Исследование производительности работы магнетронной распылительной системы с жидкометаллической мишенью

Ключевая особенность AutoCAD - это его неисчерпаемые возможности настройки. Менять можно что угодно: пользовательские меню, систему команд, стили отображения объектов. Развитый интерфейс программирования, поддерживающий языки AutoLISP, Visual Lisp, Visual Basic for Applications и даже C++, дает возможность пользователю строить собственные системы автоматизированного проектирования, в полной мере пользуясь функционалом AutoCAD. Благодаря этому, AutoCAD стал общепринятой платформой для создания САПР [17].

При создании рисунка могут использоваться различные стандарты. Иногда они диктуются государственными и отраслевыми стандартами или нормами предприятия, иногда -- требованиями заказчика. Ключевой момент как для непосредственных исполнителей, так и для руководителей групп, контролирующих ход выполнения проекта, -- грамотная подготовка начальных параметров рисунка [18].

Для разработки чертежей конструкции МРС с жидкометаллической мишенью использовалась программа AutoCAD 2004. Был разработан комплект чертежей. Общий корпус данного чертежа представлен на рисунке17.



Рисунок 17-Общий корпус магнетрона с жидкометаллической мишенью.

В ходе работы была освоена методика работы в среде AutoCAD. Размеры данной МРС небольшие, так как это устройство используется в лабораторных целях и, тем самым, не нужно применять мощные источники питания.

Материалы составных частей:

- мишень (свинец);

- тигель (молибден);

- корпус (сталь 3);

- фланец (сталь 3);

-постоянные магниты(SmCo)

3. Методы исследования параметров тонких пленок

3.1 Методы измерения толщины тонкопленочных покрытий

Пленка в зависимости от толщины имеет разные свойства. Какими же способами определяется толщина тонкопленочных покрытий[7]?

Существует огромное количество методов для определения толщины пленок. В данной работе измерение толщины тонкопленочных покрытий будет осуществляться методом ступеньки. Данный метод является самым надежным. Присутствует образец свидетель (специальные пластинки, на которые наносится пленки в тех же условиях). Если пленка непрозрачна, а в некоторых случаях также и при исследовании прозрачных пленок, на образце делается ступенька (часть поверхности остается без пленки). Ступеньку можно получить экранирования части поверхности при нанесении пленки или вытравливании канавки специальным реактивом, растворяющим пленку, но не действующим на деталь[19].

Толщина является основным параметром тонких пленок. Стандартные методы прямого измерения толщины заключаются в определении разности высот между границами пленка-подложка и пленка-поверхность или пленка-пленка в случае многослойных структур. Для этого различными способами (например, раскалывания, царапания или травления) получают поперечное сечение пленочной структуры и анализируют при помощи микроскопов его изображение [20].

В данной работе для исследования поверхности использовался контактный метод. Контактные электромеханические приборы, предназначенные для измерений параметров шероховатости поверхности, называют профилометрами, а такие же приборы для записи неровностей поверхности - профилографами[21].

Профилометры появились во 2-й половине 30-х годов XX века одновременно со схожими приборами профилографами. Контактный профилометр имеет датчик, оборудованный алмазной иглой. Алмазная игла перемещается перпендикулярно проверяемой поверхности, а датчик генерирует сигналы. Сигналы, полученные от датчика, проходят через электронный усилитель, обработка нескольких сигналов позволяет получить усреднённый параметр шероховатости поверхности -- усреднённый показатель количественно характеризует неровности поверхности в расчёте на определённую длину [22].

Существует два вида профилометров: оптические и механические. Оптический профилометр содержит источник белого цвета, что позволяет визуализировать поверхность, восстанавливать трехмерный рельеф поверхности, проводить измерение толщины покрытий, шероховатости поверхности [23].

Механический профилометр производит измерение неровности поверхности с помощью заточенной иглы.

При контактном методе измерения неровностей поверхности в качестве щупа используют остро заточенную иглу, поступательно перемещающуюся по определенной трассе относительно поверхности. Ось иглы располагают по нормали к поверхности. Опускаясь во впадины, а затем, поднимаясь на выступы во время движения ощупывающей головки по испытуемой поверхности, игла колеблется относительно головки соответственно огибаемому профилю. Механические колебания иглы преобразуются, как правило, в электрические при помощи электромеханического преобразователя того или иного типа. Снятый с преобразователя полезный сигнал усиливают, а затем измеряют его параметры, характеризующие неровности исследуемой поверхности (профилометрирование), или записывают параметры профиля поверхности в заранее выбранных вертикальном и горизонтальном масштабах (профилографирование) [21].

Измерение толщины покрытия производилось с помощью контактного профилометра, степени точности 1 по ГОСТ 19300-86, модели 130, предназначен для измерения профиля и параметров шероховатости по системе средней линии (ГОСТ 25142-82) в соответствии с диапазонами значений, предусмотренными ГОСТ 2789-73.Данный профилометр представлен на рисунке 18.

Рисунок 18- Внешний вид профилометра модели 130 с управляющим компьютером.

Принцип работы профилометра основан на ощупывании алмазной иглою неровностей измеряемой поверхности в процессе её перемещения вдоль измеряемой поверхности и последующем преобразованием возникающих при этом механических колебаний иглы индуктивным датчиком в измеряемый сигнал. Схематическая конструкция профилометра модели 130 показана на рисунке19.

Рисунок 19 - Схематическая конструкция профилометра модели 130.

Измеряемая деталь устанавливается на плиту 1 стойки или, если это необходимо, на призму 2, которую можно двигать по плите вдоль направления трассирования, а также класть набок для укладки плоских деталей. Датчик 14 закрепляется своим хвостовиком диаметром 10 мм в гнезде движущегося при трассировании штока привода 12 и фиксируется винтом 13. Привод 7, предназначенный для осуществления трассирования, крепится на каретке 10 стойки винтом крепления привода 5. Каретка имеет сзади стопорный винт, при ослаблении которого каретка может свободно перемещаться по колонне 11 стойки вверх-вниз с поворотом вокруг оси колонны. При этом для страховки от удара датчика о деталь при перемещении каретки вниз необходимо использовать стопорное кольцо 4. После фиксации каретки на какой-то ориентировочной высоте каретка может плавно перемещаться в вертикальном направлении по колонне стойке с помощью рукояток 8 с обеих сторон каретки с фиксатором 9 перемещения каретки, который наряду с усилителем 3 колонны стойки служит для уменьшения вибраций датчика относительно детали в процессе трассирования.

На плите могут измеряться детали высотой до 220 мм. Если повернуть привод с датчиком на 180 градусов, то под датчик можно устанавливать сколь угодно большие детали, например, железнодорожное колесо. Измерения можно проводить и без стойки, сняв с неё привод с датчиком, и положив датчик на его ножки 6 на плоскость измеряемой детали. Привод с датчиком можно также просто положить на стол, подкладывая под датчик измеряемые детали и подкладывая под привод пластины толщиной, примерно равной высоте измеряемой детали (плюс 1 мм или минус 0.2 мм относительно высоты измеряемой детали).

Из передней части корпуса 14 датчика (выноска по рисунку) выступает носик датчика 15 из нержавеющей стали, на конце которого снизу укреплена твердосплавная опора 17, и за ней на расстоянии около 0.5 мм выступает алмазная игла датчика 16 [24].

4. Экспериментальные исследования

4.1 Схема экспериментальной установки «УВН 2Н»

Схема установки показана на рисунке 20.

Вакуумная схема (ВС) собрана по стандартной схеме получения высокого вакуума на базе диффузионного паромасляного насоса Н-400.

ВС включает в себя:

Диффузионный паромасляный Н-400

Вакуумный золотниковый насос АВЗ-20д

Магистраль откачки диффузионного насоса

Затвор

Клапан вакуумный электромагнитный.

Клапан вакуумный электромеханический

Клапан вакуумный электромеханический.

Насос НВР-20 служит для форвакуумной откачки диффузионного насоса и предварительной откачки рабочей камеры.

Рисунок - 20 Вакуумная схема установки КВО.

На рисунке 20 представлена схема вакуумной установки «УВН 2Н» На данном рисунке VF 1 VF 2 VE1, VE2, VE3, VE4 - клапан вакуумный с электромагнитным приводом; Р1, СV1 ;VP1, VP2, VP3 - клапан вакуумный с электромеханическим приводом; VT1- затвор вакуумный с электромеханическим приводом; ND1 - насос вакуумный диффузионный паромасляный (Н-250); NL1 - форвакуумный насос (НВР-20); КМ1 - компрессор.

Рисунок 21 - Внешний вид установки «УВН 2Н».

На рисунке 21 представлен внешний вид установки «УВН 2Н». Слева представлен блок управленияустановки. На рисунке справа можно увидеть рабочую камеру установки «УВН 2Н».

Включение установки и получение вакуума:

Открыть общий вентиль подачи воды на установку.

Открыть вентиль подачи воды на диффузионный насос.

Подать напряжение на установку включив тумблер «380 В 50 Гц»

Включить источник питания постоянного тока

Закрыть клапан VЕ4 в положении «Закрыт». При этом на панели должна загореться соответствующая (VЕ4) индикаторная лампа красного цвета.

Включить форвакуумный насос NL кнопкой «ПУСК NL».

Открыть клапан VР1, VР3 установив тумблер VР2, VР3 в положении «Открыт» При этом на панели должна загореться соответствующая (VР1, VР3) индикаторная лампа зеленого цвета.

После достижения разряжения в камере ~ 10 Па (соответствует 2,5 mV (10 Па) по шкале термопарного индикатора вакуумметра ВИТ - 3).

Закрыть клапан VР1, открыть клапан VР2

Включить диффузионный насос ND кнопкой «ПУСК ND» на панели. Выход диффузионного насоса в рабочий режим происходит через ~ 40?45 мин.

Закрыть клапан VР2, через 30 сек ~ 1 мин открыть затвор VТ1.

Камеру откачиваем до давления 2•10-7mV(10-2 Па) по ионизационному датчику на ВИТ-3. После проведения вышеуказанных процедур и достижения необходимого разряжения в рабочей камере установка готова к работе с ионно-плазменными устройствами.

4.2 Методика эксперимента

а) изготовление образцов

Для получения тонких пленок использовался магнетрон с жидкометаллической мишенью. Пленки осаждались в вакуумной среде на стеклянные подложки размером76х25 мм.

Перед напылением подложки были подвержены механической очистке с помощью смеси зубного порошка с водой. Затем стекло помещалось над магнетроном с жидкометаллической мишенью, после чего производилось напыление тонких пленок в атмосфере аргона с использование свинцовой мишени.

Было произведено напыление двадцати двух образцов при различных режимах. Параметры напыления образцов представлены в таблицах 1 - 3.

б) измерение толщины

Измерение толщины тонкопленочных покрытий осуществлялось с помощью профилометра.

Перед началом измерения толщин тонких пленок была вырезана ступенька на середине покрытия каждого из образцов с помощью бритвы.

Образец с пленкой помещается на предметный столик, щуп с остро заточенной иглой опускается на поверхность образца. Игла поступательно перемещается по определенной трассе относительно поверхности пленки. Механические колебания иглы преобразуются в электрические, которые передаются на персональный компьютер для последующей обработки и анализа.

После обработки на экране ЭВМ отображается фотография поверхности, профиль поверхности и основные параметры, по которым можно количественно оценить толщину осажденной пленки.

5. Результаты экспериментальных исследований

5.1 Вольтамперные характеристики

Напыление производилось в вакуумной среде с использование магнетрона с теплоизолированной мишенью. Внешний вид данного магнетрона представлен на рисунке 22.

Рисунок 22- Внешний вид МРС с теплоизолированной мишень.

В результате экспериментов было произведено напыление двадцати двух образцов. Образцы представляли собой тонкие пленки свинца, осажденные на стеклянные подложки. Свинец Тпл=600К. В ходе напыления использовалась дополнительная магнитная система, которая представляла собой кольцеобразную магнитную ловушку. Также изменялось расстояние между мишенью и подложкой. Результаты данного эксперимента приведены ниже,

где:

d - расстояние мишень-подложка, см;

t1 - выход на режим, с;

t2 - время напыления, с;

Рраб - давление рабочего газа, Па;

U - напряжение на магнетроне, В;

I - ток разряда, А;

Р - мощность, Вт.

Температура плавления свинца Тпл=600К, давление откачки Р = 10-2 Па.

Таблица 1 - Протокол напыления образцов жидкофазным магнетроном с дополнительной магнитной системой (15см)

Параметры напыления
d, см	t1,c	t2,c	Pраб , Па
15	320 240 (800 Bт)	60 30 (800 Bт)	2*10-5 мВт
Напыление
Р, Вт	I, A	U, B
500	0.90	560
600	1.00	595
700	1.14	618
800	1.18	672

Таблица 2 - Протокол напыления образцов жидкофазным магнетроном без дополнительной магнитной системы (15 см)

Параметры напыления
d, см	t1,c	t2,c	Pраб , Па
15	320 240 (800 B)	60 30 (800 B)	2*10-5 мВт
Напыление
Р, Вт	I, A	U, B
500	0.78	653
600	0.85	712
700	0.95	738
800	1.09	742

Таблица 3 - Протокол напыления образцов жидкофазным магнетроном без дополнительной магнитной системы(13 см)

Параметры напыления
d, см	t1,c	t2,c	Pраб , Па
13	320	60	2*10-5 мВт
Напыление
Р, Вт	I, A	U, B
500	0.79	637
600	0.92	650
700	1.08	651

Приведем графики зависимости тока и напряжения от мощности (см. рисунки 23 -24). Данные с полученных графиков будут использоваться для определения скорости осаждения покрытий и расчета коэффициента эрозии поверхности мишени в программе для расчета для расчета скорости эрозии и осаждения пленок.

Рисунок 23- Зависимостьтока от мощности для тонкопленочных покрытий свинца.

Рисунок 24 - Зависимость напряжения от мощности для тонкопленочных покрытий свинца.

Данные значения необходимы для получения теоретических результатов: скорость осаждения, коэффициент эрозии поверхности мишени. После расчетов полученные теоретические результаты будут сопоставлены с экспериментальными.

5.2 Измерение толщины тонкопленочных покрытий с помощью

профилометра марки 130

Для измерения толщины тонких пленок свинца использовался профилометр марки 130.Ниже приведено графическое представление результатов. На рисунке 25 представлен результат измерения толщины пленки свинца с использование дополнительной магнитной системы. Параметры эксперимента: расстояние до подложки: 15 см, Р откачки = 3*10-7 мВт, Р аргона = 2*10-5 мВт, стабилизация по мощности: 500 Вт, выход на режим: 5 минут 20 секунд, время напыления: 1 минута, I = 0,9 А,U = 560 В, толщина 6,88 мкм, скорость напыления 14,7 нм/с.

Рисунок 25-Изображениефрагмента рабочей программы для профилометра поверхности образца №2, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, используя дополнительную магнитную систему.

Рисунок 26- Профиль поверхности образца №2, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, используя дополнительную магнитную систему(расстояние мишень подложка 15см).

После измерения толщины данной пленки (образец №2) методом ступеньки выяснилось, что она составила 6.88 мкм.

На рисунке 27 также измерение толщины свинцовой пленки, но уже без дополнительной магнитной системы. Параметры эксперимента: расстояние до подложки: 15 см, Р откачки = 3*10-7 мВт, Р аргона = 2*10-5 мВт, стабилизация по мощности: 600 Вт, выход на режим: 5 минут 20 секунд, время напыления: 1 минута, I = 0,85 А, U = 712 В, толщина 17,5 мкм, скорость напыления 291,3 нм/с.

Рисунок 27 - Изображение фрагмента рабочей программы для профилометра поверхности образца №11, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью без дополнительной магнитной системы.

Рисунок 28 -Профиль поверхности образца №11, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишень без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 15см)

На рисунке 29 приведен результат измерения толщины тонкой пленки свинца с учетом уменьшения расстояния между мишенью и подложкой.

Параметры эксперимента: расстояние до подложки: 13 см, Р откачки = 3*10-7 мВт, Р аргона = 2*10-5 мВт, стабилизация по мощности: 600 Вт, выход на режим: 5 минут 20 секунд, время напыления: 1 минута, I = 0,89 А,U = 688 В, толщина 18,7 мкм, скорость напыления 311,7.



Рисунок 29 - Изображение фрагмента рабочей программы для профилометра поверхности образца №20, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 13см)

Рисунок 30 -Профиль поверхности образца №20, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 13см)

Остальные графики профиля толщины тонких пленок представлены в приложении А.

Из полученных данных видно, что толщины тонких пленок и скорости их напыления имеют относительно большие значения. Если сравнить данные показатели со значениями толщин и скоростей МРС с твердой мишенью, то можно увидеть, что показатели МРС с жидкой мишенью превосходят в десятки раз. Это говорит о том, что данный магнетрон позволяет получать «толстые» тонкопленочные покрытия. Такие покрытия являются незаменимой составляющей в различных отраслях науки и техники - получение микросхем, космическая промышленность и т.д.

5.3 Измерение скорости напыления тонкопленочных покрытий

Вычисление скорости напыления осуществлялось по следующей формуле V = h / t , где h-толщина тонкой пленки, t - время напыления данной пленки, V - скорость напыления пленки. Результаты приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Протокол скорости осаждения образцов при различных режимах напыления

P стаб., мВт	Напыление с дополнительной магнитной системой (15 см)	Напыление без дополнительной магнитной системой (15 см)	Напыление без дополнительной магнитной системой (13 см)
	h, мкм	V, нм/с	h, мкм	V, нм/с	h, мкм	V, нм/с
500	3.36	56.0	8.5	141.7	7.1	118.3
500	6.88	114.7	11.0	183.3	7.8	130.0
600	7.70	128.3	17.5	291.3	19.5	325.0
600	10.90	181.7	21.6	360.0	18.7	311.7
700	20.20	336.7	25.1	418.3	31.9	531.7
700	31.00	516.7	21.0	346.0	27.9	463.7
800	14.90	496.7	9.5	316.7
800	15.00	499.3	12.9	430.0

Полученные данные представлены графически в виде зависимости V(P)(рисунок 31).

Анализируя график можно сделать выводы, что скорости напыления при разных режимах напыления для разных систем лежат приблизительно в одном диапазоне. Это говорит о том, что наличие дополнительной магнитной системы и уменьшение расстояния мишень-подложка существенно не влияют на скорости напыления.

Однако, для более точных результатов необходимо провести серию экспериментов. Более того, очень сложно создать идентичные условия для проведения экспериментов.



Рисунок 31 - График зависимости Vср (Р): 1- несбалансированный магнетрон (d=15 см), 2- сбалансированный магнетрон (d=15 см), 3- сбалансированный магнетрон (d=13 см).

Если рассмотреть процесс осаждения тонких пленок, полученных с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, используя дополнительную магнитную систему, то столб плазмы горит от катода до анода. Концентрация рабочего газа у подложки уменьшатся с внедрением дополнительной магнитной системы. Следовательно, скорости напыления будут меньше, но пленки лучше, т. е. структура пленок будет более плотной.

Что касается расстояния между подложкой и мишенью, то оно влияет на процесс осаждения тонкопленочного покрытия. Это видно из предыдущих экспериментов. Если расстояние между мишенью и подложкой очень мало (до 10 см), то начинается процесс реиспарения. Процесс реиспарения заключается в следующем: материал мишени, который очень быстро осадился на подложку, начинает испаряться и капать вниз с подложки (в нашем случае - капли свинца). Исходя из этого, выбрано расстояние для напыления более 10 см (15 и 13 см).

5.4 Измерение величин магнитного поля с помощью магнитометра

Измерение величины магнитного поля осуществлялось с помощью магнитометра. Внешний вид данного магнитометра представлен на рисунке 32.



Рисунок 32 - Внешний вид магнитометра.

Для измерения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля использовался магнитометр.

Щуп магнитометра подводился перпендикулярно к поверхности мишени и каждые 3 мм, измерялась горизонтальная составляющая индукции магнитного поля. После чего строилась зависимость индукции магнитного поля от ширины мишени. Полученные результаты представлены на рисунке 33. На данном рисунке представлена положительная часть распределения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля.

Анализируя график, можно определить максимум магнитного поля Вx(эксп)= 61,2 мТл, что немного меньше результата полученного с помощью компьютерного моделирования в пакете программ ELCUT (73 мТл).

Рисунок 33 - График распределения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля от середины до центра поверхности мишени.

6. Механизмы эрозии поверхности. Определение скорости роста пленок

и коэффициентов эрозии

Методы обработки твёрдых тел с помощью пучков заряженных частиц являются перспективным направлением в радиационном материаловедении. Заметное место среди них занимают технологии, построенные на использовании эффекта эрозии поверхности.

Попадая в конденсированное вещество, ускоренная частица теряет свою энергию в результате столкновений с атомами среды. При этом происходит их ионизация, возбуждение, смещение, образование радиационных дефектов, нагрев облучаемого вещества и другие эффекты. Структурно-фазовые превращения, вызванные тепловым действием пучка, регламентируются балансом энергии, т.е. интенсивностью её ввода в твёрдое тело и её потерь из системы по всем каналам диссипации (теплопроводность, фазовые превращения, испарение и т.д.).

Под термином «эрозия» здесь понимается явление разрушения поверхности твёрдого тела в результате удаления вещества в виде отдельных атомов, молекул или их соединений как в жидком, так и в твердом состояниях.

В основе его лежат следующие процессы:

- радиационно-стимулированная и тепловая десорбция атомов и молекул;

- распыление атомов, расположенных на поверхности и вблизи неё;

- блистеринг (отслоение вещества мишени в результате образования куполообразных вздутий в приповерхностном слое при имплантации в них больших доз ионов слаборастворимых газов);

- испарение атомов из твёрдой фазы (сублимация);

- испарение атомов из жидкой фазы, полученной в результате плавления мишени;

- откол мишени вследствие её хрупкого разрушения;

- разбрызгивание вещества из жидкой фазы и др.

Ключевым параметром для характеристики эффективности процесса удаления вещества с поверхности мишени во время облучения является коэффициент эрозии (количество удаленных атомов на одну падающую частицу) [25].

Магнетронные распылительные системы (МРС) являются очень эффективным средством осаждения тонких пленок на твердотельные подложки. Однако им свойственен существенный недостаток - относительно малая производительность (для МРС на постоянном токе скорость роста металлических пленок обычно составляет 1...10 нм/с). Ситуация существенно улучшается, если появляется возможность использовать жидкофазную мишень. Благодаря этому удается примерно на 1..2 порядка увеличить скорость роста осаждаемых покрытий [26].

Этот эффект связан с тем, что при температурах, превышающих точку плавления, дополнительно к распылению возникает интенсивное испарение атомов с поверхности мишени. Поэтому скорость осаждения покрытий также заметно увеличивается. Кроме этого, за счет того, что в жидкой фазе все металлы -- немагнитные, появляется возможность осаждать пленки из железа и никеля. Эти обстоятельства представляет большой интерес для технологических целей.

Однако МРС с жидкометаллическими мишенями сегодня еще не получили широкого промышленного применения. Одна из причин этого состоит в том, что их технологические возможности изучены пока недостаточно. Было бы желательно иметь средство для прогнозирования плотности потока эмитирующих с поверхности атомов в зависимости от мощности, вкладываемой в магнетронный разряд.

Данное прогнозирование можно осуществить с помощью разработанной модели процесса эмиссии атомов с поверхности жидкометаллических мишеней магнетронных распылительных систем, в основе которой лежит представление о том, что их поток складывается из двух независимых компонент, создаваемых столкновительным распылением и испарением. С ее помощью получены данные о характеристиках потока атомов с поверхности и скорости роста осаждаемых покрытий в зависимости от плотности мощности магнетронного разряда [25].

Ниже приведены графики зависимости коэффициента эрозии поверхности мишени от мощности при напыление образцов с помощью различных систем напыления при разных режимах. Данные графики построены с использованием данных, полученных в программе для расчета скорости осаждения покрытий и определения коэффициентов эрозии покрытий.

Рисунок 34 - Зависимость коэффициента эрозии поверхности мишени от мощности при напылении образцов с дополнительной магнитной системой (расстояние мишень-подложка 15 см).

Рисунок 35 - Зависимость коэффициента эрозии поверхности мишени от мощности при напылении образцов без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень-подложка 15 см).



Рисунок 36 - Зависимость коэффициента эрозии поверхности мишени от мощности при напылении образцов без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень-подложка 13 см).

Из графиков видно, что с появлением испарительной компоненты коэффициент эрозии поверхности мишени. Нелинейность наблюдается за счет разогревания поверхности. Данную нелинейность можно наблюдать на всех трех графиках. За счет испарения увеличивается коэффициент эрозии примерно на два порядка.

Таблица 5 - Сравнение расчетных и экспериментальных значений скорости осаждения покрытий

Pстаб., Вт	Ррасчет, Вт	I, А	U, В	(I*1.44), А	(U*1.2), В	J, А/м2	Dисп, атом/ион	Dрасп атом/ион	Dсумм атом/ион	Vdep теор, нм/с	Vdep экспер,нм/с
Напыление с использованием дополнительной магнитной системы (15 см)
500	1008	0.90	560	1.30	672.0	182	65.2	3.00	68.2	168	56.0
500	1008	0.90	560	1.30	672.0	182	65.2	3.00	68.2	168	114.7
600	1190	1.00	595	1.44	714.0	201	86.9	3.19	90.1	278	128.3
600	1192	1.00	596	1.44	715.2	201	87.4	3.20	90.6	278	181.7
700	1409	1.14	618	1.64	741.6	229	109.0	3.32	112	384	336.7
700	1413	1.08	654	1.56	784.8	218	115.0	3.50	118	384	516.7
800	1586	1.18	672	1.70	806.4	238	131.0	3.61	135	450	496.7
800	1615	1.20	673	1.73	807.6	242	133.0	3.61	137	450	499.3
Напыление без дополнительной магнитной системы (15 см)
500	1019	0.78	653	1.12	783,6	157	77.9	3.52	81.4	199	141.7
500	1012	0.76	666	1.09	799.2	153	78.6	3.59	82.2	168	183.3
600	1210	0.85	712	1.22	854.4	171	107.0	3.83	110.0	278	291.3
600	1201	0.87	690	1.25	828.0	175	102.0	3.71	106.0	278	360.0
700	1402	0.95	738	1.37	885.6	192	129.0	3.95	133.0	384	418.3
700	1418	1.19	596	1.71	715.2	239	105.0	3.20	109.0	384	346.0
800	1618	1.09	742	1.57	890.4	220	148.0	3.98	152.0	450	316.7
800	1617	1.10	735	1.58	882.0	221	147.0	3.96	151.0	450	430.0
Напыление без дополнительной магнитной системы (13 см)
500	1007	0.79	637	1.14	764.4	159	73.9	3.41	77.3	218	118.3
500	1014	0.79	642	1.14	770.4	159	75.2	3.44	78.6	218	130.0
600	1196	0.92	650	1.32	780.0	185	95.9	3.50	99.4	360	325.0
600	1225	0.89	688	1.28	825.6	179	104.0	3.70	108.0	361	311.7
700	1404	1.08	650	1.56	780.0	218	114.0	3.48	117.0	498	531.7
700	1425	1.07	666	1.54	799.2	215	118.0	3.58	122.0	498	463.7

Для построения зависимости скорости осаждения покрытий с учетом различных составляющих процесса напыления также использовались данные, полученные в программе для расчета скорости осаждения покрытий и расчета коэффициентов эрозии поверхности мишени. Данные представлены в таблице 6.

Таблица 6 -Влияние компонентов процесса на величину скорости осаждения покрытий при различных режимах

P стаб., Вт	Vdep испарение, нм/с	Vdep распыление, нм/с	P стаб., Вт	Vdep испарение, нм/с	Vdep распыление, нм/с	P стаб., Вт	Vdep испарение, нм/с	Vdep распыление, нм/с
Напыление с использованием дополнительной магнитной системы (15 см)	Напыление без дополнительной магнитной системы (15 см)	Напыление без дополнительной магнитной системы (13 см)
500	160	7.81	500	191	7.91	500	208	10.10
500	160	7.81	500	160	7.86	500	208	10.20
600	268	9.23	600	268	9.39	600	348	12.00
600	268	9.28	600	268	9.33	600	348	12.30
700	373	11.00	700	373	10.90	700	484	14.20
700	373	11.00	700	373	11.00	700	484	14.40
800	437	12.30	800	437	12.60
800	437	12.60	800	437	12.60

На рисунка 37 - 39 представлены графики зависимости скорости осаждения покрытий от удельной мощности, показана зависимость с учетом различных компонент напыления, таких как: распыление, испарение.

Рисунок 37- Зависимость скорости осаждении покрытий от удельной мощности для образцов, полученных с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью с использованием дополнительной магнитной системы (расстояние мишень- подложка 15 см).

Рисунок 38- Зависимость скорости осаждении покрытий от удельной мощности для образцов, полученных с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень- подложка 15 см).



Рисунок 39- Зависимость скорости осаждении покрытий от удельной мощности для образцов, полученных с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень- подложка 13 см).

Скорости осаждения зависят от механизмов, происходящих на поверхности мишени. Если имеется испарительная компонента, то скорости осаждения покрытий значительно увеличиваются. Из расчетов видно, что данная составляющая присутствует.

Скорость осаждения материала существенно зависит от материала тигля. На данный показатель влияет степень черноты тигля (отношение лучеиспускательной способности какого-либо тела к лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре). Чем меньше степень черноты того или иного материала, тем выше скорость роста осаждаемой пленки. Для всех реально существующих физических тел степень черноты меньше 1 [27]. Например, если взять графитовый тигель (степень черноты 0,9), то скорости значительно уменьшатся, это связно с тем, что тигель меньше испускает тепла, тем самым больше энергии тратится на удаление атомов мишени.

Заключение

В данной работе рассматриваем способы получения тонкопленочных покрытий в вакууме: термическое испарение, магнетронное распыление, кроме этого, был рассмотрен случай распыления из жидкой фазы (магнетронное распыление с теплоизолированной мишенью).Приведены недостатки и преимущества данных систем.

Была исследована производительность работы магнетрона с жидкометаллической мишенью. Смоделировано магнитное поле на поверхности мишени для данной конструкции с помощью программы ELCAT. Произведено сравнение теоретического и экспериментального значения горизонтальной составляющей индукции магнитного поля. Затем магнетрон был начерчен в программе AutoCAD.

Производилось напыление образцов с использованием следующих конструктивных особенностей - в эксперименте использовалась дополнительная магнитная система. Также изменялось расстояние пленка- подложка. Пленки осаждались на стеклянные подложки в атмосфере аргона с использованием свинцового катода.

Для измерения толщины использовался метод ступеньки. На образце бритвой вырезалась ступенька, после чего с помощью профилометра марки 130 было произведено измерение толщины тонкопленочного покрытия.

Используя данные о толщине, полученные с помощью профилометра марки 130, были получены скорости осаждения покрытия в случае использования дополнительной магнитной системы и без неё. Скорости напыления при разных режимах напыления для разных систем лежат приблизительно в одном диапазоне. Это говорит о том, что наличие дополнительной магнитной системы и уменьшение расстояния мишень-подложка существенно не влияют на скорости напыления. Однако, для более точных результатов необходимо провести серию экспериментов. Более того, очень сложно создать идентичные условия для проведения экспериментов. Что касается изменения расстояния мишень-подложка, то оно влияет на процесс осаждения тонкопленочного покрытия. Это видно из предыдущих экспериментов. Если расстояние между мишенью и подложкой очень мало (до 10 см), то начинается процесс реиспарения.

Далее с помощью программы, разработанной на кафедре водородной энергетики и плазменных технологий, были получены данные о коэффициентах эрозии поверхности тонкопленочных покрытий. Было выявлено, что присутствует не только эффект распыления поверхности, но также и испарительная компонента, которая доминирует при увеличении плотности мощности, что увеличивает значение коэффициента эрозии поверхности почти на 2 порядка.

Также обнаружена зависимость скорости осаждения пленок от степени черноты тигля магнетрона с жидкометаллической мишенью. Чем меньше степень черноты того или иного материала, тем выше скорость роста осаждаемой пленки.

Список используемых источников

1. Технология тонких пленок. Т.1./ Пер. с англ. Под ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко ; Под ред. Л. Майселла, Р. Глэнга. - М.: 1970. «Сов. Радио», 1977. - 664 с.

2. В.В. Петухов, А.А. Гончаров, В.А. Коновалов, Д.Н. Терпий, В.А. Ступак. Влияние режимов распыления и геометрии распылительной системы на толщину и состав получаемых пленок[Электронный ресурс]. - 2005. - Режим доступа: http://www.pse.scpt.org.ua/en/jornal/3-4_05/13.pdf.- Загл. с экрана.

3. Бошлакова И. Методы получения тонкопленочных структур // НаноТехнологии[Электронный ресурс]. - 2004.- Режим доступа: http://plasma.karelia.ru/pub/nano-kurs/index.php?option=content&task= view&id=31&Itemid=35 .- Загл. с экрана.

4. Б.А. Лапшинов. Нанесение тонких пленок методом вакуумного термического испарения [Электронный ресурс]. - 2006. - Режим доступа:http://fe.miem.edu.ru/downloads/files/tmiet-films.pdf .- Загл. с экрана.

5. Вакуумное напыление [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.textreferat.com/referat-2507-1.html .- Загл. с экрана.

6. Термическое испарение // Промышленный журнал [Электронный ресурс]. - Режим доступа:http://rayax.ru/tex/slovar-t-p-1/331/index.html.- Загл. с экрана.

7. Минайчев В.Е. Нанесение пленок в вакууме. Москва Высшая школа 1989г. 110с. Книга №6

8. Данилин Б.С., Сырчин В.К., Магнетронные распылительные системы, М., Р. и С., 1982. - С. 72.] [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://elib.ispu.ru/library/lessons/Poletaev/10.html.- Загл. с экрана.

9. А.А. Соловьев, А.Н. Захаров, С.В. Работкин, К.В. Оскомов, Н.С. Сочугов Характеристики плазмы несбалансированной магнетронной распылительной системы и их влияние на параметры покрытий ZnO:Ga [Электронный ресурс]. - 2008. -Режим доступа: http://www.pronika.ru/articles/2009/art2.pdf .- Загл. с экрана.

10. Кустов В.В. Особенности обработки подложки несбалансированным магнетроном // Физика и техника плазмы: Материалы межд. научно-техн. конф.- Минск, 1994.- Часть II.- С. 397 - 399. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://centrnetsi.narod.ru/2-2.htm .- Загл. с экрана.

11. Б.С. Данилин, М.В. Какурин, В.Е. Минайчев и др. Осаждение металлических пленок путем распыления из жидкой фазы //Электронная техника. Сер. Микроэлектроника. -1978. тВып. 2 (74). -С.84-87. ELCUT[Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.exponenta.ru/soft/Others/elcut/elcut.asp .- Загл. с экрана.

12. Основные сведения о пакете ELCUT [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ets.ifmo.ru/osipov/TEF.files/glava3.htm .- Загл. с экрана.

13. AutoCAD // Википедия. [2011 - 2011]. Дата обновлений 10.03.2011. URL:http://ru.wikipedia.org/wiki/AutoCAD(дата обращения: 10.03.2011).

14. Финкельштейн Э. AutoCAD 2008 и AutoCAD LT 2008. Библия пользователя = AutoCAD 2008 and AutoCAD LT 2008 Bible. -- М.: «Диалектика», 2007. -- С. 1344.

15. Азбука AutoCAD. Создание рисунков [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.autocads.ru/vved/vved_16.php.- Загл. с экрана.

16. Методы и средства измерений и контроля: Учебное пособие / В.С. Секацкий, Н.В. Мерзликина. Красноярск: ИПЦ СФУ, 2007. с. 206.

17. А.И Стогний, Н.Н. Новицкий, О.М. Стукалов. Метод контроля наноразмерной толщины бислойных пленочных наноструктур //Письма в ЖТФ. - 2003 .- №4. - С. 39 - 45.

18. Марков Н.Н. Взаимозаменяемость и технические измерения в машиностроении. - М.: Энергоиздат, 1972. - 248 с.

19. Профилометр // Википедия. [2010 - 2011]. Дата обновлений 11.05.2010. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Профилометр(дата обращения: 11.05.2010).

20. Патент России № 2085840, Оптический профилометр, И.Е. Кожеватов; Е.Х. Куликова; Н.П.Черагин, 27.07.1997г.

21. ОАО «Завод ПРОТОН-МИЭТ» Паспорт 130.0.01-ПС Сертификат об утверждении типа средств измерений РФRU.C.27.004.A №26057 от 15.12.2006г., срок до 01.01.2012г. №33319-06 в Государственном реестре средств измерений РФ. - Москва 2007.

22. Г.А. Блейхер, В.П. Кривобоков, Р.С. Третьяков, А.В. Юрьева. Тепловые и эрозионные процессы при работе магнетронных распылительных систем с неохлаждаемыми мишенями // Изв. вузов.Физика.- 2009.- 11/2.- С. 180 -185.

23. Данилин Б.С., Какурин М.В., Минайчев В.Е., Одиноков В.В., Сырчин В.К. // Электронная техника. Сер. Микроэлектроника.- 1978.- В. 2(24).- С. 84-87.

24. Степень черноты [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.led-e.ru/articles/glossary/gloss_19.php .- Загл. с экрана.

тонкопленочный вакуум магнетрон жидкофазный

Приложение

Рисунок А1 -Профиль поверхности образца №1, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, используя дополнительную магнитную систему. Толщина 3,36мкм.

Рисунок А2 -Профиль поверхности образца №2, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, используя дополнительную магнитную систему. Толщина 6,88 мкм.

Рисунок А3 -Профиль поверхности образца №3, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, используя дополнительную магнитную систему. Толщина 7,7 мкм.

Рисунок А4 -Профиль поверхности образца №4, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, используя дополнительную магнитную систему. Толщина 10,9 мкм.



Рисунок А5 -Профиль поверхности образца №5, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, используя дополнительную магнитную систему. Толщина 20,2 мкм.

Рисунок А6 -Профиль поверхности образца №6, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, используя дополнительную магнитную систему. Толщина 31 мкм.

Рисунок А7 -Профиль поверхности образца №7, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, используя дополнительную магнитную систему. Толщина 14,9 мкм.

Рисунок А8 -Профиль поверхности образца №8, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, используя дополнительную магнитную систему. Толщина 15 мкм.



Рисунок А9 -Профиль поверхности образца №9, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 15см. Толщина 8,5 мкм.

Рисунок А10 -Профиль поверхности образца №10, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 15см. Толщина 11 мкм.

Рисунок А 11 -Профиль поверхности образца №11, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 15см). Толщина 17,5 мкм.

Рисунок А12 -Профиль поверхности образца №12, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 15см).Толщина 21,6 мкм.



Рисунок А13 -Профиль поверхности образца №13, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 15см).Толщина 25,1 мкм.

Рисунок А14 -Профиль поверхности образца №14, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 15см).Толщина 21 мкм.

Рисунок А15 -Профиль поверхности образца №15, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 15см).Толщина 9,5 мкм.



Рисунок А16 -Профиль поверхности образца №16, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 15см).Толщина 12,9 мкм.

Рисунок А17 -Профиль поверхности образца №17, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 13см).Толщина 7,1 мкм.

Рисунок А18 -Профиль поверхности образца №18, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 13см).Толщина 7,8 мкм.



Рисунок А19 -Профиль поверхности образца №19, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 13см).Толщина 19,5 мкм.

Рисунок А20 -Профиль поверхности образца №20, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 13см.Толщина 18,7 мкм.

Рисунок А21 -Профиль поверхности образца №21, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 13см).Толщина 31,9 мкм.



Рисунок А22 -Профиль поверхности образца №22, полученного с помощью магнетрона с жидкометаллической мишенью, без дополнительной магнитной системы (расстояние мишень подложка 13см).Толщина 27,9 мкм.

Размещено на Allbest.ru