Високочастотне магнетронне розпилення

  Мiнiстерство освiти і науки, молоді та спорту

  Національний університет «Львівська політехніка»

  Кафедра Електронні Прилади 
 
 
 

  Реферат

  з дисципліни «Технологія електронної техніки»

    на тему:

  «Високочастотне магнетронне розпилення» 
 
 
 

                                                                  Виконав:

                                                                  ст. гр. ЕС-31

                                                                  Адамець Ю.І.

                                                                  Перевірив:

                                                                  Черпак В. В. 
 
 
 
 

  Львів 2011

  Зміст

1. Магнетронні розпилювальні системи.
2. Магнетронне розпилення - Методи отримання тонких плівок.
3. Принцип магнетронного розпилення
4. Вивчення впливу технологічних параметрів ВЧ магнетронного розпилення на фізичні властивості тонких плівок Sn-O-In.
5. Висновок.
6. Список використаної літератури.

  1. Магнетронні розпилювальні системи.

  Дія магнетронного розпилювача основана на розпилюванні матеріалу мішені-катода при його бомбардуванні іонами робочого газу, що утворюються в плазмі аномально тліючого розряду. Виникаюча при цьому вторинна емісія підтримує розряд і зумовлює розпилення матеріалу мішені-катода. Магнетрона розпилювальна система (МРС) є однією з різновидів схем діодного розпилення.

  Основні елементи МРС: катод, анод і магнітна система, призначені для локалізації  плазми у поверхні мішені - катода.

  Найбільш  широко застосовують планарні магнетрони. Мішень - катод з розпилюваного матеріалу охолоджується проточною водою, яка поступає по трубопроводу. На катод подається постійна напруга (300 ... 800 В) через клему від джерела живлення; під катодом розташована магнітна система, що складається з центрального і периферійних постійних магнітів, розташованих на підставці з магнітомягкого матеріалу. Всі елементи змонтовані на корпусі, який приєднананий до вакуумної камери ізолюючими вакуумно-щільними прокладками.

  Основні переваги магнетронного способу  розпилення - висока швидкість нанесення  плівки і точність відтворення складу розпиляного матеріалу. Магнетронне розпилення дозволяє отримувати покриття практично з будь-яких металів, сплавів і напівпровідникових матеріалів без порушення стехіометричного складу. У залежності від складу робочої атмосфери (часток кисню, азоту, діоксиду вуглецю, сірчистих газоподібних сполук) можна отримувати плівки оксидів, нітритів, карбідів, сульфітів різних матеріалів, в тому числі і таких, які неможливо отримати методом термічного випаровування.

  Швидкість конденсації при магнетронному розпиленні залежить від сили струму розряду або потужності і від тиску робочого газу, що визначає жорсткі вимоги до джерел живлення. Для забезпечення відтворюваності і стабільності процесу силу струму розряду необхідно підтримувати з точністю ± 2%, якщо ж стабілізація процесу здійснюється за потужністю розряду, то потужність, що підводиться слід підтримувати з точністю ± 20 Вт в діапазоні регулювання від 0 до 10 кВт. В якості робочого середовища при магнетронному розпиленні використовують суміш інертного і реакційних газів. Підбором парціальних тисків компонентів газової суміші при постійному загальному тиску, що підтримується з точністю ± 5%, можна в широких межах змінювати оптичні і електричні характеристики покриття. Це, в свою чергу вимагає оснащення вакуумних установок насосами, що забезпечують постійну швидкість відкачування в робочому діапазоні тисків. Склад одержуваних сполук (оксидів, карбідів, нітритів) залежить від чистоти застосовуваних газів і розпилюваних матеріалів, тому потрібні складні системи відкачування газів і високочисті матеріали для розпилення.

  Метод магнетронного розпилення з постійною  силою струму не дозволяє отримувати плівки оксидів при високій швидкості  розпилення із-за різкого окислення катода-мішені. У цих випадках доцільніше застосовувати високочастотне магнетронне розпилення, що реалізує можливість розпилювання діелектричних матеріалів у магнітному полі без зміни стехіометричного складу при збільшеній швидкості випаровування.

  Не  дивлячись на деякі переваги безпосереднього  розпилення діелектриків ВЧ - магнетроном, цей спосіб відрізняється незначною  швидкістю конденсації і, внаслідок  цього, низькою продуктивністю. Є певні труднощі в узгодженні джерела живлення магнетрона з навантаженням при роботі на високих частотах; крім того, джерело живлення повинне бути забезпечене системою гасіння дугового розряду, що є причиною нестабільності робочих параметрів магнетронній розпилювальної системи.

  За  принципом роботи вакуумні установки  з іонно-плазмовими джерелами розпилення можна розділити на установки  періодичної та безперервної дії.

  В установках періодичної дії розпилювальні  пристрої розташовують по осі циліндричної камери, або за її твірною, в першому випадку використовують циліндричні розпилювальні пристрої, у другому планарні. Підкладки транспортуються через зону плазми. Установки періодичної дії застосовують для нанесення покриттів на полімерну плівку або папір. Для зниження температури підкладки при магнетронного розпилення слід: необхідно покращувати тепловий контакт підкладки з охолоджуваних барабаном; виготовляти барабан з матеріалу з високою теплопровідністю або збільшувати теплопровідність газової прошарку між барабаном і плівкою; охолоджувати барабан до температури 243 ... 253К; розширювати зону нанесення покриття і збільшувати діаметр барабана. Підвищена швидкість газовиділення підкладки, а також імовірність взаємодії іонізованих газів з осаждаванним металом обумовлюють використання конденсаційних вакуумних пасток.

  Для нанесення покриттів складного  складу або багатошарових покриттів  на плоскі підкладки перспективні установки  безперервної дії. Зазвичай установки безперервної дії складаються з ряду плоских прямокутних камер, розділених шлюзами і затворами. Найбільш поширені установки з розпиленням зверху вниз, а також установки з вертикальним переміщенням підкладок і бічним розміщенням розпилювальних пристроїв. У таблиці наведено швидкості осадження різних сплавів і сполук при використанні планарного магнетрона потужністю 5 кВт.

Таблиця 1

  Магнетронне розпилення дозволяє істотно розширити клас матеріалів, одержуваних в вигляді плівок, однак цей метод дорогий, вимагає використання складного обладнання та високої культури виробництва.

  2. Магнетронне розпилення - Методи отримання тонких плівок.

  Цей спосіб з'явився в результаті поліпшення вакуумних систем діодним розпилення. Його особливістю є наявність в прикатодній області нормальних один одного кільцеподібної, електричного і магнітного полів. Таке змішане електромагнітне поле для емітованих катодом електронів є пасткою: під дією електричного поля вони направляються до анода, а магнітне поле повертає їх до катода. У результаті електрони просуваються уздовж катода по складній циклоїдальній траєкторії. Втративши енергію на іонізацію аргону, електрони починають рухатися до аноду дифузійно. У результаті збільшення шляху електроннів в області темного катодного простору, число іонізації атомів аргону зростає, тому газовий розряд може існувати при незначному тиску. Це дозволяє отримати плівки, менш забруднені залишковими газами. Завдяки збільшенню концентрації іонів аргону біля катода, інтенсивність бомбардувань зростає, збільшується швидкість розпилення катода і росту плівки і зростає адгезія плівок до основ.

  Прагнення забезпечити високу продуктивність і якість плівок призвели до створення  різних варіантів магнетронних систем розпилення:

• З плоским катодом-мішенню і кільцевим анодом;
• Конічним катодом;
• Напівсферичним катодом і магнітним полем;
• Коаксіальним катодом і анодом, та інші.

  Блок  з постійними магнітами розташований під катодом. Основи - над анодом. При подачі постійної напруги між катодом-мішенню і анодом (позитивний або нульовий потенціал) виникає електричне поле з складової, перпендикулярно до площини катода. Таким чином біля катода створюється схрещенне електромагнітне поле. Магнітна пастка забезпечує відсутність бомбардування основи вторинними електронними високою енергій. Основною причиною нагріву основи є передача енергії частинками матеріалу який осідає, тому температура основи не перевищує 100 ... 200 ^О С.

  Основні параметри процесу одержання  плівок магнетронним розпиленням:

• тиск робочого газу у вакуумній камері
• напруга катод-анод, струм розряду
• індукція магнітного поля
• час розпилення

 Магнітне поле знижує напруга при якій виникає  розряд. Робоча напруга становить 300 ... 700 В, тиск у камері 0,1 ... 0,5 Па, струм розряду близько 200 мА/см², індукція 0,02 ... 0,05 Т. Швидкості росту плівок досягає десятки нанометрів в секунду на відміну від 0,5 нм / с при звичайному розпиленні.

  Основним  недоліком розглянутої системи  з плоским катодом і кільцевим  анодом є нерівномірність електричного і магнітного полів і відповідно щільності розрядної струму, що призводить до низького коефіцієнта використання матеріалу мішені, близько 25%. Розпилюється тільки вузька кільцеподібна область поверхні мішені.

  Магнетронне розпилення широко використовується в промисловому виробництві для отримання як одно, та і багатошарових систем металізації, резистивних, ізолюючих, захисних шарів. Для отримання діелектричних плівок використовуються високочастотні системи магнетронний розпилення.

  3. Принцип магнетронного розпилення 
Принцип магнетронного розпилення оснований на утворенні над поверхнею катода кільцеподібної плазми в результаті зіткнення електронів з молекулами газу (найчастіше аргон). Позитивні іони, які утворюються в розряді,прискорюються в напрямку катода, бомбардують його поверхню, вибиваючи з неї частки матеріалу.

  Рисунок 1. Важкий іон аргону (велика кулька) розганяється в електричному полі і вибиває атом матеріалу (маленька кулька), який висаджується на поверхні підкладки, утворюючи на її поверхні плівку.

  Частки які залишають поверхню матеріалу осідають у вигляді плівки на підкладці, а також частково розсіюються на молекулах залишкових газів або осідають на стінках робочої вакуумної камери.

  При зіткненні іонів з поверхнею  мішені відбувається передача моменту  імпульсу матеріалу. Падаючий іон викликає каскад зіткнень в матеріалі. Після багаторазових зіткнень імпульс доходить до атома, розташованого на поверхні матеріалу, і який відривається від мішені і висаджується на поверхні підкладки. Середнє число вибитих атомів на один падаючий іон аргону називають ефективність процесу і залежить від кута падіння, енергії і маси іона, маси матеріалу, який випаровується та енергії зв'язку атома в матеріалі. У разі випаровування кристалічного матеріалу ефективність також залежить від розташування кристалічної решітки.

  Для ефективної іонізації аргону, розпилюваний матеріал (мішень) розміщують на магніті. У результаті емісійні електрони, що обертаються навколо магнітних силових ліній локалізуються в просторі і багаторазово зіштовхуються з атомами аргону, перетворюючи їх на іони.

  При бомбардуванні поверхні мішені іонами генеруються кілька процесів:

  • Іонне (катодне) розпилення матеріалу мішені.

  • Вторинна електронна емісія.

  • Десорбція газу.

  • Імплантація дефектів.

  • Ударна хвиля.

  • Аморфізація.

  Рисунок 2. Фізичні процеси, що відбуваються в матеріалі при його бомбардуванню.

  Магнетронне розпилення, на відміну від звичайного діодного розпилення, дозволяє отримувати високу щільність іонного струму, а значить, і високі швидкості розпилення при відносно низьких тисках порядку 0,1 Па і нижче.

  Рисунок 3. Для ефективної іонізації аргону, матеріал що розпилюється (мішень) розміщують на магніті. У результаті емісійні електрони, що обертаються навколо магнітних силових ліній локалізуються в просторі і багаторазово зіштовхуються з атомами аргону, перетворюючи їх на іони.

  4. Вивчення впливу технологічних параметрів ВЧ магнетронного розпилення на фізичні властивості тонких плівок Sn-O-In.

  Основною умовою для отримання необхідної рівномірності товщини покриття, у разі нерухомої геометрії магнетронної розпилювальної системи, є правильний вибір відстані мішень-підкладка. На рис. 1 приведені експериментальні дані розподілу товщини плівок nO₂ по довжині зразка залежно від відстані мішень-підкладка, за інших рівних умовах. Як видно з малюнка, максимальна рівномірність (відхилення від середнього значення ≤ 2%) товщини одержуваної плівки, може бути отримана при відстані мішень-підкладка 80 мм, тому для подальших експериментів нами було обрано відстань мішень-підкладка - 80 мм.

  Рисунок 1. Розподіл товщини плівки по довжині зразка залежно від відстані мішень-підкладка (мішень SnO₂, W_р.м. = 80 Вт, t = 20 хв, Т_под .= 80^о С)

  Рисунок 2.  Залежність середньої швидкості напилення від відстані мішень-підкладка (мішень SnO₂ і In₂O₃, W_р.м. = 80 Вт, t = 20 хв, Т_под.= 80^оС)  

  Швидкості напилення чистих окислів олова  та індію практично збігаються, виходячи з чого нами зроблено припущення: стехіометрія мішені складного складу зберігається в напилюваних плівках.

  Слід  зазначити, що позначаючи метою роботи одержання плівок для газової  сенсорики, необхідно виконати вимогу найбільшої питомої поверхні, якій в повній мірі відповідають плівки з найменшим розміром кристалітів. Аналіз, методом атомно-силової мікроскопії (АСМ) зразків, отриманих при різних потужностях розпилення (W_р.м.) (рис. 3) показав, що підвищення W_р.м. при синтезі призводить до збільшення зерен у плівках від 5-6 нм при 80 Вт до 60 нм при 250 Вт. Дана обставина пояснюється збільшенням енергії напилюваних частинок за рахунок збільшення кінетичної енергії бомбардуючих мішень іонів аргону. Крім того, спостерігається прагнення зерен до агломерації. На користь чого свідчить поява на гістограмах розподілу діаметрів зерен (рис. 3, в) двох піків з розмірами зерен ~ 35 нм і ~ 60 нм. Таким чином, мінімально можлива при ВЧ-магнетронному розпилення плівок Sn-O-In, W_р.м. = 80 Вт забезпечує отримання плівок з найменшим розміром зерен, формуючи більшу питому поверхню.

  Температура підкладки Т_під. також впливає на розмір зерна плівок (рис. 4, а-в і рис. 3, а). Підвищення Т_під. при синтезі плівок призводить до зменшення розміру зерен від 17-20 нм при 80^о С (рис. 4, а) до 5-6 нм при 400^о С (рис. 3, а). Між тим, виходячи з перерозподілу гістограм діаметрів зерен на рис. 4, б-в, що утворюють два піки з основними розмірами 6-8 нм і 13-17 нм, що переходять, при підвищенні Т_під., у розподіл на рис. 3, а, з основним розміром зерен 5-6 нм, можна пов'язати з утворенням при низьких Т_під. агломератів з розмірами 17-20 нм, що складаються з більш дрібних зерен. Очевидно, що подібна структура плівок, не дозволяє побачити межі розділу дрібних зерен на АСМ зображеннях. У плівок, отриманих в умовах високої Т_під., має місце часткова перекристалізація сполучної фази. Тому відбувається поділ і зростання внутрішніх зерен. Таким чином, при ВЧ-магнетронному розпиленні плівок Sn-O-In, підвищення Т_під. від 80 до 400^о С сприяє зростанню зерен. Між тим забезпечуючи більшу однорідність по фазовому складу і більшу питому поверхню плівок.

  Подальший аналіз плівок методом АСМ, синтезованих при складах мішеней (SnO2) _х (In2O3) _1-х (х = 1.0,5) показав, що умови утворення максимальної питомої поверхні відповідають плівки, отримані при W_р.м. = 80 Вт і Т_під.= 400 ⁰С. При цьому співвідношення діаметра зерен (d) і середньоарифметичної шорсткості (R_a) (свідчить про максимальну розвиненість поверхні серед плівок з мінімальним розміром зерна), має мінімальне значення при складі мішені (SnO₂) _0,95 (In₂O₃) _{0, 05.}

  Рисунок 3. АСМ зображення і гістограми розподілу діаметрів зерен плівок Sn-O-In, синтезованих розпиленням мішені складу (SnO₂) _0,9 (In₂O₃) _0,1 при різних W_р.м. (Т_під. = 400 С): а - 80 Вт; б - 150 Вт; в - 250 Вт

  Рисунок 4. АСМ зображення і гістограми розподілу діаметрів зерен плівок Sn-O-In, синтезованих розпиленням мішені складу (SnO₂) _0,9 (In₂O₃) _0,1 при різних температурах підкладки Т_під. (W_р.м. = 80 Вт.): а – 80^о С; б – 150^о С; в - 250^о С

  Таблиця 2. Значення основних діаметрів зерен (за даними гістограм розподілу діаметрів зерен) і середньоарифметичної шорсткості плівок в залежності від параметрів синтезу

  Дослідження спектрів пропускання в діапазоні довжин хвиль від 230 до 1100 нм показали максимальні значення коефіцієнта пропускання у видимій області спектра від 90 до 95% у плівок, отриманих при складі мішені (SnO₂) _0,1 (In₂O₃) _0,9, W_р.м. = 80 Вт і Т_під.= 400^о С. Були проведені розрахунки спектрів поглинання для подальшого графічного визначення дозволених оптичних переходів

  Рисунок 5. Край власного поглинання для плівок системи Sn-O з мішені складу SnO₂, отриманих при різних температурах підкладки (W_р.м. = 80 Вт)

  плівок, синтезованих за різних технологічних параметрів. З рис. 5, на якому представлений край власного поглинання для плівок системи Sn-O, отриманих при різних Т_під., з якого видно, що є дозволенні переходи з енергіями від 2,9 до 3,0 еВ, які ідентифіковані нами як переходи, відповідні недоокисленому олову (SnO). Переходи з енергіями від 3,6 до 3,9 еВ визначені нами як переходи, відповідні вищого оксиду олова SnO₂. Зазначимо, що отримані дані показують наявність другої фази в плівках, отриманих при Т_під. від 80 до 250^о С, визначеної нами як SnO. Між тим, в плівках отриманих при Т_під.= 400^о С, подібні переходи відсутні. Дана обставина являється підтвердженням припущення за результатами аналізу АСМ зображень та гістограма розподілу діаметрів зерен про внутрішнє зростання зерен при Т_під. < 400^о С.

  На  рис. 6 представлені залежності оптичної ширини забороненої зони від концентрації In₂O₃ в мішені SnO₂ при різних Т_під. Для плівок складу (SnO₂) _0,1 (In₂O₃) _0,9 спостерігається зростання оптичної ширини забороненої зони. Дана особливість пов'язана зі значним збільшенням концентрації вільних електронів за рахунок донорного механізму легування In₂O₃ іонами Sn4 + (ефект Бурштейна-Мосса). Значне зменшення ширини забороненої зони до 3,2-3,3 еВ у плівок, отриманих з мішені складу (SnO₂) _0,3 (In₂O₃) _0,7, знайшло пояснення на рентгенограмах плівок Sn-O-In, де спостерігається поява мало описаної в літературі новій метастабільній фазі In₄Sn₃O₁₂.

  Рисунок 6. Залежності оптичної ширини забороненої зони від концентрації In₂O₃ в мішені SnO₂ при різних температурах підкладки Т_під. (W_р.м. = 80Вт)

  Аналіз плівок методом рентгенофазового аналізу (РФА) (рис. 7), підтверджує взаємозв'язок діаметра зерен і їх агломерування з W_р.м.. Як видно з рис. 7, при зростанні потужності розпилення відбувається зменшення на півширини рентгенівських рефлексів, що обумовлено укрупненням зерен. Крім того, спостерігається збільшення процентного вмісту фази SnO. Як випливає з рис.8, зниження Т_під.< 400^о С веде до зменшення на півширини рентгенівських рефлексів, при цьому частка фази SnO збільшується.

  Малюнок 7 - Рентгенограми плівок (SnO2) 0,9 (In2O3) 0,1, синтезованих за різнихWр.м. (Тпод. = 400 0С.): 1 - 80 Вт; 2 - 150 Вт, 3 - 250 Вт

  Рисунок 8. Рентгенограми плівок (SnO₂) _0,9 (In₂O₃) _0,1, синтезованих за різних Т_під. (W_р.м. =80Вт.): 1 – 80^о С; 2 – 150^о С; 3 – 250^о С; 4 – 400^о С

  Що  стосується метастабільної фази In₄Sn₃O₁₂, то вона виявляється тільки у випадку використання мішеней складу х = 0,3 (рис. 9). Згідно з літературними даними поява фази In₄Sn₃O₁₂ обумовлено температурою синтезу, або відпалу (1000.1200^о С) плівок Sn-O-In. Беручи до уваги той факт, що синтез зразків у даній роботі проводився за Т_під. до 400^о С, поява метастабільної фази In₄Sn₃O₁₂ пов'язано з особливостями плазмового процесу осадження протікаючого в сильно нерівноважних умовах. Оцінка мікроструктури отриманих плівок за даними спектрів ІЧ-пропускання показала (мал. 10), що при збільшенні Т_під. пік спектру, відповідний коливань молекул SnO₂, зміщується до значення характеристичної частоти коливань, властивої моно-кристалам SnO₂ - 670 см^-1, і звужується. Такі зміни свідчать про збільшення ступеня кристалічності речовини. Слід так само відзначити, що в ряді зразків, на спектрах ІЧ-пропускання є смуги поглинання в діапазоні хвильових чисел 1400-1800 та 3400 см^-1 зумовлені наявністю на поверхні

  Рисунок 9. Рентгенограми плівок Sn-O-In, синтезованих розпиленням мішеней складу (SnO₂) _х (In₂O₃) _1-х при: 1 – х = 1, 2 – х = 0,95; 3 – х = 0 , 9; 4 - х = 0,7; 5 - х =0,5; 6 - х = 0,3; 7 - х = 0,1; 8 - х = 0,05; 9 - х = 0 (W_р.м. = 80Вт; Т_під.= 400^о С.)

молекулярної води і СО коливних груп (рис. 10). При цьому поглинання в даних діапазонах хвильових чисел знижується при збільшенні Т_під. і W_р.м.. Таким чином з'являється можливість управління ступенем адсорбції води шляхом зміни або Т_під. або W_р.м.. У свою чергу, низька реакція на вологість повітря - позитивна якість тонко плівкових датчиків газів. Таким чином, для створення якісного датчика вимагається здійснювати розпилення при Т_під. = 400^о С і W_р.м. = 80 Вт.

Рисунок 10. ІЧ-спектри пропускання тонких плівок діоксину олова, синтезованих при різній температурі підкладки Т_під. (W_р.м. = 80 Вт)

Висновок

  Основні переваги магнетронного способу  розпилення - висока швидкість нанесення  плівки і точність відтворення складу розпиляного матеріалу. Магнетронне розпилення дозволяє отримувати покриття практично з будь-яких металів, сплавів і напівпровідникових матеріалів без порушення стехіометричного складу. У залежності від складу робочої атмосфери (часток кисню, азоту, діоксиду вуглецю, сірчистих газоподібних сполук) можна отримувати плівки оксидів, нітритів, карбідів, сульфітів різних матеріалів, в тому числі і таких, які неможливо отримати методом термічного випаровування. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список використаної літератури

1. Готра З.Ю., Лопатинський І.Є., Лукіянець Б.А., Микитюк З.М., Петрович І.В. Фізичні основи електронної техніки: Підручник – Львів: Видавництво „Бескид Біт”, 2004. 492-494 c.
2. Готра З.Ю., Технологія електронної техніки: Підручник – Львів: Видавництво Львівської політехніки, Т. 1. – 2010. 888 с.
3. Готра З.Ю., Технологія електронної техніки: Підручник – Львів: Видавництво Львівської політехніки, Т. 2. – 2010. 884 с.
4. http://www.femto.com.ua/articles/part_2/4625.html
5. http://ua.wikipedia.org/wiki/Магнетронне_розпилення