13

Кафедра этт. Дисциплина «Основы технологии электронной компонентной базы» Лабораторная работа № 3. Ионно-плазменное нанесение пленок

Цель работы: ознакомление с физическими закономерностями процесса нанесения пленок, устройством и особенностями эксплуатации установки ионно-плазменного нанесения, проведение нанесения металлических пленок, измерение сопротивления и расчет толщины пленок.

1. Основные понятия и соотношения

Поток частиц вещества при данном методе генерируется за счёт физического распыления материала мишени-катода при бомбардировке его ионами плазмы рабочего газа, ускоренными до высоких энергий. Одним из важнейших отличий ионно-плазменного распыления от вакуумного термического испарения является высокая энергия распыленных частиц (3-5 эВ) по сравнению с испаренными (0,15 эВ при Тисп ~ 2000 К), что позволяет осаждающимся частицам частично внедряться в подложку, обеспечивая высокую адгезию пленки к подложке.

В процессе внедрения в твёрдое тело и замедления ион передаёт энергию частицам вещества. Различают три основных механизма такой передачи:

- взаимодействие с электронами наружных оболочек атома вещества,

- взаимодействие с ядрами атомов вещества,

- обмен зарядами ионов и атомов вещества (перезарядка).

При электронном взаимодействии происходит возбуждение и ионизация атомов мишени. Так как плотность электронов в веществе высока, то процесс взаимодействия можно считать непрерывным на всем пути иона.

Ядерные взаимодействия можно рассматривать как упругие соударения двух частиц. При высоких энергиях, когда столкновение сводится к кулоновскому взаимодействию, происходит резерфордовское рассеяние. Для средних энергий процесс представляется как экранированное кулоновское взаимодействие, а при малых - характер взаимодействия становится более сложным.

Процесс обмена зарядами наиболее эффективен при энергии иона порядка 10 кэВ, когда его скорость сравнима с «боровской» скоростью электрона (2х10⁶ м/с).

Для получения потока ускоренных ионов газа и практической реализации процесса распыления используются разные технические подходы:

- распыление в диодных системах на постоянном токе (катод разрядного промежутка изготовлен из распыляемого материала),

- триодные системы распыления с разрядом с нагретым катодом и вспомогательным анодом,

- тетродные системы распыления, в которых для улучшения условий зажигания разряда у катода установлен дополнительный электрод,

- установки с автономным источником ионов,

- высокочастотные распылительные системы,

- магнетронные системы распыления.

Системы двух последних типов позволяют распылять не только тугоплавкие металлы, но и многокомпонентные сплавы, диэлектрики, полупроводники, т.е. практически все материалы.

Ионно-плазменное нанесение обладает целым рядом достоинств, таких как:

- возможность получения пленок тугоплавких и неплавящихся материалов,

- сохранение стехиометрического состава пленок при осаждении

- высокая энергия осаждаемых частиц

- возможность получения пленок различных соединений (например, окислов или нитридов) при введении в газоразрядную плазму химически активных (реактивных) газов;

В ионно-плазменном процессе распыляемая мишень и подложка находятся непосредственно в газоразрядной плазме. Поэтому формирование пленок в процессе ионно-плазменного нанесения протекает в сложных условиях из-за сравнительно высокого рабочего давления (до ~ 10 Па), неопределенности энергии ионов и распыленных частиц.

Ионно-плазменный процесс нанесения пленок можно разделить на три основных этапа:

- распыление материала мишени,

- перенос распыленного материала в пространстве мишень – подложка,

- осаждение материала на подложке.