МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ФЭТ

отчет

по лабораторной работе №6

по дисциплине «ТМиЭЭТ»

Тема: Изучение процесса магнетронного напыления пленок по программной модели

Студенты гр. 5207		Иванов А.Д.
		Шабалин А.Е.
		Макаров К.С.
Преподаватель		Никитин А.А.

Санкт-Петербург

2018

Цели работы:

1. Изучение процесса магнетронного напыления пленки.

2. Изучение влияния технологических параметров на скорость напыления пленки.

Основные положения

Метод магнетронного напыления тонкой пленки основан на физическом распылении рабочего вещества в вакууме. При изучении метода, следует выделить три взаимосвязанных процесса:

– формирование потока рабочего вещества;

– перенос частиц рабочего вещества от источника к подложке;

– формирование пленки на подложке.

Формирование потока рабочего вещества

Среди плазменных систем, в которых для формирования потока рабочего вещества используют физическое распыление, магнетронные распылительные системы (МРС) имеют ряд преимуществ:

– процесс идет при давлении плазмообразующего газа р = 0.1…1 Па, которое ниже, чем в диодных и тетродных системах;

– скорость распыления рабочего вещества можно изменять в широких пределах;

– рабочее напряжение обычно не превышает значения 1 кВ. В диодных и тетродных системах это напряжение в 3–5 раз выше;

– имеется возможность осаждать пленки оксидов, нитридов и других бинарных соединений. Для этого достаточно при распылении металлической мишени ввести в газовую среду химически активный газ;

– с помощью линейных МРС, имеющих длину до 3 м, можно получить пленки с высокой степенью однородности на больших площадях;

– в потоке рабочего вещества отсутствует капельная фаза;

– технологический процесс имеет высокую воспроизводимость;

–на базе магнетронных распылительных систем могут быть созданы полностью автоматизированные установки для нанесения покрытий.

Магнетрон (рисунок 1) помещают в вакуумную камеру, которую откачивают до высокого вакуума. После этого в нее вводят рабочий газ (обычно аргон), доводя его давление до 0.1…1 Па, и подают напряжение U_м между катодом и анодом. В результате между ними возникает аномальный тлеющий разряд, порождающий ток I_р.

Рисунок 1 – Схема планарного магнетрона

При низком давлении в магнетроне (рисунок 2) разряд поддерживается только за счет вторичных электронов, эмитируемых в результате ионной бомбардировки с катода. Эти электроны ускоряются в области темного катодного пространства (ТКП) шириной d_к и движутся по траекториям, близким к циклоидным.

Траектории электронов формируются за счет скрещенных электрического и магнитного полей. Циклоидные траектории возникают только в однородных и ортогональных полях. Конструкция магнетрона обычно такова, что поля E и B неоднородны и не являются ортогональными во всех точках пространства.

Рисунок 2 – Схема магнетронного разряда

Перенос рабочего вещества

Средняя энергия частиц в потоке при распылении лежит в пределах 3…5 эВ. Магнетрон обычно работает при давлении аргона, которое выше 1 мТорр. В этом случае средняя длина свободного пробега частицы L_T,p будет не больше 47 мм.

Формирование пленки на подложке

Для потока частиц с энергией несколько электрон-вольт термодинамическая модель формирования пленки на подложке становится не вполне адекватной. В этом процессе возникает сильно неравновесная система со значительным избытком энергии. На начальной стадии роста могут образовываться переходные слои за счет перемешивания материалов пленки и подложки.

Нагрев подложки при напылении пленки

Процесс осаждения пленки на подложку при физическом распылении сопровождается ее нагревом за счет:

– кинетической энергии атомов осаждаемого материала;

– тепла, выделяемого при конденсации и кристаллизации;

– кинетической энергии нейтрализованных и отраженных от мишени атомов рабочего газа;

– энергии вторичных электронов с мишени;

– излучения плазмы;

– излучения нагретой поверхности мишени;

– выделения теплоты экзотермической химической реакцией, протекающей на подложке с участием рабочего вещества.

Одновременно с нагревом подложка охлаждается через поверхность за счет:

– излучения;

– теплопроводности газа;

– теплопроводности элементов конструкции держателя подложки;

– поглощения теплоты эндотермической химической реакцией, протекающей на подложке с участием рабочего вещества.

Потоки тепла на подложке показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 – Тепловые потоки на поверхности подложки (1)

с держателем (2) при формировании пленки (3)