Лабораторная работа № 4 Получение пленок методом ионно-плазменного распыления

Метод катодного распыления имеет четыре разновидности:

1. Катодное распыление (диодная система, представленная в работе №3).

2. Ионно-плазменное распыление (триодная система).

3. Катодное распыление с применением распылителя магнетронного типа.

4. Катодное реактивное распыление.

Методы катодного распыления, как уже отмечалось выше, имеют ряд преимуществ перед термическим испарением в глубоком вакууме. Все системы обеспечивают применение массивных и однородных по химическому составу мишеней; имеется возможность управления распылением с помощью изменения величины ионного тока и напряжения на мишени и поддержание этих параметров постоянными, в результате чего пленки получаются со стабильными и воспроизводимыми характеристиками. Кроме того, обеспечивается лучшая, чем при методе термического испарения, адгезия пленки к подложке.

Как уже отмечалось, сущность метода катодного распыления состоит во взаимодействии ускоренного потока ионов с поверхностью мишени, вследствие чего поверхностные атомы мишени распыляются в окружающее пространство. Наряду с видимой простотой, катодное распыление является весьма сложным процессом, поскольку сопровождается одновременно многочисленными физическими и химическими явлениями как на поверхности распыляемой мишени и на поверхности подложки, так и в пространстве мишень-подложка. Эти процессы взаимосвязаны, и изменение тех или иных условий проведения распыления существенно влияет на свойство полученной пленки.

Важнейшей характеристикой процесса распыления является коэффициент распыления S:

где k-коэффициент, характеризующий состояние поверхности мишени; m₁ и m₂-массы налетающего иона и атома мишени; Е-энергия иона; l(Е)-средняя длина свободного пробега иона в материале мишени.

Коэффициент распыления определяется как отношение числа выбитых атомов к числу ионов, падающих на мишень. Величина S для металлов в твердом и жидком состоянии отличается не очень сильно. Исключение составляет область высоких температур, при которых становится существенным термическое испарение материала мишени.

В некотором диапазоне энергий зависимостью l от энергии можно пренебречь, и коэффициент распыления будет пропорционален энергии ионов. Однако при увеличении энергии длина свободного пробега увеличивается, и S достигает максимального значения, причем положение максимума сильно зависит от массы ионов и соответствует диапазону от 10³ эВ для легких ионов водорода или гелия до 10⁵ эВ для тяжелых ионов. При дальнейшем повышении энергии S начинает уменьшаться в связи с резким увеличением длины свободного пробега, т.е. переходом из области катодного распыления в область ионной имплантации. Энергетический спектр атомарного потока при катодном распылении определяется условиями проведения процесса. Основная масса распыленных атомов имеет энергию от нескольких единиц до нескольких десятков эВ. Процесс переноса вещества при катодном распылении в отличие от вакуумно-термического испарения уже не является кинетическим, т.к. рабочее давление в камере составляет обычно от 10^-1 – 10^-2 торр, а длина свободного пробега частиц падает соответственно до 0,05–5 см и становится соизмеримой с расстоянием источник–подложка. При этом механизм переноса является диффузионно-кинетическим или даже диффузионным, когда скорость процесса зависит от концентрации частиц и их коэффициента диффузии в газовой фазе.

Простейшей системой катодного распыления является диодная система, в которой тлеющий разряд поддерживается за счет ионно-электронной эмиссии. Основным преимуществом этой системы является простота и возможность создания равномерной плотности плазмы в большом объеме прикатодного пространства, что позволяет получить равномерные покрытия на большой площади.

Недостатком метода является узкий диапазон рабочих давлений, определяемых условием возникновения и поддержания тлеющего разряда. Чистота катодно осажденных пленок тем выше, чем ниже парциальное давление активных газов в камере распыления и чем выше скорость осаждения. Скорость формирования пленки находится в зависимости от давления в камере Р, плотности тока на мишень j_м и ускоряющего потенциала U_м.

Поэтому для достижения больших скоростей осаждения необходимо снизить давление в камере с тем, чтобы свободный пробег атомарных частиц был больше расстояния мишень-подложка и повысить плотность ионного тока на распыляемую мишень для увеличения плотности атомарного потока. Эти условия можно выполнить в том случае, когда горение разряда будет поддерживаться дополнительным источником электронов.

Триодная система или система ионно-плазменного распыления состоит из трех независимо управляемых электродов (рис.10): источника электронов (1), анода (2) и мишени (3). В качестве источника электронов используется вольфрамовый термокатод. Мишенью служит распыляемый материал. Между катодом и анодом прикладывается напряжение (100-200 В). Затем в рабочую камеру напускается рабочий газ до давления 10^-3 торр и возбуждается разряд.

Пока мишень находится под потенциалом плазмы, направленной бомбардировки ее поверхности не происходит. Тем не менее, возникающие в разряде ионы с низкой энергией при своем хаотическом движении могут бомбардировать и мишень, и подложку. При этом удаляются загрязнения, которые остались после предварительной химической обработки. Когда на мишень подается отрицательный потенциал (до 4000 В), положительные ионы бомбардируют ее поверхность с энергией, достаточной для распыления. Ионы легко теряют свою кинетическую энергию при соударениях с атомами газа, так как массы сталкивающихся частиц практически равны. Поэтому ионы

Рис.10. Схема трехэлектродной системы распыления

достигают мишени с энергией, приобретенной ими в электрическом поле на последней длине свободного пробега l перед нею, т.е. с энергией, пропорциональной lЕ, где Е-напряженность поля у мишени. Эта энергия может быть существенно ниже U_м.

При давлении 10^-3 торр средняя длина свободного пробега равна, например, 50 мм. Поэтому лишь небольшое число распыленных атомов претерпевают столкновения с молекулами и ионами газа в пространстве мишень-подложка. Это приводит к высокой скорости осаждения пленок и заметному уменьшению загрязнения пленки остаточными газами.

Скорость распыления регулируется изменением тока эмиссии термокатода, давлением и напряжением на мишени. При постоянной плотности плазмы скорость распыления регулируется только напряжением на мишени и может изменяться в широких пределах. С одной стороны, это обеспечивает широкий диапазон варьирования скоростей напыления, а с другой - может обусловить невоспроизводимость процесса образования пленок. В связи с этим целесообразным является такой режим работы системы распыления, когда регулирование скорости осуществляется одним параметром.

Таким образом, можно указать на следующие преимущества триодной системы распыления по сравнению с диодной:

1) достигаются более высокие скорости осаждения;

2) уменьшается пористость и повышается чистота пленок;

3) осуществляется более гибкое управление процессом осаждения;

4) полученные пленки обладают лучшей адгезией к подложке.

Экспериментальная установка, изображенная на рис.11, позволяет получить металлические и диэлектрические пленки методом ионно-плазменного распыления.

Рабочая камера (9) имеет форму цилиндра и выполнена из нержавеющей стали. Сверху она закрывается стеклянным колпаком (6) с резиновым уплотнением (8). В боковой камере (11) расположен вольфрамовый термокатод (10), который разогревается пропусканием по нему тока до температуры 2800° С, достаточной для требуемой эмиссии электронов. Полый цилиндрический анод (3) изготовлен из нержавеющей стали. Катодные выводы (12) и анод имеют водяное охлаждение, необходимое для предохранения от перегрева.

Мишенью служат распыляемый материал (2). Она расположена в нижней части рабочей камеры. Диаметр мишени равен 50 мм. С нерабочей стороны она закрыта экраном (1), имеющим нулевой потенциал. Расстояние между мишенью и экраном везде меньше длины темного катодного пространства. Это необходимое условие для того, чтобы между экраном и мишенью не зажегся разряд.

Устройство для крепления подложек состоит из диска (7), на котором расположено несколько подложек. Диск приводится во вращение электромотором (5). Это позволяет последовательно получать пленки на всех подложках в едином цикле без разгерметизации вакуумной камеры. Расстояние между мишенью и подложками составляет 90 мм.

Рис.11. Схема экспериментальной установки ионно-плазменного распыления

Напуск рабочего газа в систему осуществляется через штуцер (13), а напуск атмосферы для разгерметизации камеры - вентилем (14).

Вакуумная схема установки, изображенная на рис.12, состоит из рабочей камеры (1), системы откачки и напуска рабочего газа. Откачка осуществляется форвакуумным насосом (4) типа 3 НВР-1Д и диффузионным насосом (7) типа Tungsram. Напуск плазмообразующего газа осуществляется и регулируется с помощью игольчатого натекателя (2) типа НК-2Р. Давление в системе измеряется вакууметром ВИТ-2 сдатчиком ПМТ-2 (10). Ручки управления вакуумными коммуникациями "Затвор диф. насоса" (8), "Байпас" (6), "Напуск воздуха в насос" (3) и "Форвакуум" (5) выведены на переднюю стенку каркаса.

Рис.12. Вакуумная схема установки ионно-плазменного распыления

Рис. 13. Пульт управления установкой ионно-плазменногораспыления

На пульте управления установкой расположено (рис.13):

1-кнопка отключения форвакуумного насоса;

2-кнопка включения форвакуумного насоса;

3-индикатор включения форвакуумного насоса;

4-тумблер "Накал катода";

5-индикатор включения накала катода;

6-индикатор "Затвор диф. насоса открыт";

7-индикатор "Затвор диф. насоса закрыт";

8-прибор "Ток мишени";

9-прибор "Напряжение на мишени";

10-прибор "Ток разряда";

11-прибор "Напряжение разряда";

12-тумблер "Разряд";

13-ручка "Регулировка тока разряда";

14-индикатор включения разряда;

15-тумблер "Мишень";

16-ручка "Регулировка тока мишени";

17-индикатор включения мишени.

Дата добавления: 2014-12-23