отримання якісного покриття необхідно підтримувати температуру поверхні, на яку осаджується покриття у межах 400...500 °С та подання на неї від’ємного потенціалу.

Подальше підвищення щільності іонного струму та швидкості роз­пилення забезпечують магнетронні системи.

Магнетронна схема напилення покриття катодним розпиленням на­ведена на рис. 5.9.

Під матеріалом, що розпилюється (катодом), встановлюють постій­ні магніти. Силові лінії у вигляді дуги замикаються між полюсами N-S, утворюючи неоднорідне магнітне поле. Над катодом розміщують кіль­цевий анод. Коли подають постійну напругу 300...1000 В, між катодом і анодом утворюється електричне поле напруженістю Е і виникає тліючий розряд.

Силові лінії електричного поля перпендикулярні поверхні катода та магнітним силовим лініям В. Завдяки схрещеному магнітному та елект­ричному полям електрони від катода переміщуються по циклоїді. У площині, паралельній площині електрода, створюється область за­мкненого дрейфу. Відбувається багатократне зіткнення електронів з молекулами робочого газу, завдяки чому підвищується ступінь його іоні­зації і зростає концентрація бомбардуючих іонів поблизу матеріалу, який розпилюється.

Зона інтенсивного розпилення має вигляд замкненої доріжки, роз­мір і форма якої визначається геометрією системи.

Рис. 5.9. Магнетронна схема напилення покриття іонним розпиленням: 1 - розпилюваний матеріал (катод); 2 - тліючий розряд; 3 - натікач; 4 - потік часток; 5 - виріб; 6 - покриття; 7 - анод; 8 - постійні магніти

У кільцеподібній зоні ступінь іонізації робочого газу наближається до 100%. Це дозволяє досягти щільності іонного струму 10...20 мА/см2. Завдяки цьому швидкість розпилення наближається до електронно - променевого випаровування або термічної сублімації катода дугою ни­зького тиску.

Межа швидкості розпилення визначається теплопровідністю розпи­люваного матеріалу, умовами його охолодження. Водяне охолодження матеріалу катода запобігає його високому нагріванню та плавленню. Процес здійснюється при тиску 10_1...10'2 Па.

Магнетронні системи з різними просторовими формами мішені до­зволяють напиляти покриття на складні поверхні виробів. Наприклад, зовнішні та внутрішні поверхні циліндричних виробів.

Основні робочі характеристики магнетронних розпилювальних сис­тем це:

- напруга на електродах;

- струм розряду;

- щільність струму на мішені та питома потужність;

- величина індукції магнітного поля та робочий струм.

Від величини та стабільності перелічених параметрів, які взаємно пов'язані між собою, залежить стабільність розряду та відтворення про­цесу нанесення покриття.

Струм розряду залежить від багатьох факторів: робочої напруги, робочого газу та його тиску, індукції магнітного поля, конфигурації маг­нетронної системи, матеріалу, що розпилюється і визначається потужні­стю джерела живлення.

У практиці напилення використовують струм у межах 100-1500 тА {0,1-50 тА/см2) та напругу розряду 500-1500 В.

Найбільша ефективність напилення досягається при тріодній або магнетронній схемі напилення. Процес здійснюється на малій напрузі та високій щільності струму. Тому продуктивність процесу в основному ви­значається величиною струму, а не напруги.

Із збільшенням тиску робочого газу в камері підвищується концент­рація іонів у розряді, а тому і щільність струму. Якщо збільшення тиску мале, то залежність близька до лінійної. Збільшенням тиску в камері до визначених меж можна підвищити продуктивність напилення без збіль­шення потужності джерела живлення. При високому тиску відбувається зворотня дифузія атомів на поверхню розпилення, і продуктивність змен­шується. Наприклад, при Рк = 13,3 Па тільки 10% атомів виходить за

межі темного катодного простору.

Суттєво впливає тиск робочого газу на стабільність розряду, а також на формування покриття. З підвищенням тиску збільшується стабіль­ність розряду. Але підвищення тиску не сприяє повному переносу час­ток на поверхню напилення. Відбувається втрата енергії часток та їх розсіювання в об’ємі камери. Залежно від способу іонного розпилення процес відбувається при тиску Рк = 10...10’2 Па.

Дуже впливає на процес розпилення вид робочого газу. Максима­льне розпилення викликають іони елементів, у яких заповнені d-обо­лонки (Си, Ті, Ад та ін.) або p-оболонки (Аг, Кг та Ін.) В основному, в якості робочого газу використовують аргон як найбільш доступний та економічний. Використовуються інші інертні гази. Чим важче газ, тим ефективніше процес розпилення.

Дистанцію напилення вибирають мінімальною. Вона знаходиться в межах 40...150 мм. Завдяки цьому коефіцієнт використання маси на­ближається до 100%. У міру зменшення відстані іонний струм падає, і швидкість розпилення знижується.

Коефіцієнт розпилення матеріалу мало залежить від його темпера­тури. Але при іонному бомбардуванні на катоді виділяється біля 75% потужності розряду. Для того, щоб уникнути небажаного підплавлення поверхні, розпилюваний матеріал інтенсивно охолоджують. Це дозво­ляє значно підвищити щільність струму, і відповідно, швидкість розпи­лення.

На показники ефективності процесу суттєво впливають конструктивні фактори устаткування. Прикладом цього може бути введення гарячого катода та магнітної системи в двоелектродну схему, що значно інтен­сифікує процес розпилення, знижує нагрівання анода та зменшує не­безпеку перегрівання виробу, що напилюється.

При використанні оптимальних параметрів режиму напилення мож­на утворити потоки часток з такими показниками.

Щільність потоку напилюваних часток знаходиться у широких ме­жах. Найбільша щільність 1020... 1022 част/(см2 с) досягається при магне­тронній схемі і близька до щільності при електронно-променевому випаровуванні та дуговому напиленні випаровуванням і сублімацією матеріалу катода. Для діодної схеми розпилення щільність потоку мен­ша - 1014... 1016 част/(см2с).

Від способу напилення також залежить ступінь іонізації. Діодна та тріодна схеми забезпечують ступінь іонізації, яка наближається до 1%. Магнетронна схема дозволяє збільшити ступінь іонізації розпилених атомів до 20% і більше.

Енергія розпилених атомів на багато разів вища енергії атомів, які випаровуються.

Середня енергія розпилених атомів залежить від енергії бомбар­дуючих іонів Е, властивостей розпилюваного матеріалу, кута вильоту і може досягати значення 200 еВ і більше.

Основною перевагою методу нанесення покриття іонним катодним розпиленням є можливість отримання високоякісного покриття з мета­лів, сплавів (у тому числі багатокомпонентного складу), хімічних сполук (при введенні у газорозрядну плазму реакційних газів); висока адгезія покриття до основи; збереження стехіометричного складу та рівномірно­сті плівки по товщині на великій площі основи і висока чистота поверхні покриття, яка у більшості випадків не вимагає додаткової механічної обробки.

До недоліків методу відноситься:

- низький ККД процесу (приблизно 1%), тому що більша частина енергії витрачається на нагрівання матеріалу, що розпилюється;

- недостатня ступінь іонізації потоку розпилених часток, особливо при діодній та тріодній схемах розпилення.

Великі можливості є в удосконаленні магнетронної схеми розпи­лення. Перспективними є способи розпилення пучком прискорених іонів, які отримують в окремих камерах; іонно-кластерний метод, де конден­сується іонізований потік багатоатомних часток (кластерів) та інші.

Покриття, отримані іонним (катодним) розпиленням, використову­ються для нанесення тонкого захисного покриття на прецизіонних дета­лях машин та приладів, таких як опори з газовим змащенням, на підшипниках ковзання та качення для приладів, підвищення стійкості ріжучого інструменту.