Лабы / Методы / Работа 5, 6 и 7

•18 – отображает время работы установки;

•16 – отображает длительность процесса напыления.

7. В правой нижней области панели расположен индикатор 15, с помощью которого можно изменять масштаб времени.

Для изготовления пленки необходимо выполнить следующие действия.

•Подготовка установки

1.Кнопкой 1 выполнить общее включение установки, при этом включаются насосы и вакуумметры. Индикатор 18 начнет отсчет общего времени работы установки. Тумблером 2 установить ручное управление.

2.Открыть вентиль B1 (кнопка 9), затвор B3 (кнопка 13) должен быть закрыт. Для ускорения процесса нагрева диффузионного насоса воспользоваться множителем времени (индикатор 15).

•Загрузка камеры и задание технологических параметров

1.Создать в камере атмосферное давление (кнопка 12).

2.Задать материал пленки (индикатор 3) и ее толщину (индикатор 23).

3.Задать технологические параметры процесса: давление рабочего газа (регулятор 6), номинал сопротивления балласта (регулятор 7), расстояние между мишенью и подложкой (индикатор 22), рабочее напряжение в диапазоне расстояния «мишень–подложка» (регулятор 10).

•Получение вакуума

1.Закрыть натекатель 12 и получить в камере высокий вакуум, используя вентили B1, B2 (кнопки 8 и 9), затвор В3 (кнопка 11) и контролируя изменение давления с помощью термопарного 19 и ионизационного 17 вакуумметров. Порядок получения высокого вакуума описан в 1.2.2.

2.При достижении заданного значения давления остаточных газов приступить к выполнению технологического процесса.

При изготовлении пленки в камере должен непрерывно поддерживаться высокий вакуум, который обеспечивают насосы при открытых В1 и В3.

•Технологический процесс

1.Кнопкой 13 включить подачу в камеру рабочего газа. Одновременно включается источник питания магнетрона.

2.Приступить к изготовлению пленки:

–перевести множитель времени 15 в положение ×1;

–открыть заслонку кнопкой 14;

44

– толщина пленки и скорость ее роста будут отражены на индикаторах

20и 21 соответственно.

3.После записи результата эксперимента закрыть заслонку, отключить подачу рабочего газа, закрыть затвор и создать в камере атмосферное давление. В таком состоянии установка готова к проведению следующего эксперимента.

После завершения всех экспериментов установка должна быть выключена. Установку выключают кнопкой 1 после закрытия всех вентилей и затвора.

3.2.3.Задания

1.Изучить программную модель технологической установки.

2.Получив индивидуальное задание, выполнить серию экспериментов.

3.Исследовать влияние технологических параметров на скорость роста пленки.

3.2.4.Порядок выполнения заданий

1.Изучить порядок управления программной моделью.

2.Задание на проведение процесса включает:

–состав материала пленки;

–толщина пленки в диапазоне 0.1…2.0 мкм;

–давление рабочего газа в диапазоне (1.2…4)10–3 мм рт. ст.;

–номинал сопротивления балласта в диапазоне 100…300 Ом;

–расстояние между мишенью и подложкой в диапазоне 0.1…0.2 м;

–рабочее напряжение в диапазоне 0.5…1 кВ.

3. Провести эксперименты в ручном режиме по индивидуальному заданию. В каждом эксперименте определить скорость роста пленки vпл, устанавливая значения pAr, Rб, Uраб и h по плану, приведенному в табл. 3.2 или 3.3. В одной или нескольких строках табл. 3.2 выполнить дублирование эксперимента (по указанию преподавателя). Результаты записать в последний столбец таблицы выбранного плана эксперимента.

4. По результатам экспериментов построить модель, отражающую зави-

симость vпл = fпл(Uраб, pAr, Rб, h). План в табл. 3.2 или 3.3, по которому проводился эксперимент, составлен для линейной модели первого порядка:

45

где b0, b1, b2, b3, b4 – неизвестные коэффициенты, вычисляемые по результатам эксперимента; x1, x2, x3, x4 – безразмерные нормированные факторы, связанные с реальными факторами соотношением

x j = x′j −I jx′j0 .

Здесь x′j – физический фактор, причем x1′ =Uраб, x2′ = рAr, x3′ = Rб, x4′ = h;

46

максимальный и минимальный уровни j-го фактора). Порядок расчета оценок коэффициентов модели (3.17) приведен в прил. П.4.4.

5. Проанализировать адекватность модели по методике, изложенной в прил. П.5.

3.2.5. Содержание отчета

1.Цели работы.

2.Основные расчетные соотношения.

3.Исходные данные для проведения процесса.

4.Таблицы с экспериментальными результатами.

5.Таблицы с результатами вычислений.

6.Анализ полученных результатов.

7.Выводы.

3.2.6.Контрольные вопросы

1.Как зависит поток рабочего вещества от тока разряда?

2.Как зависит поток рабочего вещества от давления рабочего газа в ка-

мере?

3.Как зависит скорость роста пленки от тока разряда?

4.Как зависит скорость роста пленки от давления рабочего газа в каме-

ре?

5.Как зависит равномерность пленки от геометрических размеров подложки?

6.Как зависит равномерность пленки от расстояния «источник – подложка»?

7.С какой целью в магнетронном источнике применяют магнитное по-

ле?

8.Какие преимущества имеет метод магнетронного распыления перед резистивным испарением?

9.За счет какого физического процесса формируется поток рабочего

47

вещества в магнетронном источнике?

10. С какой целью в цепи питания магнетрона установлено балластное сопротивление?

3.3. Лабораторная работа 6. Исследование процесса магнетронного распыления

3.3.1.Цели работы

1.Изучение устройства магнетронного распыления.

2.Исследование влияния технологических факторов на свойства изготовленных пленок.

3.3.2.Описание лабораторной установки

Лабораторная работа проводится на установке ВУП-4, оснащенной магнетронной распылительной системой (МРС).

Для проведения процесса напыления используют стандартную высоковакуумную систему (см. рис. 1.4), дополненную натекателем на вакуумной

Рис. 3.6. Конструкция аксиальной МРС

камере для подачи в нее аргона, в среде которого происходит процесс.

В вакуумной камере расположен магнетрон и устройства для размещения подложек. На рис. 3.6 представлена типичная конструкция аксиальной МРС. В простейшем случае система представляет собой корпус 1, изготовленный из ферромагнитного материала, в который вставлен постоянный магнит 2 с полюсами N и S. Мишень 3 прижата болтами к корпусу 1 через резиновую прокладку 4. При работе в магнетроне выделяется мощность в не-

48

сколько киловатт, способствующая нагреву корпуса. Поэтому конструкцию охлаждают потоком водопроводной воды через трубки 5. Корпус 1, являясь магнитопроводом, совместно с магнитом 2 служит магнитной системой устройства, которая формирует поле, проникающее через мишень в вакуум. Магнитные силовые линии 6 показаны на рис. 3.6 штриховыми линиями. Электрическое поле в системе создают с помощью мощного источника питания. Анодом обычно служит вакуумная камера или специальный электрод, установленный в ней.

Установка состоит из двух электрических стоек и вакуумной камеры. На правой стойке расположены органы управления вакуумной системой, вакуумметр, натекатель для напуска газа и рукоятка регулирования режима распыления. На левой стойке расположены устройства управления и контроля подогрева подложек и измерительные приборы источника питания МРС.

Ввакуумной камере расположен держатель подложек с маской, печкой

итермопарой, МРС и заслонка. В режиме магнетронного распыления установка обеспечивает:

1)давление остаточных газов 10–3 Па;

2)рабочее давление аргона 10–2…1 Па;

3)рабочее напряжение 300…1000 В;

4)ток разряда до 1 А;

5)удельную мощность до 100 Вт/см2.

3.3.3. Задание

Исследовать зависимость сопротивления наносимых металлических покрытий от следующих технологических факторов:

а) давления аргона рAr; б) тока разряда Iр;

в) температуры подложки Tп.

3.3.4.Порядок выполнения задания

1.Ознакомиться с устройством установки ВУП-4.

2.Ознакомиться с внутрикамерной технологической оснасткой.

3.Провести 4 эксперимента по нанесению пленки, устанавливая значе

49

ния тока разряда Iр, температуры подложки Tп и давление рабочего газа рAr в соответствии с табл. 3.4 или 3.5.

Для нанесения пленки необходимо:

• получить в вакуумной камере высокий вакуум. Установка представляется к лабораторной работе в рабочем состоянии с разогретым диффузионным насосом. В камеру напущена атмосфера. Для откачки камеры следует закрыть натекатель на левой стороне вакуумной камеры, нажать кнопку «ПВ» и откачать камеру до давления не выше 20 Па, после чего нажать кнопку «ВВ» и открыть затвор диффузионного насоса. Для напуска атмосферы закрыть затвор и открыть натекатель. При измерении остаточного давления выше 0.133 Па в установке используют термопарный вакуумметр. Перед началом измерений нажать кнопку «ПМТ-4М» и измерить ток накала, при необходимости произвести регулировку. Для измерения нажать кнопку «ФВ». Верхняя шкала индикатора показывает значение, которое следует перевести в давление по градуировочной кривой (см. рис. 1.6). Давление ниже 0.133 Па измеряют с помощью ионизационного вакуумметра. Перед измерением следует проверить эмиссию и нуль прибора, нажав кнопки «ЭМИСС.» и «НУЛЬ» соответственно. Измерение производят по верхней шкале индикатора, проградуированной в миллиметрах ртутного столба с учетом множителя на соответствующей кнопке;

• создать в вакуумной камере рабочую газовую среду. Для этого следует открыть вентиль на баллоне с аргоном и с помощью микрометрического натекателя установить в камере требуемое давление;

•нагреть подложку, нажав кнопку «НАГРЕВАТЕЛЬ/ОХЛАДИТЕЛЬ»

ирукояткой «РЕГ.НАПРЯЖЕНИЯ» установив напряжение, достаточное для

50

разогрева печки, температуру подложки контролировать по милливольтметру;

• включить источник питания МРС. Нажать кнопку «ВЫПР» и ручкой «РЕГ.НАПРЯЖЕНИЯ» на правом пульте установить требуемый ток разряда. По окончании распыления вывести рукоятку «РЕГ. НАПРЯЖЕНИЯ» в крайнее левое положение. С помощью карусели в одном вакуумном цикле можно получить пленки на нескольких подложках, изменяя для каждой из них технологические режимы.

4.Измерить сопротивления R изготовленных пленок и занести значения

втабл. 3.4 или 3.5.

5.По результатам эксперимента следует построить модель, отражаю-

щую зависимость сопротивления пленки R от факторов Iр, рAr, Tп. Планы эксперимента в табл 3.4 и 3.5 составлены для линейной модели первого порядка:

где b0, b1, b2, b3 – неизвестные коэффициенты, которые вычисляют по результатам эксперимента; x1, x2, x3 – безразмерные нормированные факторы, которые связаны с реальными факторами выражениями, указанными в 3.2.4, в которых физическими факторами являются x1′ = Ip, x2′ =Tп, x3′ = рAr.

Порядок расчета оценок коэффициентов модели (3.18) приведен в прил. П.4.4.

3.3.5. Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Схема внутрикамерной технологической оснастки.

3.Вакуумная схема установки.

4.Таблицы с экспериментальными результатами.

5.Основные расчетные соотношения.

6.Таблицы с результатами вычислений.

7.Анализ полученных результатов.

8.Выводы.

51

3.3.6.Контрольные вопросы

1.Какие физические процессы лежат в основе действия магнетронной распылительной системы?

2.Укажите достоинства и недостатки МРС.

3.Как влияет давление рабочего газа на свойства пленок?

4.Как влияет ток разряда на удельное сопротивление металлических пленок?

5.Как влияет расстояние между мишенью и подложкой на процесс напыления пленки?

6.С какой целью необходимо прогревать подложку?

3.4.Лабораторная работа 7. Исследование процесса

нагрева подложки при магнетронном распылении

3.4.1.Цели работы

1.Изучение особенностей нагрева подложки при изготовлении металлической пленки.

2.Экспериментальное исследование влияния технологического режима на кинетику нагрева подложки.

3.Определение теплового потока на подложке.

3.4.2.Описание лабораторной установки

Лабораторная работа проводится на установке УВН-2М, оборудованной магнетронной распылительной системой (МРС). Принципиальная схема вакуумной системы аналогична схеме установки, описанной в 3.3.2. Установка смонтирована на стальном каркасе, закрытом съемными кожухами. Рабочей камерой является колпак из нержавеющей стали (диаметр 0.5 м, высота 0.5 м). Технологический источник (МРС) смонтирован на колпаке. Подъем колпака осуществляют с помощью гидропривода, вакуумное соединение колпака с базовой плитой достигается при помощи резиновой уплотняющей прокладки. На колпаке размещено смотровое окно и натекатель для напуска воздуха. Приборы контроля технологических параметров, элементы управления установкой и натекатели для напуска рабочих газов смонтированы на каркасе.

52

На столе, расположенном в вакуумной камере, смонтировано устройство для проведения экспериментов. Оно включает две подложки, выполненные

из листовой меди толщиной 1.5 мм. Площадь каждой подложки 1 см2. Расстояние от первой подложки до мишени магнетрона 70 мм, от второй – 120 мм. Для измерения температуры с обратной стороны каждой подложки зачеканена термопара, которая подключена к стрелочному милливольтметру.

3.4.3.Задания

1.Исследовать кинетику нагрева и охлаждения подложки при разных технологических режимах напыления пленки.

2.Определить для всех экспериментов тепловые потоки на подложке.

3.4.4.Порядок выполнения заданий

1.Ознакомиться с устройством установки и порядком работы на ней.

2.Ознакомиться с технологической оснасткой.

3.Провести эксперименты по распылению мишени магнетрона в двух технологических режимах при изменении тока разряда в диапазоне 1…5 A и

давления аргона в диапазоне 2 10–3…8 10–3 мм рт. ст. (Торр). Для этого в каждом эксперименте:

а) получить в камере установки высокий вакуум; б) напустить в камеру аргон и с помощью затвора выполнить дроссели-

рование откачки, установив заданное значение давления;

д) выключить магнетрон и наблюдать уменьшение термоЭДС, которое отражает снижение температуры подложек. Измерение проводить с интервалом 15 с, заполняя табл. 3.6. Измерения завершить при достижении термоЭДС близкого к нулю значения.

4. По результатам эксперимента построить графики T = f (t) для каждого

53