Установки катодного распыления, триодная схема
Минобрнауки России
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(технический университет)»
УГС |
240000 |
Химическая и биотехнология | ||
Направление подготовки |
240100.62 |
Химическая технология | ||
Профиль подготовки |
Химическая технология материалов и изделий электроники и наноэлектроники | |||
Факультет |
Химии веществ и материалов | |||
Кафедра |
Химической нанотехнологии и материалов электронной техники | |||
Учебная дисциплина |
Технология материалов электронной техники | |||
Курс 4 |
Группа 114 | |||
КУРСОВАЯ РАБОТА
Тема Установки катодного распыления, триодная схема.
Студент
_________________
(подпись, дата) (инициалы, фамилия)
Руководитель,
должность
________________
Оценка за курсовую работу
(курсовой проект) ___________ ____________________
Санкт-Петербург
2014
Минобрнауки России
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(технический университет)»
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
УГС |
240000 |
Химическая и биотехнология | |||
Направление подготовки |
240100.62 |
Химическая технология | |||
Профиль подготовки |
Химическая технология материалов и изделий электроники и наноэлектроники | ||||
Факультет |
Химии веществ и материалов | ||||
Кафедра |
Химической нанотехнологии и материалов электронной техники | ||||
Учебная дисциплина |
Технология материалов электронной техники | ||||
Курс 4 |
Группа 114 | ||||
Студент |
Егорова Ольга Владимировна | ||||
Тема |
Установки катодного распыления, триодная схема. | ||||
Исходные данные к работе (источники):
1. Поисковые интернет-системы eLibrary (elibrary.ru), Google Академия (scholar.google.com), Scirus (www.scirus.com), Elsevier ScienseDirect (www.sciensedirect.com), SpringerLink (www.springerlink.com), IOPscience (iopscience.iop.org) и др.
2. Информационно-поисковые
3. Стандарт организации/ Комплексная система управления качеством деятельности вуза/ ВИДЫ УЧЕБНЫХ ЗАНЯТИЙ. КУРСОВОЙ ПРОЕКТ. КУРСОВАЯ РАБОТА. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ// СТП СПбГТИ(ТУ) 044-2012. – СПб: СПбГТИ(ТУ), 2012. – 44с.
4. РЕКОМЕНДАЦИИ. Кoмплeкснaя система
управления качеством
Перечень вопросов, подлежащих разработке:
1. С использованием поисковых интернет-систем осуществить поиск научных публикаций по теме работы в периодических изданиях и оформить список источников в соответствии с ГОСТ 7.1-2003.
2. С использованием
поисковых информационно-
3. Провести детальный анализ публикаций с раскрытием темы
3.1 Ионно-плазменные методы получения тонких пленок. Сущность метода катодного распыления.
3.2 Конструктивные
особенности установки
3.3 Получение
пленок методом катодного
3.4 Характеристики тонких пленок, полученных методом ионного распыления. Применение.
3.5 Перспективы развития.
Перечень графического материала:
1. Рисунки, схемы химических превращений
2. Графики представления
Требования к аппаратному и программному обеспечению:
Программное обеспечение: операционная система Microsoft Windows, текстовый процессор Microsoft Office Word
Дата выдачи задания |
31.09.2014 | ||
Срок представления работы к защите |
20.12.2014 | ||
|
Заведующий кафедрой |
Малыгин А.А. | ||
|
Руководитель, профессор |
(подпись, дата) |
Малыгин А.А. | |
|
Задание принял к выполнению |
(подпись, дата) |
Егорова О.В. | |
(подпись, дата) |
|||
Содержание
Введение…………………………………………………………
Цели и задачи………………………………………………………………
- Ионно-плазменные методы получения тонких пленок………….……....6
- Сущность метода катодного распыления…………………………...…....8
- Режимы катодного распыления…………………………………...14
- Конструктивные особенности установки катодного распыления. Триодная схема………………………………………………….…16
- Получение пленок методом катодного
распыления, последовательность процесса…………………………………………………………
….……..17 - Характеристики тонких пленок, полученных
методом ионного распыления……………………………………………………
…………..19 - Применение тонких пленок, полученных
методом катодного распыления……………………………………………………
…………...20 - Достоинства и недостатки метода………………………………………20
Выводы по работе………………………………………………………………
Список использованных источников…………………………………………24
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.
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.1
- 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.2
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:
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. 3
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 α 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. 4
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.5
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.6
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:
где Uп - напряжение питания.
С другой стороны, скорость распыления мишени (W, г/см2×с):
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)
Максимум этой функции определяет оптимальные значения тока Jp0 и напряжения Uр0:
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.7
- 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.