Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте метод катодного распыления для целей получения тонких металлических пленок (возможности метода, область применения, преимущества и недостатки).

2. Охарактеризуйте метод катодного распыления с точки зрения динамики процесса (стадии процесса, влияние условий, наиболее благоприятный режим проведения процесса).

3. Охарактеризуйте аппаратное оформление установки катодного распыления (наиболее важные блоки установки, их назначение).

4. Под действие чего происходит распыление катода – мишени. Механизм ионизации рабочего газа. Критерии выбора рабочего газа.

5. Охарактеризуйте метод ионно-плазменного распыления для целей получения тонких металлических пленок (возможности метода, область применения, преимущества и недостатки).

6. Охарактеризуйте метод ионно-плазменного распыления с точки зрения динамики процесса (стадии процесса, влияние условий, наиболее благоприятный режим проведения процесса).

7. Охарактеризуйте аппаратное оформление установки ионно-плазменного распыления (наиболее важные блоки установки, их назначение).

8. Охарактеризуйте метод магнетронного распыления для целей получения тонких металлических пленок (возможности метода, область применения, преимущества и недостатки).

9. Охарактеризуйте метод магнетронного распыления с точки зрения динамики процесса (стадии процесса, влияние условий, наиболее благоприятный режим проведения процесса).

10. Охарактеризуйте аппаратное оформление установки магнетронного распыления (наиболее важные блоки установки, их назначение).

11. На какие этапы можно разделить процесс ионного распыления, в чем они заключаются?

Описание лабораторной установки

Работа проводится на установке магнетронного распыления ВУП-7. Её устройство и порядок работы изложены в техническом описании и инструкции по эксплуатации.

Задание

1. Изучить лабораторную установку (принципиальную и вакуумную схему установки, а также порядок включения/выключения).

2. Провести процесс формирования пленки металла методом магнетронного распыления. Технологические режимы задаются преподавателем.

3. Определить параметры технологического процесса, такие как U, I, P, d, T.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с устройством установки и порядком работы.

2. Ознакомиться с помощью преподавателя с условиями проведения и параметрами технологического процесса нанесения тонкопленочных покрытий. Параметры процесса: давление рабочего газа Р; напряжение разряда U_р; ток разряда I_р; температуру подложки Т_п – занести в таблицу.

Р, Па	Up, B	Ip, A	tп, С

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Вакуумная схема установки.

3. Устройство внутрикамерной оснастки.

4. Технологический режим процесса магнетронного распыления металлов.

5. Таблица с параметрами технологического процесса.

6. Выводы.

Список рекомендуемой литературы

Технология тонких пленок: Справочник / Под ред. Л. Майссела и Р. Глэнга. М.:Сов.Радио, 1977. с. 359—371, 406—414, 426—429.

Плешивцев Н.В. Катодное распыление. М.: Атомиздат, 1968. с. 25—32, 54—57, 64—110.

Данилин Б.С., Сырчин В. К. Магнетронные распылительные системы. М.:«Радиои связь», 1982. 73 с.

Лабораторная работа 2

Осаждение пленок кислородосодержащих диэлектриков

Цель работы

1. Ознакомление с технологической установкой высокочастотного (ВЧ) магнетронного распыления (МР) многокомпонентных материалов и получение практических навыков работы на ней.

2. Изучение процесса магнетронного напыления многокомпонентных оксидов и его особенностей, а также факторов, влияющих на качество получаемых тонких пленок.

Основные положения

Напомним, что основной особенностью систем МР является создание вблизи поверхности катода магнитного поля, линии которого параллельны поверхности катода и перпендикулярны линиям электрического поля. Индукция магнитного поля B обычно варьируется в пределах от 0.05 до 0.1 Тл. Наличие скрещенных электрического и магнитного полей вынуждает электроны совершать сложное циклоидальное движение. Удлинение траектории электронов приводит к повышению степени ионизации рабочего газа по сравнению с тлеющим разрядом и увеличению плотности тока разряда J₀ до 10²–10³ A/м². Соответственно, происходит и увеличение скорости распыления мишени, что является основным достоинством МР.

Повышение степени ионизации атомов рабочего газа позволяет понизить рабочее давление до 10–10^–2 Па, что приводит к уменьшению потока примесных атомов, приносимых рабочим газом. Рабочее напряжение U₀ магнетронных распылительных систем существенно ниже, чем у систем катодного распыления, и составляет 200–700 В.

Отличительной особенностью магнетронного и катодного распыления диэлектрических материалов является образование на поверхности мишени положительного заряда в результате воздействия потока ионов, что значительно уменьшает эффективность магнетронного распыления. На практике для распыления диэлектрических мишеней вместо источников постоянного напряжения используют высокочастотные генераторы. При напряжении меньше нуля происходит распыление мишени, и наоборот, при напряжении больше нуля к мишени устремляется поток электронов, в результате чего нейтрализуется заряд на поверхности распыляемого диэлектрического материала.

Целью данной работы является ознакомление с процессом высокочастотного магнетронного распыления титаната бария стронция (Ba_0,4Sr_0,6TiO₃). Мишень в этом случае представляет собой смесь оксидов бария, титана и стронция в необходимом стехиометрическом отношении.

Рассмотрим подробнее процесс переноса распыленного потока от мишени к подложке, а именно, оценим положение границы зоны термолизации при магнетронном высокочастотном распылении титаната бария стронция. Как было показано в первой лабораторной работе, в случае если расстояние "мишень-подложка" меньше, чем распыленных атомов граница зоны термализации X_т, то подложка подвергается действию высокоэнергитичных атомов. В случае распыления многокомпонентного материала, положения границ зоны термализации различны для каждого атома. Найдем давление рабочего газа, при котором граница зоны термализации распыленных атомов X_т не превышает расстояния дрейфа "мишень – подложка". На расстоянии X_т частицы (выбитые из мишени атомы) потока достигают термодинамического равновесия с рабочим газом, в этом случае можно использовать подход, принятый в кинетической теории газов и основанный на разбиении траектории движения частиц на области столкновений и участки между столкновениями.

В реальных режимах ионно-плазменного распыления степень ионизации мала (<10^–3), поэтому плазму можно считать слабоионизованной и в силу этого ограничиться учетом столкновений распыленных атомов только с атомами рабочего газа. Будем также рассматривать только упругие столкновения, так как среднее значение энергии распыленных атомов при ИПР, как правило, не превышает 10 эВ, следовательно, её недостаточно для возбуждения атомов рабочего газа. Вместе с тем, именно упругие столкновения дают наибольший вклад в рассеяние на большие углы, что достаточно корректно при магнетронном распылении металлов и сложных оксидов таких как твердые растворы титаната бария стронция, так как массы распыленных атомов превышают массы атомов рабочего газа. Кроме того, рассмотрение динамики только упругих столкновений существенно упрощает математическую процедуру описания процессов рассеяния .

Для оценки величины границы зоны термализации распыленных атомов можно использовать ее максимальное значение, определенное как произведение числа столкновений распыленных атомов в пространстве дрейфа "мишень – подложка" N на длину свободного пробега между ними :

. (2.1)

Число столкновений распыленных атомов с атомами газа, в результате которых их энергия от начального значения E₀ уменьшается до значения Е_т – энергии теплового движения атомной подсистемы газоразрядной плазмы, равно:

, (2.2)

где – коэффициент передачи средней энергии при упругом рассеянии распыленного атома с массой М_р.а на атоме газа с массой М_а.г.

Выражение для длины свободного пробега  атомных частиц в газовой среде имеет вид:

, (2.3)

где k – постоянная Больцмана; Т – температура атомной подсистемы газоразрядной плазмы; Р – давление рабочего газа;  – площадь микроскопического сечения упругого взаимодействия атомных частиц в газовой среде.

Для определения площади микроскопического сечения упругого взаимодействия атомных частиц  необходимо выбрать вид потенциала межатомного взаимодействия. Наиболее простой вид потенциал межатомного взаимодействия имеет в модели жестких сфер, в которой расстояние наибольшего сближения двух сталкивающихся частиц r_min при любых значениях прицельного параметра всегда равно сумме радиусов атомных частиц, что приводит к отсутствию зависимости сечения упругого взаимодействия частиц от энергии их относительного движения E₀. Применение потенциала жестких сфер дает завышенные в несколько раз значения микроскопического сечения упругого взаимодействия  распыленных атомов в газовой среде, особенно в молекулярных газах.

Наиболее эффективным является расчет микроскопического сечения упругого взаимодействия атомных частиц  в модели квазижестких сфер, где оно имеет вид:

, (2.4)

и, соответственно, длина свободного пробега  атомных частиц в газовой среде составляет

, (2.5)

где r_min(E₀) – расстояние наибольшего сближения двух сталкивающихся атомных частиц.

В свою очередь, расстояние наибольшего сближения двух сталкивающихся атомных частиц r_min(E₀) можно получить из уравнения

, (2.6)

где U_B–M(r) – потенциал межатомного взаимодействия Борна – Майера.

Для нахождения расстояния наибольшего сближения двух сталкивающихся атомных частиц r_min от энергии их относительного движения E₀ воспользуемся следующим выражением:

, (2.7)

где Z_р.а и Z_а.г – порядковые (атомные) номера сталкивающихся распыленного атома и атома газа. Расстояние наибольшего сближения r_min(Е₀) при центральном столкновении (при нулевом прицельном параметре столкновения) определяет минимальное расстояние между двумя атомными частицами в точке остановки при инфинитном движении налетающей частицы.

В рамках модели квазижестких сфер микроскопическое сечение упругого взаимодействия атомных частиц  ~ 1/ растет с уменьшением энергии их относительного движения Е₀ и достигает величины газокинетического сечения при тепловых энергиях столкновения. Потенциал взаимодействия квазижестких сфер с межатомным потенциалом Борна – Майера хорошо работает в области больших межатомных расстояний, которым соответствуют как малые значения энергии столкновения, так и большие значения прицельного параметра в широком диапазоне энергии столкновения атомных частиц.

Таким образом, при заданных составе мишени и сорте рабочего газа, рассчитав согласно приведенному выше алгоритму значения r_min(Е₀), (r_min) и N(E₀, T) для наиболее вероятного значения энергии распыленных атомов Е₀ = 0.5Е_св, можно получить оценку величины границы зоны термализации распыленных атомов, на которой распыленные атомы потока достигают термодинамического равновесия с атомами рабочего газа . Будем считать, что энергии связей катионов в мишени равны энергиям связи чистых элементов (E_св). E_св(Ba)=1,9 эВ/ат, E_св(Sr)=1,8 эВ/ат, E_св(Ti)=4,8 эВ/ат.

Анализ пространственного распределения распыленных атомов, проведенный в рамках механизма нелинейной диффузии, показывает, что тяжелые, относительно высокоэнергетичные атомы достигают подложки, практически полностью сохраняя направленное движение и энергию, полученные ими в плоскости мишени. В этом случае подложка в области, противоположной зоне эрозии мишени, бомбардируется направленным потоком атомов со средней энергией, соответствующей масштабу энергий связи атомов мишени. Направленные потоки легких и тяжелых, но низкоэнергетичных атомов достаточно быстро убывают, и их перенос на подложку обеспечивается диффузионными потоками атомов с энергией, соответствующей температуре атомной подсистемы плазмы.

Условие реализации диффузионного режима заключается в том, что граница зоны термализации распыленных атомов – X_т должна быть меньше пространства дрейфа "мишень – подложка" – d. Расчет максимальной границы зоны термализации распыленных атомов – X_т (Р) позволяет при заданном значении расстояния дрейфа d определить минимальное давление рабочего газа Р. С другой стороны, увеличение давления рабочего газа приводит к уменьшению скорости роста пленки, поэтому существует область оптимальных значений произведения Рd, соответствующих максимальной скорости напыления пленки.

Рассмотрим некоторые особенности магнетронного распыления сложных оксидов. При МР сложных по стехиометрическому составу мишеней, таких как Ba_xSr_1-xTiO₃ (BSTO), появляются новые критические параметры процесса: скорость осаждения (v₀) пленки и температура подложки (T), а уже рассмотренные (P, D, J) приобретают новое значение для электрофизических и кристаллографических свойств получаемых пленок сложных оксидов. Например, уменьшение рабочего давления приводит к бомбардировке подложки высокоэнергетическими частицами, что определяет размер зерна пленки, ее чистоту, стехиометричность и механические напряжения.

Профили распределения состава получаемой пленки могут быть рассмотрены в рамках механизма нелинейной диффузии, позволяющего рассматривать поток распыленных атомов, как изменяющийся по законам нелинейной диффузии через хаотическую решетку атомов рабочего газа в пространстве дрейфа "мишень – подложка". Исследования энергетического воздействия на подложку при МР различных материалов в аргоне, неоне и криптоне показало, что существенный вклад в этот процесс вносят как конденсирующиеся распыленные атомы материала мишени, так и отраженные от мишени нейтрализованные ионы рабочего газа. Причем, чем меньше масса атома рабочего газа и больше масса атома материала мишени, тем интенсивней поток высокоэнергетичных отраженных частиц. С уменьшением рабочего давления возрастают как скорость конденсации, так и поток отраженных нейтрализованных ионов. Однако скорость конденсации возрастает быстрее.

При нанесении МР сложных оксидов-пленок повышение давления приводит, наряду со снижением количества высокоэнергетичных частиц, бомбардирующих растущую пленку, к изменению стехиометрического состава. Такое же воздействие оказывает и изменение температуры подложки.

Оценим скорость роста пленки (V_d) титаната бария стронция при ионноплазменном распылении на стадии диффузионного распространения потока частиц, воспользуемся следующей формулой

(2.8)

где – суммарное массовое число ( ), ν_k – грамм-атомные стехиометрических коэффициентов для каждого элемента (ν_k(Ba)=0,12, ν_k(Sr)=0,08, ν_k(Ti)=0,2), – массовое число каждого отдельного элемента, – плотность материала растущей пленки (для Ba_0,4Sr_0,6TiO₃ =5,6 г/см³), – число Авогадро, S – коэффициент конденсации (для титаната бария стронция, осаждаемых при 600–800 °С, ), – плотность тока разряда, – коэффициент распыления для каждого из компонентов (Y_k(Ba)=1,6, Y_k(Sr)=2,4, Y_k(Ti)=1,3), – длина свободного пробега каждой компоненты, – расстояние "мишень-подложка", – длина термализации каждого из компонент.

Схема установки магнетронного распыления титаната бария стронция аналогична установке, схема которой изображена на рисунке 1.4. Рассмотрим подробнее порядок работы с установкой магнетронного распыления.

1. Открыть воду.

2. Включить управляющий компьютер, для этого внутри шкафа управления включить источник бесперебойного питания.

3. На стойке управления включить кнопки «сеть» и «пуск».

4. На рабочем столе компьютера запустить программу «imp 7p vl4».

5. Включить форвакуумный насос NL, щелкнув на нем левой клавишей мыши.

6. Открыть форвакуумный вентиль на магистрали к турбомолекулярному насосу VE2 (откачать форвакуумную магистраль).

7. Включить турбомолекулярный насос (ND/NT), откачивать 10-15 мин. пока значок ND/NT в программе не станет зеленым.

8. Открыть вентиль VE1 и напустить воздух в вакуумную камеру, открыть дверцу.

9. Подготовить подложки для напыления пленки.

10. Установить и закрепить подложки на подложкодержателе.

11. Закрыть камеру.

12. Откачать вакуумную камеру (VC) до давления 10 Па, для этого закрыть вентиль VE2 и открыть вентиль VE3 на вакуумной магистрали к камере.

13. Откачать вакуумную камеру (VC) при помощи турбомолекулярного насоса до высокого вакуума (10^-3-10^-4 Па), для этого закрыть вентиль VE3, затем последовательно открыть вентили VE2 и VE4.

14. В рабочей программе включить «Нагрев подложки», для этого на стойке управления нажать кнопку «Нагрев», затем на вкладке БР+РИ в меню "Блок распределительный" в пункте " Ток нагрева подложки" выставить значение 240 ед.

15. Провести предварительный прогрев подложек и откачку в течение 30 мин.

16. Открыть вентиль баллона со смесью аргона и кислорода (2.5 а.т.м.).

17. Открыть пьезонатекатель ZQ1, для этого щелкнуть на значке ZQ1 и на вкладке RF/DC + БУ в пункте "Блок управление" выставить значение напряжения на пьезонатекателе, первоначально, 160 ед., затем прикрыть клапан VE4, щелкнув на него правой клавишей мыши и выставив значение "Дросселирование" 60%. Плавно изменяя значения напряжения на пьезонатекателе, добиться давления в камере 4 Па.

18. Включить "блок питания магнетрона RF".

19. В компьютерной программе на вкладке RF/DC + БУ выбрать вкладку "Управление RF" - включить блок.

20. Во вкладке RF/DC + БУ - вкладка управления RF - магнетроны RF сделать активными «Напыление» и «Установка мощности».

21. При давлении 4 Па выставить мощность 50Вт.

22. Значение коэффициента бегущей волны (КБВ) должно быть больше 0,8, при меньшем значении добиться согласования генератора и нагрузки (мишени) при помощи построечных емкостей С1 и C2. C1 используется для грубой полстройки, С2 – для точной.

23. Увеличить мощность до 200 Вт. Добиться значения КБВ не менее 0,8.

24. Провести процесс распыления в течение 30 мин.

25. Записать параметры технологического процесса.

26. После завершения напыления понизить мощность до 0 Вт.

27. На вкладка RF/DC + БУ выбрать вкладку "Управление RF" – "Магнетроны RF" снять выделение с пунктов «Напыление» и «Установка мощности».

28. Не выключать "Блок питания RF", пока не появится соответствующее сообщение.

29. Постепенно уменьшить ток нагрева подложки, для этого в рабочей программе перейти на вкладку БР+РИ в меню "Блок распределительный" в пункте " Ток нагрева подложки" выставить значение 150 ед., затем через 15 мин. – 100 ед., через 15 мин. – выключить, на стойке выключить нагрев подложки (кнопка «Нагрев»).

30. Закрыть турбомолекулярный насос вентилем VE4, щелкнув на нем правой кнопкой мыши и выбрав "Закрыть".

31. Напустить газ в камеру до 5 Па, затем закрыть натекатель ZQ1, щелкнув на нем левой кнопкой мыши.

32. Закрыть баллон с газом.

33. Выключить турбомолекулярный насос (ND-NT), щелкнув на нем левой кнопкой мыши.

34. Через 20 мин. после выключения турбомолекулярного насоса извлечь подложки из вакуумной камеры, для этого напустить в камеру воздух, щелкнув левой кнопкой мыши на значке WE1.

35. Закрыть вакуумную камеру, затем закрыть вентиль VE2, щелкнув на нем левой кнопкой мыши, аналогично открыть вентиль VE3 и откачать вакуумную камеру до давления 100 Па.

36. Закрыть вентиль VE3, щелкнув на нем левой кнопкой мыши, затем аналогично выключить форвакуумный насос NL.

37. Закрыть рабочую программу.

38. Выключить кнопку «Сеть».

39. Выключить источник бесперебойного питания, выключить компьютер.

40. Закрыть воду.