Отчет по практике: Металлизация керамики

Рисунок 1.8 - Схема магнетронной распылительной системы с плоской мишенью: 1 - катод-мишень; 2 - магнитная система; 3 - источник питания; 4 - анод: 5 - траектория движения электрона; 6 - зона распыления; 7 - силовая линия магнитного поля.

Принцип действия магнетронной распылительной системы показан на рисунке 1.8. Основными элементами устройства являются катод-мишень, анод и магнитная система. Силовые линии магнитного поля замыкаются между полюсами магнитной системы. Поверхность мишени, расположенная между местами входа и выхода силовых линий магнитного поля, интенсивно распыляется и имеет вид замкнутой дорожки, геометрия которой определяется формой полюсов магнитной системы.

Таким образом, большая часть энергии электрона, прежде чем он попадет на анод, используется на ионизацию и возбуждение, что значительно увеличивает эффективность процесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации положительных ионов у поверхности мишени. Это в свою очередь обусловливает увеличение интенсивности ионной бомбардировки мишени и значительный рост скорости распыления, а следовательно, и скорости осаждения пленки. Средние скорости осаждения различных материалов с помощью магнетронной распылительной системы, имеющей плоскую дисковую мишень диаметром 150 мм, при мощности источника 4 кВт и расположении подложки на расстоянии 60 мм от источника приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Средние скорости осаждения различных материалов

Следует отметить, что плазма разряда существует только в области магнитной ловушки в непосредственной близости от мишени и ее форма определяется геометрией и величиной магнитного поля.

Создание магнитной ловушки у распыляемой поверхности мишени представляет собой простое, но весьма эффективное решение проблемы увеличения скорости распыления материалов в плазменных распылительных системах. Но помимо этого достоинства МРС обладает рядом специфических свойств, основным из которых является отсутствие бомбардировки подложки высокоэнергетическими вторичными электронами, вылетающие с мишени.

Суммарная тепловая энергия, рассеиваемая на подложке, и температура подложки для различных материалов, осаждаемых в цилиндрической МРС, приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Тепловая энергия и температура подложки различных материалов

Для наших условий (Ta, Mo) температуры недопустимо малы и не обеспечивают необходимую адгезию покрытия с подложкой. Поэтому вынуждены использовать искусственный инфракрасный подогрев подложек перед напылением до температуры не ниже 500 ⁰С.

Основные рабочие характеристики магнетронных распылительных систем - напряжение на электродах, ток разряда, плотность тока на мишени и удельная мощность, величина индукции магнитного поля и рабочее давление. От величины и стабильности перечисленных параметров, которые взаимно связаны между собой, зависят стабильность разряда и воспроизводимость процесса нанесения пленок. Магнетронные системы относятся к низковольтным системам распыления. Напряжение питания не превышает 1000 В постоянного тока. Рабочее напряжение составляет 300-700 В, на мишень обычно подается отрицательный потенциал, а анод имеет нулевой потенциал.

Магнетронная распылительная система может работать в диапазоне давлений от 10^-2 до 1 Па и выше. Важнейшими параметрами, во многом определяющими характер разряда в ней, являются геометрия и величина магнитного поля, индукция которого у поверхности мишени 0,03-0,1 Т.

Важным параметром разряда, определяющим скорость распыления, является электрическая мощность, причем скорость осаждения пленки почти линейно зависит от приложенной мощности. В свою очередь мощность разряда при постоянной мощности источника зависит от давления и магнитной индукции.

Напряжение зажигания в магнетронной системе значительно ниже, чем в обычных диодных системах. Это объясняется тем, что еще до наложения электрического поля электроны, всегда присутствующие в рабочей камере и обеспечивающие первые акты ионизации в развитии лавинного процесса пробоя газового промежутка, захватываются магнитной ловушкой, вследствие чего их концентрация в этой области оказывается выше, чем в объеме камеры, что и способствует возникновению разряда при более низких напряжениях.

Движение заряженных частиц в плазме

В неоднородных скрещенных электрическом и магнитном полях заряженные частицы совершают дрейфовые движения. Хотя рассмотрения дрейфовых движений отдельных частиц недостаточно для полного описания плазмы, с их помощью можно наглядно описать некоторые макроскопические свойства плазменного состояния.

Траектория движения электронов в плазме магнетронных распылительных систем очень сложна, и описать ее аналитически с учетом всех составляющих движения практически невозможно. Количественный учет сложного движения заряженных частиц в газе проводится обычно разложением его на две составляющие: беспорядочное (диффузионное) и направленное движение. Преобладание того или иного вида движения зависит от давления газа р и напряженности электрического поля Е, действующего в области разряда. Критерием оценки характера движения частиц является отношение E/p. Если значение этого отношения велико, то преобладающим является направленное движение под действием электрического поля [14].

Основным типом движения заряженной частицы в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, является циклотронное вращение.

Совместное действие электрического и магнитного полей вызывает дрейф заряженной частицы в направлении, перпендикулярном как электрическому, так и магнитному полям.

При движении в однородных электрическом и магнитном полях без начальной скорости траектория частицы представляет циклоиду высота которой равна двум ларморовским радиусам.

В скрещенных электрическом и магнитном полях могут существовать и другие типы дрейфовых движений, например градиентный и центробежный дрейфы, вызываемые неоднородностью магнитного поля и искривлением его силовых линий. Скорости этих видов, движений зависят от массы заряда частицы, что приводит к разделению зарядов и появлению токов. Суммарная скорость дрейфа заряженной частицы в магнитном поле с изогнутыми силовыми линиями слагается из скоростей градиентного и центробежного дрейфов.

В магнетронных системах неоднородными являются как электрическое, так и магнитное поля, и поэтому в плазме разряда существуют все вышеперечисленные типы дрейфовых движений заряженных частиц.

Характеристики разрядного промежутка

При низком давлении разряд в распылительной системе с холодным катодом поддерживается в основном за счет вторичных электронов, эмиттируемых с катода под действием ионной бомбардировки. Выбитые из катода электроны ускоряются в области темного катодного пространства и с большими энергиями входят в область плазмы, где совершают ионизирующие столкновения с атомами рабочего газа до тех пор, пока не потеряют энергию или не попадут на анод.

При используемых в магнетронных системах магнитных полях и небольшой области существования плазмы магнитное поле практически не оказывает влияния на траекторию движения ионов, т. е. они свободно под действием электрического поля уходят на мишень по траекториям, близким к прямолинейным. Электроны же, перемещаясь по сложным траекториям в области магнитной ловушки, совершают многократные столкновения с атомами рабочего газа. Следовательно, справедливо предположить, что основную роль в процессах образования и поддержания плазмы в магнетронных распылительных системах играют электроны.

Если электрон не столкнется на своем пути с другой частицей, то он возвращается к катоду и может быть обратно захвачен им. Вероятность захвата довольно велика, поскольку длина свободного пробега электрона значительно больше длины циклоиды. Однако из-за волновых процессов в плазме и неоднородности магнитного и электрического полей вероятность захвата уменьшается и считают, что она составляет 0,5.

Электроны, которые попадают в магнитную ловушку и не возвращаются на катод, начинают совершать столкновения в плазме, в результате которых (а также колебаний в плазме) перемещаются в сторону анода. Совершив несколько ионизирующих столкновений, электрон теряет энергию и диффундирует к аноду. Область, в пределах которой электрон теряет энергию, является областью существования плазмы. Граница этой области в разряде магнетронной системы по существу условный анод.

Локализация плазмы разряда

Одной из особенностей магнетронных распылительных систем является локализация плазмы аномального тлеющего разряда у распыляемой поверхности мишени, причем плазма имеет форму, близкую к тороидальной, и степень ее ионизации максимальна в центральной части над зоной распыления. Причина локализации плазмы относительно средней линии зоны распыления объясняется неоднородностью магнитного и электрического полей.

Прежде всего, локализация плазмы происходит вследствие магнитной фокусировки электронов в магнитном поле, силовые линии которого имеют форму дуги. Это явление можно рассмотреть на примере электронов, начальные скорости которых направлены по нормали к поверхности мишени.

Рисунок 1.9  - Фокусирующее действие магнитного (а) и электрического (б) полей на электроны и возникновение дрейфовых движений электронов (в): 1 - катод-мишень; 2 - силовая линия магнитного поля; 3 - эквипотенциальная поверхность на границе темного катодного пространства.

Из рис. 1.9 видно, что электроны, эмиттированные с краев зоны распыления, двигаются вдоль силовой линии магнитного поля к середине зоны распыления под действием составляющей скорости v _çç, в то время как движение в направлении v_^ ограничено сильным поперечным магнитным полем. Концентрация электронов над средней частью зоны распыления приводит к увеличению интенсивности ионизирующих столкновений и, следовательно, росту плотности плазмы в этой области. В результате этого плотность ионного тока по зоне распыления неоднородна: сильнее в центре и слабее у границ.

Формирование пространственных зарядов в плазме

Исследования разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях показали, что магнитное поле оказывает очень сильное влияние на параметры и структуру разряда. Поскольку движение ионов в плазме слабо зависит от используемых в МРС магнитных полей, подвижность электронов поперек магнитного поля становится значительно ниже, чем для ионов, и уход электронов на анод при больших магнитных полях затруднен. Это приводит к тому, что у анода образуется отрицательный объемный заряд и формируется анодный слой, в котором происходит анодное падение потенциала. При достаточно большом магнитном поле почти все приложенное напряжение может падать в анодном слое. Электроны, ускоряясь в этой области, ионизируют атомы газа, в результате чего доминирующей областью ионизации становится прианодная область, причем толщина анодного слоя является функцией магнитного поля. Таким образом, в случае окрещенных электромагнитных полей могут наблюдаться три типа разрядов в зависимости от величины магнитного поля: разряд с областью катодного падения, разряд с областью анодного падения и разряд с одновременным существованием обеих областей.

Анализ различных вариантов конструкции магнетронных распылительных систем показывает, что все они в диапазоне используемых для разряда магнитных полей (0,03-0,1 Т) характеризуются наличием, как положительного у катода, так и отрицательного у анода пространственных зарядов, причем анодное падение потенциала возрастает с ростом индукции магнитного поля.

Колебания в плазме и возникновение нестабильностей

В плазме, находящейся в магнитном поле, возникают волновые явления. Электроны могут совершать колебания вдоль силовых линий магнитного поля. Кроме того, электроны совершают колебания поперек силовых линий магнитного поля. В плазме могут возникать колебания ионного тока, в диапазоне частот 50-500 кГц.

Колебания электронного и ионного токов, а также дрейфовый характер движения частиц в скрещенных неоднородных электрическом и магнитном полях приводят к возникновению нестабильностей в плазме. Условия возникновения этих нестабильностей определяются величиной индукции магнитного поля, конфигурацией магнитной ловушки, а также рабочим давлением, причем при определенных условиях и геометрии магнетронной системы существуют критические значения этих величин [15].

Первый тип электрических дуг наблюдается при зажигании разряда, связан с наличием загрязнений и окислов на распыляемой поверхности и объясняется пробоем диэлектрической пленки окислов, существующих на мишени, и локальным увеличением электронной эмиссии при наличии загрязнений. По мере ионной очистки распыляемой поверхности эти дуги прекращаются. Время очистки мишени зависит от ее чистоты и распыляемого материала. Чем химически активнее распыляемый материал и выше парциальное давление реактивных газов в вакуумной камере, тем дольше время очистки мишени.

Скорости распыления материалов

Процесс ионного распыления материалов количественно характеризуется коэффициентом распыления, определяемым как число атомов, выбиваемых из материала мишени одним ионом. Значение этого коэффициента зависит от множества факторов: энергии, массы и атомного номера бомбардирующих ионов, массы и атомного номера распыляемых атомов, угла падения ионов, температуры поверхности, качества ее обработки и др. В настоящее время наиболее полная и законченная теория ионного распыления аморфных и поликристаллических материалов разработана Зигмундом [8]. Им получены формулы для определения энергетической эффективности процесса, расчета коэффициента распыления в зависимости от энергии ионов, которые применимы при любых энергиях ионов, причем расчетные данные хорошо согласуются с экспериментальными.

Экспериментально установлено, что существенное влияние на коэффициент распыления оказывает давление рабочего газа (он начинает уменьшаться, когда давление превысит некоторое пороговое значение, зависящее от массы и энергии атомов и ионов), а также геометрии распылительной системы (в основном расстояния от мишени до плоскости конденсации). Это объясняется увеличением вероятности возвращения распыленных атомов на мишень при увеличений давления вследствие процессов обратной диффузии и обратного рассеяния (отражения).

Обратное рассеяние представляет собой возвращение распыленных атомов на мишень в результате рассеяния на атомах рабочего газа. Этот процесс происходит на расстояниях, не превышающих длину свободного пробега распыленных атомов и характеризуется различием кинетических энергий и масс соударяемых частиц. Если масса атомов распыляемого материала больше массы атомов рабочего газа, то основным процессом возвращения распыленных атомов на мишень является обратная диффузия.

Ниже приведены рассчитанные для некоторых материалов значения средней длины направленного пробега атомов, распыленных ионами аргона с энергией 600 эВ [7]:

Таблица 3 - Средняя длина направленного пробега атомов различных материалов

Скорость осаждения и равномерность толщины пленки

Скорость осаждения в заданной точке подложки зависит не только от эмиссионных характеристик источника, но и от угла распыления, угла конденсации и расстояния между точками распыления и конденсации. При выводе формулы для расчета равномерности толщины пленки обычно делаются следующие допущения:

распределение распыленных атомов в пространстве подчиняется косинусному закону;

атомы распыляемого материала незначительно рассеиваются в результате столкновений с атомами газа;

распыленный атом осаждается в месте соударения с подложкой

Для обеспечения условий равномерного осаждения пленки существуют два пути. Первый, наиболее широко используемый при методах термического испарения материалов, предусматривает перемещение подложки по сложной траектории относительно источника (планетарные внутрикамерные устройства). Второй путь - разработка такой геометрии источника, которая обусловливает нанесение равномерной по толщине пленки на неподвижную или перемещающуюся по простейшей траектории (например, линейно) подложку, но коаксиальным расположением относительно цилиндрического катода.

Таким образом, в магнетронных распылительных системах выбором геометрии мишени можно обеспечить условия нанесения равномерных по толщине пленок на неподвижные подложки. Для достижения высокой равномерности можно использовать и обычные планетарные внутрикамерные устройства, применять специальные профилированные экраны при линейном перемещении подложек относительно магнетронной системы или создавать несколько зон распыления на мишени.

В настоящее время известно множество конструктивных вариантов магнетронных распылительных систем, но наибольшее распространение в промышленности получили системы с мишенями конической и плоской форм. Конструкции магнетронных систем должны обеспечивать высокую скорость распыления, минимальное отрицательное воздействие на обрабатываемые структуры, высокий коэффициент использования материала мишени, возможность распыления разнообразных материалов, нанесение пленочных покрытий набольшие площади с минимальной неравномерностью по толщине, высокую надежность работы, большой срок службы и др. Большинство этих требований удовлетворяется правильным выбором конструкции магнитной системы и формы мишени.

Рисунок 1.10 - Конструкции магнетронных распылительных систем с плоскими мишенями: 1 - мишень; 2 - анод; 3 - магнитная система; 4 - дополнительный электрод; 5 - полюсные наконечники.

Типичные конструкции магнетронных распылительных систем с плоскими мишенями приведены на рис. 1.10. В простейшем случае (рис. 2.3, а) система включает в себя магнитный блок, вмонтированный в водоохлаждаемый корпус, являющийся одновременно и держателем мишени. Вокруг корпуса располагается анод в виде цилиндра или медной трубки с проточной водой, установленной по периметру мишени вблизи ее. Анод обычно заземляется. Для более полного устранения бомбардировки подложек вторичными электронами катодный блок окружается заземленным экраном, а по периметру мишени и в центре устанавливаются изолированные аноды, имеющие небольшой (до 50 В) положительный потенциал относительно земли. Аноды перекрывают места входа и выхода силовых линий магнитного поля и улавливают рассеиваемые вдоль силовых линий вторичные электроны, оставляя открытой только ту область мишени, где силовые линии параллельны распыляемой поверхности и скорость распыления максимальна (рис. 1.10). Экранирование слабо распыляемых участков мишени улучшает свойства получаемых пленок.

При изготовлении чувствительных к радиационным воздействиям приборов целесообразно дополнительно улавливать летящие в сторону подложки ионы, которые, например, могут образоваться в результате ионизации распыленных атомов мишени. В этом случае над поверхностью положительного анода устанавливается дополнительный отрицательный электрод (рис. 2.3, в). На рис. 2.3, г представлена конструкция магнетронной распылительной системы, использующей мишень специальной формы. Это позволяет распылять достаточно толстые мишени. После распыления половины материала мишени она переворачивается и производится распыление остальной части, что обеспечивает повышение коэффициента использования материала мишени до 90%.

Получение высококачественных тонкопленочных слоев металлов, сплавов, диэлектриков и полупроводников является одной из актуальных задач технологии изготовления различных элементов радиоэлектронной аппаратуры.

3. Анализ учебных занятий