Установки катодного распыления, триодная схема

К основным недостаткам триодной схемы следует отнести малые размеры термокатода, что затрудняет получение однородной плазмы при разряде. Кроме того, из-за термокатода нельзя использовать в технологии агрессивные газы.

Дальнейшее развитие трехэлектродных систем распыления привело к использованию автономных ионных источников. Ионный источник представляет собой газоразрядную камеру с термокатодом, в которую подается рабочий газ под давлением ~ 0,5 Па, что обеспечивает высокую концентрацию ионов. Газоразрядная камера отделена от камеры осаждения калиброванными отверстиями, благодаря чему обеспечивается перепад давлений, и давление в камере осаждения, где расположены мишень и подложка, составляет ~ 0,015 Па. Часть ионов поступает через отверстия в камеру осаждения, ускоряется и распыляет мишень. Такая конструкция позволяет увеличить скорость распыления мишени и повысить чистоту осаждаемых на подложке пленок.8

 

 

3. Получение пленок методом катодного распыления, последовательность процесса.

 

Рассматривая процесс катодного распыления, целесообразно разделить его на три этапа:

 

     1. Выбивание атомов  с поверхности катода.

     2. Диффузия распыленного  вещества к подложке.

     3. Конденсация.

 

1. Выбивание атомов с поверхности катода под действием ионной

бомбардировки.

 

В настоящее время существует много различных теорий процесса катодного распыления. Наиболее распространенной является теория Венера, согласно которой ион, ударившийся о катод, вызывает колебания узлов кристаллической решетки, которые распространяясь в направлении поверхности металла, могут сообщить поверхностному атому энергию, достаточную для распыления.

Скорость катодного распыления возрастает:

 

• с увеличением катодного падения потенциала (увеличивается энергия ионов, бомбардирующих катод);
• с увеличением тока разряда (увеличивается количество бомбардирующих частиц);
• с увеличением массы падающего иона (увеличивается импульс бомбардирующих частиц).

 

Скорость катодного распыления обратно пропорциональна теплоте сублимации материала катода, которая характеризует энергию связи

атомов в решетке.

Кроме этих факторов на распыление оказывает влияние состав газа. При распылении в молекулярных газах возможно образование под действием разряда химического соединения на поверхности катода (нитриды, оксиды и т. д.). В этом случае распыляется уже не сам металл, а химическое соединение. Такое распыление получило название реактивного. Реактивное распыление - один из путей получения пленок таких тугоплавких соединений, как окислы и нитриды металлов. При этом, меняя состав газовой фазы, (например, соотношение химически активной и инертной компонент) можно получить пленки различного химического состава и с разными свойствами.

 

2. Диффузия распыленных атомов в газовой фазе.

 

В условиях тлеющего разряда при давлениях, которые обычно используются (0,1-5 торр), длина свободного пробега почти всегда меньше пути, проходимого распыленными частицами. При этом характер их движения является диффузионным и часть распыленных атомов, сталкиваясь с молекулами газа, изменяют свое направление и возвращаются обратно на катод. Это явление получило название обратной диффузии. В результате обратной диффузии распыленных частиц на катод изменяется скорость распыления, или, точнее, скорость конденсации уменьшается с увеличением давления и расстояния катод-подложка.

В общем случае зависимость скорости распыления от давления и параметров может быть описана эмпирической формулой вида:

 

                                                Q = A∙((U∙i)/(d∙P))B                                             (3)

 

где U - величина катодного падения потенциала;

i - ток разряда;

d - среднее расстояние между  катодом и подложкой;

Р - давление газа;

А и В - эмпирические константы, зависящие от рода газа и материала

катода.

 

3. Конденсация атомов на поверхности при катодном распылении.

 

Процесс конденсации при катодном распылении существенно отличается от конденсации при термическом испарении. Так, при катодном распылении отсутствует критическая температура конденсации, и конденсация металлической пленки осуществляется практически при любых плотностях пучка. Методом катодного распыления без охлаждения подложки удается осадить такие металлы, которые при вакуумном испарении конденсируются только при дополнительном охлаждении. Энергия связи с подложкой при катодном распылении оказывается выше, чем при термическом испарении. С другой стороны, недостатком при получении пленок катодным распылением является присутствие рабочего газа. Молекулы газа, активированные разрядом, адсорбируются в напыленном слое, и пленка обычно содержит большое количество газа.

И все-таки метод катодного распыления позволяет избежать многих трудностей, возникающих при термическом испарении, и получать пленки металлов с низкими температурами конденсации, пленки тугоплавких металлов и соединений с контролируемыми свойствами.9

 

 

 

4. Характеристики тонких пленок, полученных методом катодного распыления.

 

Преимуществом метода катодного распыления является хорошая адгезия пленок (при термическом напылении), т.к. энергия атомов больше и они удаляют с подложки примеси, а окисный слой на подложке образуется легче. При этом обеспечивается высокая равномерность осаждения покрытий. Так же данный метод позволяет получать пленки тугоплавких металлов и их окислов. А сравнительно большие площади поверхности получаемых пленок позволяют использовать данный метод в производственных масштабах.

К недостаткам метода можно отнести недостаточно высокое качество пленок из-за содержания в них остаточных газов и низкая адгезия покрытий, как следствие низкой энергии частиц, степени ионизации.

 

5. Применение тонких пленок, полученных методом катодного распыления

 

Метод катодного распыления находит широкое применение в технике. Его используют при нанесении специальных покрытий для оптических и электрооптических приборов. В микроэлектронной промышленности метод нашел широкое применение в производстве тонкопленочных резисторов и конденсаторов. Для контактов и электродов применяют пленки золота, серебра, платины; пленки тантала отличаются высокой стабильностью электросопротивления; нитрид тантала и некоторые пленки сплавов используют для конденсаторов. Катодное распыление также применяют для осаждения сухих смазочных материалов и получения твердых износостойких покрытий.10

Пленки SiO2, полученные методом радиочастотного распыления, имеют лучшую стабильность и адгезию, чем полученные любым другим методом. Например, освоен метод нанесения хромовых и платино-хромовых покрытий на лезвия бритв из нержавеющей стали для увеличения срока их службы. В полностью автоматизированной установке одновременно покрывается 70 000 лезвий. Особенно перспективен этот метод для нанесения покрытий из тугоплавких материалов, которые трудно нанести термическим испарением в вакууме.11

Так как скорость осаждения покрытий катодным распылением является низкой, она используется, в основном, для получения тонких защитных и антифрикционных покрытий на прецизионных деталях машин и приборов (опоры газовых подшипников, приборные подшипники скольжения и качения). В качестве материала покрытия используют дисульфид молибдена, золото, серебро, свинец, индий.

 

 

6. Достоинства и недостатки метода

 

Таким образом, катодное распыление характеризуется следующими преимуществами:

 

• процесс распыления газовой фазы безынерционен, при прекращении подачи потенциала на катод генерация газовой фазы также практически мгновенно прекращается;
• небольшой расход материала, т.к. распыляемый материал катода осаждается только на подложке, а не во всем объеме камеры;
• обеспечивается достаточно высокая адгезия пленки к подложке, благодаря большой энергии конденсирующихся атомов;
• низкое тепловое воздействие на изделие (нагревается только поверхность катода);
• возможность распыления тугоплавких металлов;
• получение покрытий различного химического состава: окисных, нитридных и других пленок, в том числе легированных, в результате химических реакций атомов распыляемого металла с вводимыми в камеру газами;
• возможность получения органических пленок;
• большая площадь распыляемой пластины материала – мишени, выполняющей функции источника атомов осаждаемого вещества, что позволяет получить равномерные по толщине пленки на подложках больших размеров, что, в свою очередь, обеспечивает эффективную реализацию группового метода обработки;
• стехиометрический состав покрытий при их получении распылением мишени из сплава;
• мишень представляет собой длительно не заменяемый источник материала (при толщине пластины порядка 3 мм смена производиться один раз в месяц при двухсменной работе), что облегчает автоматизацию, повышает однородность процесса

 

Основные недостатки катодного распыления:

 

• невозможность прямого нанесения диэлектрических пленок, т.к. распыляемый катод должен быть проводящим;
• наличие загрязнений из-за невысокого вакуума и контакта рабочей среды с подложкой;
• эрозия и разрушение катода вследствие его распыления;
• низкие скорости роста покрытия (до 1нм/с);
• наличие в покрытии высокой плотности радиационных дефектов, причиной появления которых является воздействие на поверхность высокоэнергетичных электронов, отрицательных ионов.

 

Невозможность прямого нанесения диэлектрических пленок устраняется при использовании реактивного ионного распыления, суть которого состоит в добавлении к инертному рабочему газу небольшого количества активного газа, образующего химические соединения с атомами распыленного материала катода.

С целью снижения степени загрязнения покрытий, повышения их адгезии рекомендуется поддерживать температуру подложки в процессе осаждения достаточно высокой (400…500 °С). В ряде случаев для получения качественных покрытий используют бомбардировку растущей пленки ионами инертного газа, что достигается путем подачи на подложку отрицательного потенциала либо применением дополнительного ионного источника.

Для повышения скорости распыления следует выбирать давление газа по возможности высоким; при этом коэффициент распыления (Кр) должен быть близок к максимальному.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод

 

В результате исследования метода катодного распыления были установлены основные закономерности формирования тонких слоев. Изучили ряд факторов, влияющих на проведение процесса получения ультратонких пленок.

При выявлении основных достоинств и недостатков метода были предложены конкретные варианты решения проблем, направленные на улучшение производительности и качества нанесения тонких пленок.

Тонкие пленки, получаемые методом катодного распыления, широко используются в технике в качестве износо-, коррозионностойких, антифрикционных, защитно-декоративных и др. покрытий.

По сравнению с другими методами нанесения тонких пленок, процесс ионного распыления позволяет получать тонкие слои на основе тугоплавких металлов, наносить диэлектрические пленки, соединения, сплавы,  точно выдерживая их состав, обеспечивая равномерность и точное воспроизведение толщины пленок на подложках большей площади, а также малую инерционность процесса. Такой ряд преимуществ данного метода, делает его одним из наиболее перспективных способов получения слоев полупроводников и диэлектриков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

1. Ежовский Ю.К. Техенология функциональных пленочных нономатериалов и наноструктур: учебное пособие. Ю.К. Ежовский; СПбГТИ(ТУ). – СПб., 2013, 92 с.
2. В.И. Поляков, Э.В. Стародубцев Проектирование гибридных тонкопленочных интегральных микросхем. Учебное пособие по дисциплине «Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ» - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2013, - 80 с.
3. Моргулис Н. Д., Катодное распыление, «Успехи физических наук», т. 28, в. 2—3, 1946, 203-204 с.
4. Каминский, М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла. пер. с англ. / М. Каминский. - М. : Мир, 1967. - 506 с.
5. Плешивцев Н.Б. Катодное распыление. М., 1968. - 347 с.
6. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. Учебник для вузов. – М.: «Металлургия», 1992 - 431 с.
7. Валетов В.А. Основы производства радиоэлектронной аппаратуры: Учебное пособие. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. - 112 с.
8. А.А. Малыгин, А.П. Алехин Основные процессы планарной технологии (оборудование и методы расчета).//Учебное пособие.-СПб.:РТП СПбГТИ(ТУ).-1995.- 16 с.
9. Технология материалов и изделий электронной техники: Лабораторный практикум  / Д.Г. Кротова, В.Ю. Дубровин, В.А. Титов, Т.Г. Шикова; ГОУ ВПО Иван. Гос. хим. - технол. ун-т. – Иваново, 2007. 156 с.
10. Коррозия. Справ, изд. Под. ред. Л. Л. Шрайнера. Пер. с англ.— М.: Металлургия, 1981, 632 с.
11. Нанесение защитный покрытий в вакууме / И. Л. Ройх, Л. Н. Колтунова, С. Н. Фодосов. — М. : Машиностроение, 1976. — 367 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Ежовский Ю.К. Техенология функциональных пленочных нономатериалов и наноструктур: учебное пособие. Ю.К. Ежовский; СПбГТИ(ТУ). – СПб., 2013. 92 с.

2 В.И. Поляков, Э.В. Стародубцев Проектирование гибридных тонкопленочных интегральных микросхем. Учебное пособие по дисциплине «Конструкторско-технологическое обеспечение производства ЭВМ» - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2013, - 80 с.

3 Моргулис Н. Д., Катодное распыление, «Успехи физических наук», т. 28, в. 2—3, 1946, 203-204 с.

 

4 Каминский, М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла. пер. с англ. / М. Каминский. - М.: Мир, 1967. - 506 с.

 

5 Плешивцев Н.Б. Катодное распыление. М., 1968. 347 с.

6 Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. Учебник для вузов. – М.: «Металлургия», 1992 - 431 с.

7 Валетов В.А. Основы производства радиоэлектронной аппаратуры: Учебное пособие. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007. - 112 с.