Установки катодного распыления, триодная схема

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

Цели и задачи

Ионно-плазменные методы получения тонких пленок

Сущность метода катодного распыления

Режимы катодного распыления

Конструктивные особенности установки катодного распыления. Триодная схема

Получение пленок методом катодного распыления, последовательность процесса

Характеристики тонких пленок, полученных методом ионного распыления

Применение тонких пленок, полученных методом катодного распыления

Достоинства и недостатки метода

Выводы по работе

Список использованных источников

Введение

В настоящее время в различных областях науки и техники широкое применение находят ультратонкие металлические пленки и многослойные пленочные структуры наноразмерной толщины. Это обусловлено рядом уникальных свойств, нехарактерных для материалов в массивном состоянии, что вызывает большой интерес к ним со стороны как учёных, так и разработчиков аппаратуры.

В связи с быстрым развитием современных компьютерных технологий наиболее актуальным является применение тонких пленок металлов, полупроводников и диэлектриков, полученных на различных подложках, для создания элементов интегральных микросхем и микропроцессорной техники, устройств оптоэлектроники и интегральной оптики, а также других изделий функциональной электроники.

Получение тонкопленочных структур осуществляют различными методами, в большинстве из которых используются гетерогенные процессы осаждения из газовой фазы.

К газофазному осаждению относятся методы с использованием вакуумной техники: термическое испарение, ионно-плазменное распыление, электронно-лучевое испарение.

Из всех перечисленных методов одним из наиболее простых и универсальных является метод катодного распыления. Его универсальность определяется возможностью осуществлять различные технологические операции: формировать тонкие пленки на поверхности подложки, травить поверхность подложки с целью создания на ней заданного рисунка интегральной микросхемы, осуществлять очистку поверхности. Этот метод является разновидностью ионно-плазменного распыления и имеет ряд особенностей, преимуществ и недостатков среди вышеперечисленных методов газофазного осаждения, о которых и пойдет речь в моей курсовой работе, на примере триодной схемы установки катодного распыления.

Цели и задачи

Цель работы: Определение закономерностей процесса формирования тонких пленок методом катодного распыления.

Задачи:

проведение исследования процесса формирования тонких слоев методом катодного распыления;

изучение влияния ряда факторов на проведение процесса получения ультратонких пленок;

выявление основных преимуществ и недостатков метода;

разработка выводов и рекомендаций.

Ионно-плазменные методы получения тонких пленок

Ионно-плазменное напыление происходит в тлеющем разряде и состоит в распылении материала отрицательно заряженного электрода-мишени под действием ударяющихся о него ионизованных атомов газа (положительных ионов) и осаждении распыленных атомов на подложку.

Для возникновения разряда между двумя электродами - катодом и анодом, расположенными в камере с низким давлением рабочего газа, как правило, инертного, например Аг, прикладывается высокое напряжение и для прохождения тока между электродами необходима постоянная эмиссия электронов с катода. Если эта эмиссия автоэлектронная (холодная), то такой разряд называется самостоятельным тлеющим разрядом. В том случае, когда приложенное напряжение превышает потенциал ионизации газа, столкновения электронов с молекулами газа вызывает их ионизацию. Возникающие ионы (Аг+) ускоряются электрическим полем и движутся по направлению к катоду.

Накопление ионов перед катодом приводит к возникновению здесь локализованного пространственного заряда и возрастанию электрического поля. Ионы, приобретающие энергию в этом поле, при бомбардировке катода вызывают как распыление материала катода (катодное распыление), так и эмиссию вторичных электронов из катода, которая поддерживает самостоятельный тлеющий разряд. Такой разряд используется в двухэлектродных системах напыления.

Двухэлектродные системы напыления - наиболее простые по конструкции. Мишень из распыляемого материала является катодом, а анодом - держатель подложек. Для эффективного осаждения распыленных атомов на подложку она должна располагаться достаточно близко к катоду. Обычно расстояние между ними составляет полторы-две длины темного катодного пространства. Такие системы принято называть двухэлектродными (рис. 1, а).

Чтобы исключить распыление обратной стороны мишени, где располагаются охлаждающие системы и устройства для крепления деталей, используются металлические экраны, имеющие потенциал анода и располагаемые от катода на расстоянии, меньшем длины темного катодного пространства.

Основными факторами, определяющими скорость ионно-плазменного напыления, являются напряжение и ток разряда (мощность разряда) и давление рабочего газа, которое выбирается в диапазоне 1-20 Па. При этом давление остаточных газов (предварительный вакуум) не должно превышать 10 Па. Большое влияние оказывают также концентрация примесей в рабочем газе и температура подложки.

При увеличении энергии ионов с ростом напряжения между электродами возрастает вероятность того, что один ион удалит несколько атомов с поверхности катода. Число атомов, удаленных с поверхности одним ионом, называют коэффициентом распыления или просто распыляемостью. Коэффициент распыления определяет скорость роста пленки и зависит от типа ионизируемого газа, для каждого из которых все металлы можно расположить в ряд по убыванию распыляемости:

в аргоне: Сd, Аg, Рb, Аu, Sn, Вi, Ni, Сu, Рt, W, Zn, Si, А1;

в азоте: Аg, Аu, Рb, Вi Сu, Рt, Ni, Сd.

Положение металла в ряду распыляемости учитывают при изготовлении конструкционных элементов установки, которые не должны распыляться в процессе получения пленок. Так, хорошо распыляемый в аргоне кадмий практически не распыляется в азоте. Это связано с различием в пороговых энергиях ионного распыления металлов в различных газах.

Другим фактором, характеризующим скорость напыления, является плотность тока разряда, поскольку она определяет число ионов, падающих на катод. Плотность тока, а, следовательно, и скорость напыления растут с повышением давления ионизируемого газа в системе. Однако при значительном увеличении давления скорость напыления начинает быстро спадать. Это обусловлено двумя явлениями, происходящими в тлеющем разряде: обратной диффузией распыленного материала к мишени (которая, как установлено, наблюдается при давлениях, превышающих приблизительно 17 Па) и перезарядкой ионов в области их ускорения. Последнее явление состоит в том, что ион передает свой заряд нейтральному атому и продолжает двигаться к катоду с прежней скоростью, но уже в нейтральном состоянии, а новый ион имеет только тепловую скорость. В результате часть ионов достигает катода, обладая низкими энергиями, и не вызывает распыления, а быстрые нейтральные атомы в основном отражаются от катода с малой потерей энергии (упругое соударение).

Присутствие в камере помимо основного инертного газа (обычно аргона) других (примесных) газов (фоновая атмосфера) уменьшает скорость нанесения пленки. Для легких ионов (водород, гелий) уменьшение скорости напыления объясняется тем, что эти ионы из-за их высокой подвижности вносят большой вклад в протекающий ток, не производя в то же время распыления материала в силу крайне низких значений коэффициентов распыления. Для кислорода - происходит образование на поверхности катода оксидного слоя с меньшим коэффициентом распыления. Например, содержание в рабочей камере 1% кислорода снижает скорость напыления металлов в 2 раза.

К числу факторов, влияющих на однородность пленки по толщине, в первую очередь следует отнести расстояние между мишенью и подложкой. Те из распыленных атомов, которые испускаются под малыми углами к поверхности катода и испытывают столкновения с атомами газа, могут не попасть на подложку. С увеличением расстояния между катодом и подложкой вероятность этого процесса возрастает.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 1 Схема катодного распыления по двухэлектродной (а) и трехэлектродной (б) схемам

1 - вакуумный колпак; 2 - экран; 3 - охлаждаемый катод (мишень); 4 - анод (подложка); 5 - термокатод; 6 - анод; ИП - источник питания.

Для того, чтобы увеличить скорость распыления материала необходимо интенсифицировать ионизацию рабочего газа. Это достигается в трехэлектродной системе (рис. 1, б), где используется не самостоятельный (инициируемый) разряд, поддерживаемый термоэлектронной эмиссией дополнительного катода. Плотность тока разряда значительно повышается, следовательно, повышается плотность тяжелых ионов, бомбардирующих катод, что увеличивает скорость распыления материала мишени и приводит к значительному (более чем на порядок) увеличению скорости роста пленок. Ежовский Ю.К. Техенология функциональных пленочных нономатериалов и наноструктур: учебное пособие. Ю.К. Ежовский; СПбГТИ(ТУ). - СПб., 2013. 92 с.

Сущность метода катодного распыления

Конструкция установки для катодного распыления, изображенной на (рис. 1.1), состоит из газоразрядной камеры 1, в которую вводится рабочий газ (обычно аргон) под давлением 1 - 10 Па; катода 2, выполняющего функцию распыляемой мишени; анода 3 и закрепленной на ней подложки 4. Между анодом и катодом подается постоянное напряжение величиной несколько киловольт, обеспечивающее создание в межэлектродном пространстве электрического поля напряженностью порядка 0,5 кВ/см. Анод заземлен, а отрицательное напряжение к катоду подается через изолятор 5. Чтобы исключить загрязнение стеклянного колпака камеры, вблизи катода закрепляют экран 6.

Рис. 1.1 Схема установки для катодного распыления.

Электрическое поле, существующее между катодом и анодом, ускоряет электроны, образующиеся в межэлектродном пространстве в результате фотоэмиссии из катода, автоэлектронной (полевой) эмиссии или других причин. Если энергия электронов превышает энергию ионизации молекул рабочего газа, то в результате столкновения электронов с молекулами газа возникает газовый разряд, то есть образуется газоразрядная плазма. Для того чтобы электрон мог набрать необходимую для ионизации газа энергию, ему требуется обеспечить минимально необходимую длину свободного пробега. Только при этом условии электрон, двигаясь без столкновений, способен увеличить свою энергию до нужной величины.

Однако, если длина свободного пробега электронов становится сравнимой с расстоянием между катодом и анодом, то основная часть электронов будет пролетать межэлектродное пространство без столкновений с молекулами рабочего газа. Газоразрядная плазма погаснет. Эти два фактора и определяют нижний и верхний пределы давлений газа в камере.

Образующаяся в результате газового разряда плазма состоит из электронов, ионов и нейтральных молекул рабочего газа (рис. 1.2). Ионы под воздействием электрического поля ускоряются и бомбардируют катод-мишень. Если энергия ионов превышает энергию связи атомов мишени, то происходит ее распыление. Распыление может происходить при постоянном токе или токе высокой частоты, в среде реакционного газа или без него, с напряжением смещения или без него, с дополнительным магнитным полем. Кроме выбивания атомов с поверхности мишени, ионы способны выбить из нее вторичные электроны (вторичная электронная эмиссия). Эти вторичные электроны ускоряются и ионизируют молекулы рабочего газа; образующиеся при этом ионы бомбардируют мишень, вызывая вторичную электронную эмиссию, и процесс повторяется. Таким образом, газовый разряд поддерживает сам себя и поэтому называется самостоятельным тлеющим разрядом. В.И. Поляков, Э.В. Стародубцев Проектирование гибридных тонкопленочных интегральных микросхем. Учебное пособие по дисциплине «Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ» - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2013, - 80 с.

Рис. 1.2 Образование плазмы.

С повышением тока, протекающего через газоразрядную плазму, увеличивается плотность ионного потока и интенсивность распыления мишени. При некоторой плотности потока, зависящей от условий охлаждения мишени, начинает проявляться термоэлектронная эмиссия. Ток в разряде возрастает, а сам разряд становится несамостоятельным, приобретая характер дугового разряда.

Для предотвращения перехода самостоятельного тлеющего разряда в дуговой высоковольтный источник питания должен иметь ограничения по мощности, а мишень интенсивно охлаждаться.

Для описания процессов катодного распыления мишени используют модели, основанные на двух механизмах. Согласно первому механизму распыленные атомы возникают в результате сильного локального разогрева поверхности мишени самим падающим ионом (модель «горячего пятна») или быстрой вторичной частицей (модель «теплового клина»). Второй механизм состоит в передаче импульса падающего иона атомам решетки материала мишени, которые, в свою очередь, могут передать импульс другим атомам решетки, вызвав тем самым каскад столкновений (модель столкновений).

Основной характеристикой эффективности процесса распыления является коэффициент распыления Кр, определяемый отношением количества выбитых атомов Nат к количеству бомбардирующих мишень ионов Nион:

(1)

По существу коэффициент распыления представляет собой среднее число атомов мишени, выбитых одним ионом.

Вблизи порога Кр очень мало (10-5 атомов/ион), а при оптимальных условиях Кр достигает нескольких десятков. Величина Кр не зависит от давления газа при малых давлениях р < 13,3 н/м2 (0,1 мм рт. ст.), но при р > 13,3 н/м2 (0,1 мм рт. см.) происходит уменьшение Кр за счёт увеличения числа частиц, осаждающихся обратно на поверхность. Моргулис Н. Д., Катодное распыление, «Успехи физических наук», т. 28, в. 2--3, 1946, 203-204 с.

На величину Кр влияют как свойства бомбардирующих ионов -- их энергия (Е) (рис.1.3), масса Mi (рис. 1.4), угол падения ее на мишень (рис. 1.5), так и свойства распыляемого вещества -- чистота поверхности, температура, кристаллическая структура, масса атомов мишени.

Рис. 1.3 Зависимость коэффициента распыления (Кр) S медной мишени от энергии (Е) бомбардирующих ионов.

Рис. 1.4 Зависимость коэффициента распыления Кр(S) от массы бомбардирующих ионов Mi (Еi = 400 эв).

Рис. 1.5 Зависимость Кр(S) от угла падения б ионов, бомбардирующих поверхность Cu, Ta, Fe, Pt (цифры указывают энергию ионов)

По энергетической зависимости видно, что коэффициент распыления увеличивается ч ростом энергии иона от некоторого порогового значения Е, которое характеризуется комбинацией ион - мишень. Затем рост Кр замедляется, в области 10-100 кэВ Кр приблизительно постоянно и при дальнейшем возрастании энергии Кр начинает уменьшаться из-за более глубокого проникновения ионов в поверхность. Каминский, М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла. пер. с англ. / М. Каминский. - М.: Мир, 1967. - 506 с.

Угловое распределение частиц, вылетающих с распыляемой поверхности, анизотропно. Оно зависит от энергии ионов, а для монокристаллов также от типа кристаллической решётки и строения распыляемой грани. Осадок из распыляемого вещества, образующийся на экране, имеет вид отдельных пятен, причём симметрия картины осадка та же, что и симметрии распыляемой грани и образовавшихся на ней в результате Катодное распыление фигур травления представлено на (рис. 1.6). Энергии распылённых частиц колеблются от нескольких долей эВ до величин порядка энергии первичных ионов. Средние энергии распыляемых частиц составляют обычно десятки эВ и зависят от свойств материала мишени и характеристик ионного пучка. Плешивцев Н.Б. Катодное распыление. М., 1968. 347 с.

Рис. 1.6 Вверху -- осадок, образующийся на прозрачном экране, расположенном параллельно распыляемой грани монокристалла Сu [а -- грани (100), б -- грани (110), в -- грани (111)], внизу -- углубления, возникающие при этом на поверхностях граней.

Режимы катодного распыления

На (рис.2, а) приведена вольтамперная характеристика разряда. При подаче постоянного напряжения в несколько киловольт происходит пробой межэлектродного промежутка, быстрое нарастание тока и падение напряжения в разряде (область зажигания разряда I). При увеличении тока разряда за счёт уменьшения сопротивления Rн площадь катода-мишени, покрытая разрядом, возрастает, плотность разрядного тока и напряжение на разряде остаются постоянными и невысокими, а скорость распыления мала (область нормально тлеющего разряда II). В области III вся площадь мишени покрыта разрядом, и увеличение разрядного тока приводит к повышению плотности разрядного тока, напряжения на разряде и скорости распыления. Область III, называемая областью аномально тлеющего разряда, используется в качестве рабочей области в процессах катодного распыления. Для предотвращения перехода в область дугового разряда (область IV) предусмотрены интенсивное водяное охлаждение мишени и ограничение источника питания по мощности. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. Учебник для вузов. - М.: «Металлургия», 1992 - 431 с.

Рис. 2 Вольт-амперные характеристики самостоятельного разряда: а - области ВАХ при различных режимах; б - рабочая область (область III) при различных давлениях аргона.

На (рис.2, б) выделена рабочая область III ВАХ. Крутизна характеристики в этой области зависит от давления рабочего газа (аргона). Рабочая точка, характеризующая режимы обработки - давление газа (Р), ток (Jp) и напряжение разряда(Up), лежит на нагрузочной характеристике источника питания:

(2.1)

где Uп - напряжение питания.

С другой стороны, скорость распыления мишени (W, г/см2Чс):

(2.2)

где С - коэффициент, характеризующий род распыляемого материала и род рабочего газа;

Uнк - нормальное катодное падение напряжения (область II ВАХ);

jp - плотность разрядного тока;

dTП - ширина тёмного катодного пространства.

Из (2.2) следует, что максимальная скорость распыления достигается при максимальной мощности, выделяемой в разряде. Согласно нагрузочной характеристике (2.1)

(2.3)

Максимум этой функции определяет оптимальные значения тока Jp0 и напряжения Uр0:

(2.4)

(2.5)

При этом однозначно определяется оптимальное значение давления рабочего газа. Выбор значений Un и Rн должен предотвращать переход в область дугового разряда, при котором наблюдается выброс с мишени крупных частиц и осаждение тонкой, однородной по толщине плёнки становится невозможным. Валетов В.А. Основы производства радиоэлектронной аппаратуры: Учебное пособие. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. - 112 с.

Конструктивные особенности установки катодного распыления. Триодная схема

Для повышения чистоты получаемой на подложке пленки процесс катодного распыления необходимо проводить при как можно меньшем давлении рабочего газа. Однако, понижение давления приводит к тому, что при большой длине свободного пробега электронов вероятность их столкновения с атомами рабочего газа становится ничтожно малой, и газовый разряд гаснет. Поэтому для поддержания разряда в камере и обеспечения распыления мишени при низких давлениях необходимы специальные меры.

Одним из вариантов решения проблемы является применение трехэлектродной системы распыления, изображенной на рис. 3. Цифрами на рисунке обозначены: 1 - термокатод; 2 - анод; 3 - мишень; 4 - подложка; 5 - подложкодержатель. Таким образом, в данной системе имеются три независимо управляемых электрода: термокатод, анод и распыляемая мишень, потенциал которой относительно термокатода составляет несколько киловольт.

Рис. 3 Трехэлектродная система распыления

По достижении в камере вакуума порядка10-4 Па термокатод разогревают и в камеру через натекатель подают инертный газ при давлении 0,05 - 1 Па. По сравнению с диодной схемой за счет термоэлектронной эмиссии с катода будут интенсивно испускаться электроны, ускоряющиеся вертикальным электрическим полем, что позволяет проводить процесс при более высоком вакууме. Функции катода и мишени в предлагаемой схеме разделены, что позволяет управлять энергией ионов путем изменения напряжения на мишени. А наличие катушек (отсутствуют на схеме), создающих магнитные поля, позволяет увеличить траекторию движению электронов от термокатода к аноду и еще больше снизить давление, уменьшив тем самым загрязнение пленок. При напряжении между термокатодом и анодом порядка 100 В. возникает несамостоятельный газовый разряд, при этом разрядный ток достигает нескольких ампер. Мишень, имеющая отрицательный потенциал относительно катода, оттягивает на себя значительную часть ионов, образующихся в газовом разряде, и ускоряет их. В результате бомбардировки мишени ионами происходит ее распыление, и распыленные атомы осаждаются на подложке, формируя тонкую пленку. Такие трехэлектродные системы, в которых электрические цепи разряда и распыления разделены и управляются независимо друг от друга, обеспечивают гибкость управления процессом. Скорость осаждения составляет единицы нанометров в секунду, что в несколько раз превышает аналогичный показатель для двухэлектродной схемы катодного распыления.

К основным недостаткам триодной схемы следует отнести малые размеры термокатода, что затрудняет получение однородной плазмы при разряде. Кроме того, из-за термокатода нельзя использовать в технологии агрессивные газы.

Дальнейшее развитие трехэлектродных систем распыления привело к использованию автономных ионных источников. Ионный источник представляет собой газоразрядную камеру с термокатодом, в которую подается рабочий газ под давлением ~ 0,5 Па, что обеспечивает высокую концентрацию ионов. Газоразрядная камера отделена от камеры осаждения калиброванными отверстиями, благодаря чему обеспечивается перепад давлений, и давление в камере осаждения, где расположены мишень и подложка, составляет ~ 0,015 Па. Часть ионов поступает через отверстия в камеру осаждения, ускоряется и распыляет мишень. Такая конструкция позволяет увеличить скорость распыления мишени и повысить чистоту осаждаемых на подложке пленок. А.А. Малыгин, А.П. Алехин Основные процессы планарной технологии (оборудование и методы расчета).//Учебное пособие.-СПб.:РТП СПбГТИ(ТУ).-1995.- 16 с.

Получение пленок методом катодного распыления, последовательность процесса.

Рассматривая процесс катодного распыления, целесообразно разделить его на три этапа:

1. Выбивание атомов с поверхности катода.

2. Диффузия распыленного вещества к подложке.

3. Конденсация.

Выбивание атомов с поверхности катода под действием ионной бомбардировки.

В настоящее время существует много различных теорий процесса катодного распыления. Наиболее распространенной является теория Венера, согласно которой ион, ударившийся о катод, вызывает колебания узлов кристаллической решетки, которые распространяясь в направлении поверхности металла, могут сообщить поверхностному атому энергию, достаточную для распыления.

Скорость катодного распыления возрастает:

с увеличением катодного падения потенциала (увеличивается энергия ионов, бомбардирующих катод);

с увеличением тока разряда (увеличивается количество бомбардирующих частиц);

с увеличением массы падающего иона (увеличивается импульс бомбардирующих частиц).

Скорость катодного распыления обратно пропорциональна теплоте сублимации материала катода, которая характеризует энергию связи

атомов в решетке.

Кроме этих факторов на распыление оказывает влияние состав газа. При распылении в молекулярных газах возможно образование под действием разряда химического соединения на поверхности катода (нитриды, оксиды и т. д.). В этом случае распыляется уже не сам металл, а химическое соединение. Такое распыление получило название реактивного. Реактивное распыление - один из путей получения пленок таких тугоплавких соединений, как окислы и нитриды металлов. При этом, меняя состав газовой фазы, (например, соотношение химически активной и инертной компонент) можно получить пленки различного химического состава и с разными свойствами.

Диффузия распыленных атомов в газовой фазе.

В условиях тлеющего разряда при давлениях, которые обычно используются (0,1-5 торр), длина свободного пробега почти всегда меньше пути, проходимого распыленными частицами. При этом характер их движения является диффузионным и часть распыленных атомов, сталкиваясь с молекулами газа, изменяют свое направление и возвращаются обратно на катод. Это явление получило название обратной диффузии. В результате обратной диффузии распыленных частиц на катод изменяется скорость распыления, или, точнее, скорость конденсации уменьшается с увеличением давления и расстояния катод-подложка.

В общем случае зависимость скорости распыления от давления и параметров может быть описана эмпирической формулой вида:

Q = A•((U•i)/(d•P))B (3)

где U - величина катодного падения потенциала;

i - ток разряда;

d - среднее расстояние между катодом и подложкой;

Р - давление газа;

А и В - эмпирические константы, зависящие от рода газа и материала

катода.

Конденсация атомов на поверхности при катодном распылении

Процесс конденсации при катодном распылении существенно отличается от конденсации при термическом испарении. Так, при катодном распылении отсутствует критическая температура конденсации, и конденсация металлической пленки осуществляется практически при любых плотностях пучка. Методом катодного распыления без охлаждения подложки удается осадить такие металлы, которые при вакуумном испарении конденсируются только при дополнительном охлаждении. Энергия связи с подложкой при катодном распылении оказывается выше, чем при термическом испарении. С другой стороны, недостатком при получении пленок катодным распылением является присутствие рабочего газа. Молекулы газа, активированные разрядом, адсорбируются в напыленном слое, и пленка обычно содержит большое количество газа.

И все-таки метод катодного распыления позволяет избежать многих трудностей, возникающих при термическом испарении, и получать пленки металлов с низкими температурами конденсации, пленки тугоплавких металлов и соединений с контролируемыми свойствами. Технология материалов и изделий электронной техники: Лабораторный практикум / Д.Г. Кротова, В.Ю. Дубровин, В.А. Титов, Т.Г. Шикова; ГОУ ВПО Иван. Гос. хим. - технол. ун-т. - Иваново, 2007. 156 с.

Характеристики тонких пленок, полученных методом катодного распыления

Преимуществом метода катодного распыления является хорошая адгезия пленок (при термическом напылении), т.к. энергия атомов больше и они удаляют с подложки примеси, а окисный слой на подложке образуется легче. При этом обеспечивается высокая равномерность осаждения покрытий. Так же данный метод позволяет получать пленки тугоплавких металлов и их окислов. А сравнительно большие площади поверхности получаемых пленок позволяют использовать данный метод в производственных масштабах.

К недостаткам метода можно отнести недостаточно высокое качество пленок из-за содержания в них остаточных газов и низкая адгезия покрытий, как следствие низкой энергии частиц, степени ионизации.

Применение тонких пленок, полученных методом катодного распыления

Метод катодного распыления находит широкое применение в технике. Его используют при нанесении специальных покрытий для оптических и электрооптических приборов. В микроэлектронной промышленности метод нашел широкое применение в производстве тонкопленочных резисторов и конденсаторов. Для контактов и электродов применяют пленки золота, серебра, платины; пленки тантала отличаются высокой стабильностью электросопротивления; нитрид тантала и некоторые пленки сплавов используют для конденсаторов. Катодное распыление также применяют для осаждения сухих смазочных материалов и получения твердых износостойких покрытий. Коррозия. Справ, изд. Под. ред. Л. Л. Шрайнера. Пер. с англ.-- М.: Металлургия, 1981, 632 с.

Пленки SiO2, полученные методом радиочастотного распыления, имеют лучшую стабильность и адгезию, чем полученные любым другим методом. Например, освоен метод нанесения хромовых и платино-хромовых покрытий на лезвия бритв из нержавеющей стали для увеличения срока их службы. В полностью автоматизированной установке одновременно покрывается 70 000 лезвий. Особенно перспективен этот метод для нанесения покрытий из тугоплавких материалов, которые трудно нанести термическим испарением в вакууме. Нанесение защитный покрытий в вакууме / И. Л. Ройх, Л. Н. Колтунова, С. Н. Фодосов. -- М. : Машиностроение, 1976. -- 367 с.

Так как скорость осаждения покрытий катодным распылением является низкой, она используется, в основном, для получения тонких защитных и антифрикционных покрытий на прецизионных деталях машин и приборов (опоры газовых подшипников, приборные подшипники скольжения и качения). В качестве материала покрытия используют дисульфид молибдена, золото, серебро, свинец, индий.

Достоинства и недостатки метода

Таким образом, катодное распыление характеризуется следующими преимуществами:

процесс распыления газовой фазы безынерционен, при прекращении подачи потенциала на катод генерация газовой фазы также практически мгновенно прекращается;

небольшой расход материала, т.к. распыляемый материал катода осаждается только на подложке, а не во всем объеме камеры;

обеспечивается достаточно высокая адгезия пленки к подложке, благодаря большой энергии конденсирующихся атомов;

низкое тепловое воздействие на изделие (нагревается только поверхность катода);

возможность распыления тугоплавких металлов;

получение покрытий различного химического состава: окисных, нитридных и других пленок, в том числе легированных, в результате химических реакций атомов распыляемого металла с вводимыми в камеру газами;

возможность получения органических пленок;

большая площадь распыляемой пластины материала - мишени, выполняющей функции источника атомов осаждаемого вещества, что позволяет получить равномерные по толщине пленки на подложках больших размеров, что, в свою очередь, обеспечивает эффективную реализацию группового метода обработки;

стехиометрический состав покрытий при их получении распылением мишени из сплава;

мишень представляет собой длительно не заменяемый источник материала (при толщине пластины порядка 3 мм смена производиться один раз в месяц при двухсменной работе), что облегчает автоматизацию, повышает однородность процесса

Основные недостатки катодного распыления

невозможность прямого нанесения диэлектрических пленок, т.к. распыляемый катод должен быть проводящим;

наличие загрязнений из-за невысокого вакуума и контакта рабочей среды с подложкой;

эрозия и разрушение катода вследствие его распыления;

низкие скорости роста покрытия (до 1нм/с);

наличие в покрытии высокой плотности радиационных дефектов, причиной появления которых является воздействие на поверхность высокоэнергетичных электронов, отрицательных ионов.

Невозможность прямого нанесения диэлектрических пленок устраняется при использовании реактивного ионного распыления, суть которого состоит в добавлении к инертному рабочему газу небольшого количества активного газа, образующего химические соединения с атомами распыленного материала катода.

С целью снижения степени загрязнения покрытий, повышения их адгезии рекомендуется поддерживать температуру подложки в процессе осаждения достаточно высокой (400…500 °С). В ряде случаев для получения качественных покрытий используют бомбардировку растущей пленки ионами инертного газа, что достигается путем подачи на подложку отрицательного потенциала либо применением дополнительного ионного источника.

Для повышения скорости распыления следует выбирать давление газа по возможности высоким; при этом коэффициент распыления (Кр) должен быть близок к максимальному.

Вывод

В результате исследования метода катодного распыления были установлены основные закономерности формирования тонких слоев. Изучили ряд факторов, влияющих на проведение процесса получения ультратонких пленок.

При выявлении основных достоинств и недостатков метода были предложены конкретные варианты решения проблем, направленные на улучшение производительности и качества нанесения тонких пленок.

Тонкие пленки, получаемые методом катодного распыления, широко используются в технике в качестве износо-, коррозионностойких, антифрикционных, защитно-декоративных и др. покрытий.

По сравнению с другими методами нанесения тонких пленок, процесс ионного распыления позволяет получать тонкие слои на основе тугоплавких металлов, наносить диэлектрические пленки, соединения, сплавы, точно выдерживая их состав, обеспечивая равномерность и точное воспроизведение толщины пленок на подложках большей площади, а также малую инерционность процесса. Такой ряд преимуществ данного метода, делает его одним из наиболее перспективных способов получения слоев полупроводников и диэлектриков.

?

Список использованных источников

Ежовский Ю.К. Техенология функциональных пленочных нономатериалов и наноструктур: учебное пособие. Ю.К. Ежовский; СПбГТИ(ТУ). - СПб., 2013, 92 с.

В.И. Поляков, Э.В. Стародубцев Проектирование гибридных тонкопленочных интегральных микросхем. Учебное пособие по дисциплине «Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ» - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2013, - 80 с.

Моргулис Н. Д., Катодное распыление, «Успехи физических наук», т. 28, в. 2--3, 1946, 203-204 с.

Каминский, М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла. пер. с англ. / М. Каминский. - М. : Мир, 1967. - 506 с.

Плешивцев Н.Б. Катодное распыление. М., 1968. - 347 с.

Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. Учебник для вузов. - М.: «Металлургия», 1992 - 431 с.

Валетов В.А. Основы производства радиоэлектронной аппаратуры: Учебное пособие. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. - 112 с.

А.А. Малыгин, А.П. Алехин Основные процессы планарной технологии (оборудование и методы расчета).//Учебное пособие.-СПб.:РТП СПбГТИ(ТУ).-1995.- 16 с.

Технология материалов и изделий электронной техники: Лабораторный практикум / Д.Г. Кротова, В.Ю. Дубровин, В.А. Титов, Т.Г. Шикова; ГОУ ВПО Иван. Гос. хим. - технол. ун-т. - Иваново, 2007. 156 с.

Коррозия. Справ, изд. Под. ред. Л. Л. Шрайнера. Пер. с англ.-- М.: Металлургия, 1981, 632 с.

Нанесение защитный покрытий в вакууме / И. Л. Ройх, Л. Н. Колтунова, С. Н. Фодосов. -- М. : Машиностроение, 1976. -- 367 с.

Размещено на Allbest.ru