Физика магнетронного разряда. Основные термины и определения.

ЗНАКОМСТВО С ВАКУУМНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ «Caroline D12A» И ИСЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ ПОЛУЧЕНИЯ АМОРФНЫХ И ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЛОЕВ НЕОРГАНИЧИСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Электронное учебное пособие

Рассмотрены физические основы магнетронного распыления материалов, разновидности магнетронных систем для нанесения тонких пленок, в том числе и импульсные магнетронные распылительные системы на примере установки «Caroline D12A». Исследованы технологические режимы получения данным методом аморфных и поликристаллических слоем различных неорганических материалов.

Содержание

Введение........................................................................................................................................ 4

1. Физика магнетронного разряда. Основные термины и определения................................. 6

2. Движение частиц в магнетронном разряде.......................................................................... 17

3. Разновидности магнетронных распылительных систем (МРС)........................................ 29

4. Импульсные магнетронные распылительные системы. Устройства и принцип работы. 37

5. Применение импульсных МРС на примере промышленной установки Caroline D12A. 50

5.1. Назначение и устройство установки. Основные технические характеристики....... 50

5.2. Основные блоки и модули установки........................................................................... 55

5.3. Работа установки в автоматическом режиме................................................................ 58

6. Технологические аспекты работы МРС............................................................................... 74

6.1. Рабочие параметры магнетронов................................................................................... 74

6.2 Напыляемые материалы................................................................................................... 75

6.3 Скорость осаждения.......................................................................................................... 76

6.4 Равномерность распределения толщины распыляемых пленок.................................. 80

6.5 Адгезия пленок полученных магнетронным напылением.......................................... 82

6.6 Анализ пленок................................................................................................................... 84

Заключение.................................................................................................................................. 85

Список литературы................................................................................................................... 865

Введение

Технология получения высококачественных и воспроизводимых по параметрам тонкопленочных покрытий является одной из актуальных задач микроэлектроники, оптики, машиностроения и других отраслей промышленности, включая автомобилестроение и строительство зданий.

Современные тенденции в выборе получения тонких пленок с заданными свойствами основываются в первую очередь на показателях экономической эффективности и производительности, а также на возможности простого управления процессом и его автоматизации в производственных условиях. В соответствии с этим наиболее перспективным методом считается осаждение пленок, стимулируемое плазмой, или так называемое ионно-плазменное распыление.

Среди широкого класса устройств для генерации потока осаждаемых частиц на основе эрозии электродов в вакуумном разряде особое место занимают магнетронные распылительные системы (МРС). В настоящее время они становятся основным технологическим инструментом для получения тонкопленочных покрытий методом распыления материалов ионной бомбардировкой. Благодаря использованию в этих системах скрещенных электрического и магнитного полей повысилась эффективность ионизации газа, а плотность плазмы стала в десятки раз больше, чем в безмагнитных устройствах катодного (диодного) распыления. В результате значительно возросли плотность ионного тока на катод и скорость ионного распыления, удалось снизить давление рабочего газа и улучшить многие характеристики наносимых слоев.

МРС заняли лидирующее положение в технологии тонкослойных покрытий из различных материалов для микроэлектроники, устройств записи информации и дисплеев.

Во многих случаях тонкие пленки, получаемые с помощью МРС, обеспечивают выполнение тех же функций, что и более толстые слои, наносимые другими методами. Поэтому магнетронное распыление все чаще используется для нанесения упрочняющих, износоустойчивых, защитных, декоративных и других видов покрытий. Размер изделий может составлять от долей миллиметров до нескольких метров, а по форме это могут быть пластины, трубки, гибкие полимерные пленки, полотна из бумаги или ткани и так далее.

Важной особенностью магнетронного распыления является отсутствие в потоке осаждаемого вещества капельной фазы и микрочастиц в отличие от термического испарения с использованием вакуумно-дугового и электронно-лучевого нагрева.

В последнее время МРС стали использовать для получения однослойных и многослойных покрытий на элементах оптической и квантово-оптической техники, а также в интегральной оптике.

Интенсивно развивается магнетронная технология нанесения оптических покрытий на архитектурные и автомобильные стекла, а также рулонные материалы большой ширины.

МРС позволяют распылять практически все виды материалов, включая металлы и сплавы, простые и сложные диэлектрики, полупроводники и керамику. Осаждаемые материалы могут сочетаться в различных комбинациях и в виде многослойных покрытий, толщина которых может составлять от десятков нанометров до десятков микрометров.

Весьма перспективной областью применения МРС является нанотехнология, в частности технология получения нанокомпозитных и наноструктурированных объемных и тонкопленочных материалов.

Кроме того, такие устройства, обеспечивающие длительный ресурс работы, позволяют создавать установки полунепрерывного и непрерывного действия, удобные для эксплуатации в промышленных условиях. Многие ведущие зарубежные фирмы создали и выпускают в настоящее время широкую гамму оборудования на основе магнетронных распылительных систем.

Все это делает актуальным вопрос о внедрении и дальнейшем развитии техники и технологии нанесения тонкопленочных покрытий с заданными свойствами в различных отраслях промышленности с использованием магнетронных распылительных устройств.

 

Физика магнетронного разряда. Основные термины и определения.

 

Ионное распыление – это процесс кинетического выбивания атомов с поверхности твердого тела (мишени) за счет передачи импульсов от ионов плазмы к атомам мишени при бомбардировке ее поверхности ионами. Физические процессы, приводящие к ионному распылению, его характеристики и особенности детально описаны в литературе [1,2,7,8].

Коэффициент распыления S определяется по формуле

(1.1)

где N_a – количество распыленных атомов,

N_i – количество ионов, распыливших эти атомы.

Ионное распыление начинается, когда энергия иона ε_i превышает пороговое значение ε_пор. Величина ε_пор слабо зависит от массы сталкивающихся частиц и находится в диапазоне 10-30 эВ. При ε_i меньше ε_пор распыления атомов мишени не происходит, но возможна десорбция поверхностных загрязнений и химических реакций с ними. В таблице 1.1 приведены значения коэффициентов S некоторых материалов при распылении их ионами Ar⁺ с энергией ε_i=600 эВ.

Таблица 1.1 Коэффициенты распыления различных материалов

Мишень	Ag	Al	Au	Be	Co	Cr	Cu	Fe	Ge	Hf	Mo	Nb	Ni	Pd	Pt	Si	Ta	Ti	V	W	Zr
S	3,4	1,2	2,8	0,8	1,4	1,3	2,3	1,3	1,2	0,8	0,9	0,6	1,5	2,4	1,6	0,5	0,6	0,6	0,7	0,6	0,8

 

Коэффициент распыления зависит от многих факторов.

Зависимость S от энергии ионов ε_i . При энергиях до 70-80 эВ функция S(ε_i) быстро нарастает, затем постепенно снижается и при 10-40 кэВ наступает насыщение. Энергическую эффективность ионного распыления можно оценить величиной η, равной отношению массы материала, распыляемого в единицу времени с единицы площади, к плотности мощности ионной бомбардировки. Последний параметр определяется как произведение плотности ионного тока на ускоряющее напряжение. Максимальное значение η достигается при энергии ионов 300-450 эВ [2]. При этой энергии наибольшая ее часть расходуется на процесс распыления материалов. Необходимо отметить, что в МРС энергия ионов соответствует значениям η, близким к максимальным.

Зависимость S от угла падения ионов φ: при увеличении φ от 0 до 40-70⁰ наблюдается рост S в соответствии с аппроксимационной формулой (1.2):

, (1.2)

где S(0) – коэффициент распыления при нормальном падении ионов на мишень. При дальнейшем увеличении φ величина S уменьшается и при φ=90⁰ практически равна нулю. В магнетронном разряде, как правило, φ=0, поскольку граница плазмы, служащая источником ионов, идет параллельно поверхности мишени (катода), а силовые линии электрического поля в темном катодном пространстве представляют собой прямые перпендикулярные поверхности мишени.

Зависимость S от массы бомбардирующих ионов М_i: коэффициент распыления S увеличивается с возрастанием М_iи атомного номера иона в области энергий, характерных для магнетронного разряда. На практике чаще всего в качестве рабочего газа, из которого образуют ионы, используют аргон, который достаточно хорошо распыляет материалы и относительно дешёвый.

Зависимость Sот атомного номера распыляемого материала имеет сложный периодический характер; в пределах периода таблицы Д.И. Менделеева Sвозрастает по мере заполнения электронных d-оболочек.

Зависимость Sот температуры мишени отсутствует в диапазоне от нуля до нескольких сотен градусов.

Распылённые частицы обладают значительной кинетической энергией (примерно от 1 до 10 эВ), благодаря которой они способны перемещаться на большие расстояния от мишени. Если на пути частиц располагается подложка, они конденсируются на ней, образуя слой из распылённого материала мишени. Этот процесс, собственно, и лежит в основе ионной технологии нанесения тонких плёнок.

На рис. 1.1 приведены распределения по энергиям атомов алюминия и вольфрама, распылённых ионами аргона. Энергия распылённых частиц значительно превосходит энергию частиц, полученных путём термовакуумного испарения, которая составляет приблизительно 0,1эВ. Повышенная энергия распылённых частиц приводит к энергетической активации процесса конденсации частиц на подложке и существенно влияет на свойства получаемых тонких плёнок. В частности, повышается адгезия плёнок к подложке и уплотняется их структура.

 

Рис. 1.1. Распределение распылённых атомов по энергиям

 

При бомбардировке мишеней сложного состава распылённые частицы могут быть не только в виде отдельных атомов, из которых состоит вещество мишени, но и молеку­лярных образований. При распылении оксидов и нитридов в инертном газе конденсат на подложке не будет полностью соответ­ствовать химическому составу мишени из-за частичной диссоциации распылённых молекул и потери ими кислорода и азота. Чтобы восстановить стехиометрию состава плёнок распыление проводят в смеси аргона с соответствующим реакционным газом.

Ионная бомбардировка мишени приводит к распылению материала не только в виде нейтральных атомов и молекул, но и в виде ионов. Доля ионов весьма мала, и в большинстве случаев ею можно пренебречь, но распылённые нейтральные частицы могут ионизоваться в разрядном промежутке, и в таком случае их доля в потоке вещества, прибывающем к подложке, может достигать десятков процентов.

Ионная бомбардировка мишени приводит к вторичной ион-электронной эмиссии (её часто называют γ-эмиссией, т.к. она определяется коэффициентом γ в известной теории газового разряда Таунсенда) [9,10]. Коэффициент γ определяется отношением тока вторичных электронов к току первичных ионов. Эта эмиссия очень важна для поддержания самостоятельного разряда, если мишень является катодом разряда, используемого для генерации ионов. Условие его самоподдержания выражается уравнением (1.3):

, (1.3)

где М - коэффициент генерации ионов в газе, определяемый количеством ионов, приходящих на катод при выходе из него одного γ-электрона. Этот коэффициент характеризует процессы ионизации газа в объёме разряда и прихода ионов на катод.

Вторичная ион-электронная эмиссия имеет две составляющие - потенциальную и кинетическую эмиссии, названные в соответствии с механизмом выхода электронов из твёрдого тела. Первый вид эмиссии происходит под действием поля ионов, подошедших к поверхности тела, и не зависит от энергии ионов. Кинетическая эмиссия обусловлена передачей ионами части своей кинетической энергии электронам; эта составляющая γ-эмиссии пропорциональна ε_i в киловольтовом диапазоне энергий ионов.

На рис. 1.2 приведены зависимости коэффициента γ от энергии ионов Не⁺ и Аr⁺, бомбардирующих молибде­новую мишень. Как видно, при ε_i, в диапазоне сотен электрон вольт, соответству­ющих магнетронному разряду, γ-эмиссия практи­чески не зависит от энергии ионов, т.е. является потенциальной, а для ионов аргона величина γ ~ 0,1. На γ-эмиссию влияют различные факторы: род ионов, химический состав поверхности мишени (наличие окисных плёнок, диэлектрических включений и других загрязнений) и геометрия её поверхности.

γ [эВ/ион]

Рис. 1.2. Зависимости коэффициента ион-электронной эмиссии γ от энергии ионов Не⁺ и Аг⁺, бомбардирующих молибденовую мишень [2]

 

Необходимо отметить, что не только ионы вызывают вторичную эмиссию мишени в МРС. Она также происходит под воздействием возбуждённых метастабильных частиц и фотонов из разрядной плазмы и вследствие бомбардировки высокоэнергетичными нейтральными частицами. Однако, потенциальная γ-эмиссия имеет преобладающее значение.

Нагрев мишени: основная доля первичной мощности бомбардирующих ионов (~ 80 %) выделяется в виде тепла, поэтому мишени распылительных устройств требуют принудительного охлаждения. Мощность, расходуемая непосредственно на распыление материала мишени, не превышает 5 %, а расход остальной части мощности связан с внедрением ионов в тело мишени, её радиационными повреждениями, обратным рассеиванием ионов, вторичной электронной эмиссией и электромагнитным излучением. Таким образом, энергетический КПД распылительных устройств не высок и составляет всего лишь несколько процентов.

Имплантация ионов в мишень и их адсорбция: поскольку энергия ионов в магнетронном разряде не превышает 1 кэВ, ионы внедряются только в тонкий приповерхностный слой, затем они, а также адсорбированные ионы, освобождаются в нейтрализованном состоянии (в виде атомов) в процессе дальнейшего ионного распыления и десорбируются.

Обратное рассеивание (отражение) ионов: часть ионов при ударео поверхность мишени рассеивается обратно в виде нейтральных атомов рабочего газа [9,11]. Доля же обратно рассеянных ионов, которые сохранили свой заряд, составляетмалую величину (~10^-3), поэтому их можно не принимать во внимание. Коэффициент отражения зависит от энергии первичных ионов, рода ионов и материала мишени. Для ионов аргона в условиях магнетронного разряда его величина может достигать 20%, а в среднем она порядка нескольких процентов. При нормальном падении ионов обратно рассеянные атомы распределяются по углам вылета по закону косинуса, а спектр их энергий простирается от нуля до энергии первичных ионов. Средняя энергия отражённых частиц достигает 100 эВ. Обратно рассеянные атомы летят в сторону подложки и могут передавать ей значительную энергию. Так, при осаждении алюминия со скоростью 0,6 мкм/мин с помощью магнетронного разряда в среде аргона плотности мощностей, передаваемых подложке, составляет [2]:

- за счёт конденсации атомов Аl около 1,7 Дж/(мин-см²),

- за счёт кинетической энергии распылённых атомов Al примерно 4,4 Дж/(мин-см²),

- за счёт кинетической энергии обратно рассеянных атомов Аr - около 1,5 Дж/(мин-см²).

Для реализации метода ионного распыления материала, из которого формируется пленка на подложке необходимы свободные ионы, ускоренные до таких скоростей при которых коэффициент распыления материала мишени имеет практически значимую величину. Для получения ионов применяют различные газовые разряды и распылительные системы. Последние разделяют на два типа в зависимости от способа получения свободных ионов: ионно-плазменные (диодная, триодная и магнетронная) и ионно-лучевые [4]. В первых источником ионов служит газоразрядная плазма, создаваемая в непосредственной близости от распыляемой мишени. Во вторых системах ионы генерируются в отдельном устройстве – ионном источнике (ионной пушке), где и происходит ускорение ионов, которые затем в виде ионного луча направляются на мишень.

В дальнейшем будут рассмотрены только ионно-плазменные системы, а именно магнетронные системы распыления материалов.

В МРС мишень одновременно служит как источником распыляемого материала, так и катодом генерирующим ионы. Анодом служит либо подложкодержатель, либо стенки газоразрядной камеры. Поскольку потенциал разрядной плазмы близок к потенциалу анода, в этих системах напряжение, ускоряющее бомбардирующие мишень ионы, примерно равно разрядному напряжению порядка 0,5кВ и выше, которые соответствуют максимальному значению энергетической эффективности ионного распыления и может поддерживаться при низком давлении. Этому требованию соответствуют аномальный тлеющий разряд с питанием напряжением постоянного или переменного тока с наложением поперечного магнитного поля.

Разряды можно классифицировать по конфигурации и ориентации магнитного поля относительно электрического

- разряды в скрещенных полях или в поперечном магнитном поле т.е. когда В^Е;

- разряды в параллельном или продольном магнитном поле т.е. когда В║Е;

- разряды в квадрупольном магнитном поле (при квадрупольной системе электродов можно получить скрещенные поля; при плоских электродах – в зависимости от их площади и расположения – либо скрещенные поля, либо смешанные);

- разряды в смешанных и гибридных полях (в части межэлектродного промежутка – скрещенные, в части – параллельные, в части силовые линии электрического и магнитного полей наклонены друг к другу).

Отнесение разрядов к той или иной разновидности зависит не только от конфигурации магнитного поля, но и от формы электродной системы.

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: