Магнетронное распыление. Магнетронное распыление тонких пленок


Лабораторная работа № 5 Получение пленок методом магнетронного распыления

Несмотря на свои широкие возможности метод получения тонких пленок путем термического испарения в вакууме имеет и существенные недостатки: неоднородность по толщине пленок, нанесенных на большие площади, высокая инерционность процессов термоиспарения, трудности с получением пленок ряда сплавов, соединений, тугоплавких металлов и, наконец, недостаточная прочность сцепления пленки с подложкой.

Эти недостатки метода существенно повысили интерес к получению тонких пленок ионной бомбардировкой и стимулировали разработку широкого класса установок этого типа. Ионно-плазменные методы позволяют получать пленки различных металлов, в том числе и тугоплавких, многокомпозиционных сплавов, диэлектриков, полупроводников, т.е. практически всех материалов, используемых в микроэлектронике. Методы эти безинерционны, адгезия пленочных покрытий значительно выше, чем при термическом испарении в вакууме. В работе [2] рассмотрены и другие достоинства ионно-плазменных методов.

Простейшей распылительной установкой является обычная диодная система с тлеющим разрядом. Но из-за высоких давлений проведения процесса, определяемого областью существования тлеющего разряда, практического значения подобные установки не нашли: неконтролируемый состав получаемых пленок, малые скорости их образования, трудности в регулировании самого процесса. Действительно, в тлеющем разряде постоянного тока движение распыляемых частиц имеет диффузионный характер, велико явление обратной диффузии; ионы, бомбардирующие катод, имеют большой разброс по энергиям и неопределенный угол падения. Нельзя независимо изменять плотность ионного тока и величину давления газа в системе. Чтобы поддерживать разряд (проводить процесс) при меньших давлениях газа необходимо повысить эффективность его ионизации имеющимся числом электронов. Этого можно достичь, если тлеющий разряд зажигать в скрещенном магнитном и электрическом полях. Магнитное поле, воздействуя на тлеющий разряд, изменяет главным образом характер движения электронов. Под действием магнитного поля электроны совершают сложные циклоидальные движения по замкнутым траекториям вокруг силовых линий поля. Вблизи поверхности мишени с увеличением напряженности магнитного поля радиус спирали уменьшается. Следовательно, возрастает эффективная длина пути, проходимого электронами. В результате многократных столкновений электронов с атомами рабочего газа (обычно аргона) резко увеличивается степень ионизации газа, и возрастает плотность ионного тока (примерно в 100 раз по сравнению с диодными распылительными системами без магнитного поля), что приводит к существенному (в 50-100 раз) увеличению скорости распыления материала мишени.

Поскольку магнитное поле увеличивает траекторию движения электронов, то, как уже говорилось, возрастает число их столкновений с атомами газа, и можно считать, что наложение магнитного поля эквивалентно увеличению давления газа. В первом приближении эквивалентное давление можно представить следующим образом:

рэ ро·ωе·τе, где

ро– рабочее давление в отсутствие магнитного поля;

ωе– циклотронная частота электрона;

τе– время между столкновениями электрона с атомами рабочего газа.

Как показывают расчеты ωе·τев типичных магнетронных распылительных системах (МРС)300.

Эффективность процесса плазмообразования в МРС в 5-6 раз выше, чем в диодных без магнитного поля. Энергетическая эффективность процесса распыления, определяемая зависимостью коэффициента распыления от энергии ионов, имеет максимальное значение в диапазоне 300-500 эВ. Давление рабочего газа лежит при этом в пределах от 0,3 до 1,5 Па, разрядный ток составляет 0,25-100 А.

Основными достоинствами МРС является их универсальность (можно получать пленки любых материалов), высокая скорость распыления и возможность ее регулирования в широких пределах. Получаемые пленки имеют высокую чистоту, низкую пористость и высокую адгезию к подложке. Однако в МРС невысокий коэффициент использования материала мишени (25% для плоской мишени), и для его увеличения необходимо усложнять либо форму мишени, либо конструкцию магнитной системы. На поверхности мишени (или между мишенью и анодом) возможно возникновение сильноточных дуг вследствие структурных неоднородностей. А также наличия на поверхности мишени загрязнений или окисных пленок.

Существует большое число разнообразных конструкций магнетронных устройств, отличающихся способом создания магнитного поля (в некоторых случаях его конфигурацией), конструкцией катодного узла и геометрией мишени.

Разработаны три базовые конструкции магнетронных устройств: цилиндрическая, планарная и с кольцевым конусообразным катодом. Все они представляют собой двухэлектродную распылительную систему, т.е. содержат анод и катод-мишень, изготовленный из распыляемого материала и находящийся под отрицательным потенциалом. Для формирования области плазмы используется магнитное поле, силовые линии которого имеют значительную кривизну, проходят через поверхность катода-мишени и должны быть перпендикулярны силовым линиям электрического поля. Зона разряда (плотной плазмы тлеющего разряда низкого давления) представляет собой замкнутую конфигурацию и локализована над определенным участком поверхности катода-мишени в зоне магнитного поля, с которого и происходит интенсивное распыление.

Для нанесения тонких пленок обычно использую плоские (планарные) магнетроны (источники магнетронного распыления), состоящие из следующих основных частей: катодный узел, магнитный блок и анод.

Катодный узел является важнейшим элементом МРС. Он состоит из мишени, выполненной из распыляемого материала и ее водоохлаждаемого держателя. Существует много конструкционных вариантов катодных узлов с прямым или косвенным охлаждением проточной водой. Прямой контакт проточной воды с тыльной стороной мишени обеспечивает максимальную эффективность процесса охлаждения, но применение этого способа ограничено из-за опасности прорыва воды при образовании трещины в мишени или при чрезмерном увеличении зоны эрозии.

Магнитная система состоит из магнита, создающего поле с требуемой индукцией, и полюсных наконечников, непосредственно примыкающих к мишени и обеспечивающих формирование магнитного поля требуемой конфигурации. В качестве источников магнитного поля чаще всего применяются постоянные магниты на основе бариево-стронциевых ферритов, сплавов кобальта с редкоземельными элементами. У этих материалов высокая коэрцитивная сила и остаточная индукция; они могут длительно сохранять эти параметры в нормальных условиях распыления. Ферритовые магниты не подвержены коррозии, что позволяет располагать их внутри водоохлаждаемого катодного узла. Кроме постоянных магнитов применяют и электромагниты, но значительно реже. Необходимость дополнительного сильноточного источника для питания обмоток электромагнита, высокие требования к надежности электрической изоляции, усложняющие конструкцию катодного узла, и некоторые другие факторы приводят к тому, что в промышленных установках для осаждения пленок с помощью МРС предпочитают использовать постоянные магниты.

В нашей лаборатории получение пленок методом магнетронного распыления производится на установке, схема которой представлена на рис. 14.

Принципиальная схема и описание установки

Магнетронная распылительная система (рис.14) смонтирована на металлическом фланце (7), соединенном с вакуумной системой трубопроводом. Распыляемая мишень (катод) (6) толщиной 10 мм и диаметром рабочей части 50 мм изготовлена из меди вакуумной плавки и закрепляется на корпусе магнетрона (9) через резиновое уплотнение прижимным фланцем. Постоянное магнитное поле создается магнитным блоком, состоящим из центрального (8) и периферийных (5) постоянных магнитов, закрепленных на основании блока (10), изготовленного из магнитомягкого материала.

Рис. 14. Магнетронная распылительная система

1 - стеклянный колпак; 2 - подложкодержатель; 3 - дополнительный электрод; 4 - анод; 5 -периферийные магниты; 6 - катод; 7 - фланец; 8 - центральный магнит: 9 - корпус магнетрона; 10 - основание магнитного блока

Магнитный блок создает над поверхностью катода магнитное поле (порядка 0,02-0,05 Тл). Составляющая этого поля параллельна плоскости катода. Мишень магнетрона имеет принудительное охлаждение проточной водой. Анод (4) изготовлен из латунной трубки и также охлаждается проточной водой. Расстояние от катода до анода составляет 25 мм.

Анод и корпус магнетрона закреплены на фланце с помощью изолирующих стоек (на рисунке не показаны). Питание разрядной цепи магнетрона производится от источника постоянного тока с напряжением до 2000 В и максимальным током до 1 А (схема разрядной цепи магнетрона приведена на рис.15).

Рис. 15. Электрическая схема магнетрона

Подложкодержатель (2) расположен от мишени на расстоянии, которое можно изменять в пределах от 35 мм до 90 мм. Стеклянная подложка закрепляется на подложкодержателе с помощью зажимов так, чтобы обеспечивался хороший тепловой контакт подложки с подложкодержателем. Подложкодержатель имеет нулевой потенциал, то есть заземлен. Между подложкодержателем и мишенью магнетрона расположен дополнительный горообразный электрод (3) диаметром 140 мм, изготовленный из меди. Медные трубки охлаждения анода и мишени магнетрона, являющиеся одновременно электрическими выводами этих электродов, изолированы от фланца керамическими изоляторами и герметизированы клеем К-400. Вывод дополнительного электрода также изолирован и герметизирован. Напуск атмосферного воздуха и рабочих газов осуществлялся через трубку, выходной конец которой расположен во фланце магнетронного узла. Давление рабочего газа устанавливается с помощью натекателя.

Вакуумная схема экспериментальной установки (рис.16) состоит из рабочей камеры, системы откачки, системы напуска рабочих газов и средств измерения давления.

Откачка системы осуществляется форвакуумным насосом типа 2НВР-5ДМ (9) и диффузионным насосом типа Н-5С-М (5) до давления мм.рт.ст. Напуск плазмообразующего газа производится с помощью натекателя (2). Давление остаточных и рабочих газов измеряется вакууметром ВИТ-3 с термопарным датчиком типа ПМТ-2.

Рис. 16. Вакуумная схема экспериментальной установки.

1 - объем с рабочим газом; 2 - натекатель; 3 - рабочая камера; 4 - кран "Диффузионный насос"; 5 - диффузионный насос; 6 - кран "Форвакуумный насос"; 7 - кран "Байпас"; 8 -клапан напуска воздуха; 9 - форвакуумный насос; 10 - напуск воздуха в рабочую камеру.

Порядок работы

1. Подготовить стеклянную подложку для нанесения тонкой пленки. Для этого очистить подложку от органической и неорганической примеси содой, затем протравить в хромовой смеси. С помощью краевого угла смачивания определить чистоту подложки.

2. Установить подложку на подложкодержателе.

3. Закрыть колпак.

4. Включить электропитание установки.

5. Включить водяное охлаждение диффузионного насоса.

6. Вакуумные краны привести в следующее положение: "Натекатель" - закрыт, "Байпас" - открыт, краны "Форвакуумный насос" и "Диффузионный насос" - закрыты.

7. Тумблером "Форвакуумный насос" включить форвакуумный насос. При этом загорается индикатор "Форвакуумный насос включен".

8. При достижении давления в системе мм.рт.ст. или 12 делений по шкале вакууметра ВИТ -3 тумблером "Диффузионный насос" включить диффузионный насос. При этом загорается индикатор "Диффузионный насос включен".

9. Вакуумные краны привести в следующее положение: "Натекатель", "Байпас" - закрыты, краны "Форвакуумный насос" и "Диффузионный насос" - открыты.

10. Откачать систему до предельного вакуума (примерно мм.рт.ст.). Строго следить за напором воды.

11. С помощью натекателя установить требуемое давление рабочего газа (примерно 5·10-3мм.рт.ст.).

12. Включить тумблер "Высокое напряжение". При этом загорается индикатор "Высокое напряжение включено".

13. Поворачивая ручку ЛАТРа установить требуемое напряжение зажигания, т.е. зажечь разряд. С этого момента начинается процесс распыления мишени и осаждение пленки на подложке.

14. После получения пленки нужной толщины напряжение на мишени ручкой ЛАТРа уменьшить до нуля. Выключить тумблер "Высокое напряжение".

15. "Промыть" вакуумную камеру рабочим газом до остывания подложки, то есть после выключения разряда в течение 5 мин не закрывать натекатель.

16. Закрыть натекатель и кран "Диффузионный насос".

17. Переключить трехходовой кран на емкости с рабочим газом на подачу воздуха.

18. Открыть натекатель, напустить воздух под колпак.

19. Поднять колпак и извлечь подложку.

20. Закрыть колпак.

21. Выключить тумблер "Диффузионный насос".

22. Через 25-30 мин закрыть краны - "Диффузионный насос" и "Форвакуумный насос", выключить форвакуумный насос тумблером "Форвакуумный насос".

23. Закрыть воду.

24. Отключить установку от электросети.

При проведении серии экспериментов смена подложки происходит без выключения насосов. Для этого после пункта 18 выполняется следующая последовательность действий:

19. Поднять колпак, снять подложку с пленкой и установить чистую подложку.

20. Закрыть колпак.

21. Привести краны в следующее положение: "Натекатель", "Диффузионный насос", "Форвакуумный насос" - закрыты; "Байпас" - открыт. Трехходовой кран на емкости с рабочим газом переключить на подачу рабочего газа.

22. При достижении давления в системе 10-1мм.рт.ст перейти к п.9. и далее по порядку.

При выполнении данной работы по заданию преподавателя можно выполнить следующее:

1. Определить толщину полученной пленки по методикам, изложенным ниже.

2. Определить скорость напыления пленок.

3. Определить зависимость скорости распыления и толщины пленки от параметров разряда.

4. Определить адгезию пленок к подложке либо методом термоудара, либо воздействием ультразвуковых колебаний. Полученные результаты можно сравнить с результатами аналогичных измерений на пленках, полученных методом термического испарения в вакууме.

studfiles.net

Магнетронное распыление — WiKi

Магнетронная распылительная система (магнетрон)

Магнетронное распыление — технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещенных полях. Технологические устройства, предназначенные для реализации этой технологии, называются магнетронными распылительными системами или, сокращённо, магнетронами (не путать с вакуумными магнетронами — устройствами, предназначенными для генерации СВЧ колебаний).

Магнетронный разряд

Магнетронным разрядом называют диодный газовый разряд в скрещенных полях (существует область пространства в разрядном объёме, где электрическое и магнитное поля ортогональны друг другу B⊥E{\displaystyle \mathbf {B} \perp \mathbf {E} } ; силовые линии магнитного поля направлены поперёк линий тока).

История открытия

В 1898 году британский исследователь Филлипс описал появление кольцеобразного электрического разряда, возникающего вокруг зазора между стержневыми электродами в стеклянной колбе при пониженном давлении при включении осевого магнитного поля. В 1913 году проф. Струтт интерпретировал филлипсовский разряд как электрический разряд в скрещенных полях — аксиальном магнитном поле и радиальном электрическом. Он предположил, что радиальное электрическое поле создаётся положительным зарядом, накопленным за время предыдущего разряда на стенке колбы напротив зазора между электродами, а ионизация газа вызвана отрицательными частицами за время их удлинённого пробега поперёк магнитного поля от оси к стенке колбы. Струтт установил кольцевой анод вокруг торцов стержневых электродов и получил устойчивый кольцевой разряд. Наибольший вклад в изучение магнетронного разряда был внесён голландским физиком Ф. М. Пеннингом. Наряду с другими применениями магнетронного разряда (в качестве ионного источника, датчика измерения вакуума, ионного насоса), им было предложено применение магнетронного разряда для распыления и нанесения покрытий[1].

Физические основы

С точки зрения механизма эмиссии электронов, магнетронный разряд постоянного тока представляет собой аномальный тлеющий разряд. Электроны покидают поверхность катода за счёт ионно-электронной эмиссии под действием ионной бомбардировки. В связи с тем, что коэффициент ионно-электронной эмиссии весьма мал, ионный ток на катод превышает электронный как минимум на порядок. Баланс заряженных частиц в плазме обеспечивается ионизацией нейтральных атомов газа электронами, ускоренными электрическим полем в тёмном катодном пространстве.

  Принцип работы магнетрона

В отличие от тлеющего разряда, где электрон, не испытывающий столкновений, будет свободно ускоряться электрическим полем, пока не покинет область катодного падения потенциала (тёмное катодное пространство), наличие поперечного магнитного поля заставляет электрон искривлять свою траекторию под действием силы Лоренца. При достаточной величине магнитного поля электрон вернётся на катод с почти нулевой энергией и вновь начнёт ускоренное движение под действием электрического поля. Траекторией его движения будет циклоида, электрон дрейфует вдоль поверхности катода в направлении, перпендикулярном как электрическому, так и магнитному полю. Электрон находится в «ловушке», покинуть которую он может, только совершив столкновение с другой частицей. Тогда он перейдёт на новую траекторию, расположенную чуть дальше от катода и так до тех пор, пока не ослабнут поля, магнитное — за счёт удаления от полюсов магнитной системы, электрическое — за счёт плазменной экранировки. За счёт наличия ловушки многократно возрастает эффективность ионизации эмитированными электронами, что позволяет, в отличие от обычного диодного разряда, получать высокую плотность ионного тока, а значит, и высокие скорости распыления при относительно низких давлениях порядка 0,1 Па и ниже. Для того, чтобы ловушка работала эффективно, необходимо исключить утечку электронов на анод вдоль силовых линий магнитного поля, а траектории дрейфа должны быть замкнуты.

Основы технологии

Технологическое значение магнетронного распыления заключается в том, что бомбардирующие поверхность катода (мишени) ионы распыляют её. На этом эффекте основаны технологии магнетронного травления, а благодаря тому, что распылённое вещество мишени, осаждаясь на подложку, может формировать плотную плёнку наиболее широкое применение получило магнетронное напыление.

Распыление мишени

При столкновении ионов с поверхностью мишени происходит передача момента импульса материалу[2][3]. Падающий ион вызывает каскад столкновений в материале. После многократных столкновений импульс доходит до атома, расположенного на поверхности материала, и который отрывается от мишени и высаживается на поверхности подложки. Среднее число выбитых атомов на один падающий ион аргона называют эффективностью процесса, которая зависит от угла падения, энергии и массы иона, массы испаряемого материала и энергии связи атома в материале. В случае испарения кристаллического материала эффективность также зависит от расположения кристаллической решетки.

  Физические процессы, происходящие в материале при его бомбардировке

Покидающие поверхность мишени частицы осаждаются в виде плёнки на подложке, а также частично рассеиваются на молекулах остаточных газов или осаждаются на стенках рабочей вакуумной камеры.

Напыление металлов и сплавов

Напыление металлов и сплавов производят в среде инертного газа, как правило, аргона. В отличие от технологии термического испарения, при магнетронном распылении не происходит фракционирования мишеней сложного состава (сплавов).

Реактивное напыление

Для напыления сложных соединений, например оксидов и нитридов, применяется так называемое реактивное магнетронное напыление. К плазмообразующему газу (аргону) добавляют реактивный газ (например, кислород или азот). В плазме магнетронного разряда реактивный газ диссоциирует, высвобождая активные свободные радикалы, которые взаимодействуют с осаждёнными на подложку распылёнными атомами, формируя химическое соединение.

Магратрон

В советской литературе некоторое время встречался также термин «Магратрон». Слог «Маг» сокращённо означало магнетронное, «ра» — распылительное, «трон» — электроразрядное устройство. В связи с его непереводимостью на иностранные языки, термин не прижился, вместо него стали использовать слово «магнетрон».

См. также

Примечания

Литература

  • Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. — М.: Радио и связь, 1982. — 72 с.
  • Кузьмичёв А. И. Магнетронные распылительные системы. — Киев: «Аверс», 2008.
  • Sigmund P. Mechanisms and theory of physical sputtering by particle impact // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B Beam Interactions with Materials and Atoms. — 1987. — Vol. 27. — P. 1—20. — DOI:10.1016/0168-583X(87)90004-8.
  • Behrisch R. Sputtering by Particle bombardment: Experiments and Computer Calculations from Threshold to Mev Energies / под ред. Eckstein W.. — Берлин: Springer, 2007.
  • Ивановский Г. Ф., Петров В. И. Ионно-плазменная обработка материалов. — М.: Радио и связь, 1986.
  • Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 328 с.

ru-wiki.org

Презентация на тему: ПРИЛОЖЕНИЯ

Магнетронное распыление — технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещенных полях.

Технологические устройства, предназначенные для реализации этой технологии называют магнетронными распылительными системами или, сокращённо, магнетронами

(не путать с вакуумными магнетронами—

устройствами, предназначенными для генерации СВЧ колебаний).

Магнетронным разрядом называют диодный газовый разряд в скрещенных полях (существует область пространства в разрядном объёме, где электрическое и магнитное поля ортогональны друг другу

B ┴ E

; силовые линии магнитного поля направлены поперёк линий тока).

Ионно-лучевоераспыление

Вданном методе для распыления используется пучок частиц высокой энергии. Для создания таких потоков частиц с контролируемой энергией разработаны системы ионных пушек (рис.1).

Рис. 1. Ионно-лучевоераспыление:

1 – напуск рабочего газа;

2 – термоэлектронный катод;

3 – анод;

4 – магнитная система;

5 – ускоряющий электрод;

6 – пучок ионов;

7 – распыляемый материал;

8 – подложкодержатель;

9 – присоединение к вакуумной системе; а – ионная пушка; б – схема напыления.

Низковольтный разряд (40-80В) возбуждается в среде аргона.

Наличие термоэлектронного катода обеспечивает стабильность разряда в широком интервале давлений от 100 до 10-1Па.

Магнитное поле, создаваемое в области цилиндрического анода, изменяет траекторию электронов, увеличивая вероятность столкновения с молекулами газа.

Система фокусировки и ускорения позволяет получать практически моноэнергетические пучки ионов с энергией от 100 до 3000 эВ и плотностью тока от 0,1 до 20 мА/см2.

Есть сведенья о получении пучков аргона с плотностью тока до 26 мА/см2 при ускоряющем напряжении 1000 В.

Получение пучков низкоэнергетических ионов с высокой плотностью тока ограничено.

Для нейтрализации потока ионов, с целью распыления диэлектрических материалов, в пушку устанавливают источник низкоэнергетических электронов.

Реактивное распыление

При реактивном распылении в газоразрядную камеру наряду с рабочим газом (обычно аргоном) добавляется небольшое количество реакционного активного газа (кислорода, азота и др.), в результате чего на подложке образуется пленка из химического соединения, образованного атомами мишени и активного газа.

Если, например, мишень изготовлена из алюминия, а в качестве активного газа используется кислород, то на подложке получается пленка из оксида алюминия, если же в камеру добавляется азот, то получится пленка из нитрида алюминия.

Кроме оксидных и нитридных пленок, данным способом можно получать карбидные и сульфидные пленки, добавляя в камеру соответственно метан СН4 или пары серы.

Для получения химического соединения необходимо строго определенное парциальное давление активного газа, зависящее от материала мишени.

Поэтому чаще получаются не химические соединения, а твердые растворы.

На основе одной мишени из какого-либометалла и различных активных газов можно получать широкую гамму свойств осаждаемых пленок – от проводящих и низкоомных резистивных до высокоомных резистивных и диэлектрических.

Использовать реактивное распыление взамен непосредственного распыления мишени из химического соединения целесообразно тогда, когда коэффициент распыления данного химического соединения (оксида, нитрида и так далее) низкий, либо тогда, когда технологически трудно изготовить массивную мишень из этого соединения.

Кроме того, реактивное распыление создает условия для гибкого управления свойствами пленок при создании многослойных структур (например, пленочных конденсаторов).

studfiles.net

Магнетронное распыление — Википедия

Магнетронная распылительная система (магнетрон)

Магнетронное распыление — технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещенных полях. Технологические устройства, предназначенные для реализации этой технологии, называются магнетронными распылительными системами или, сокращённо, магнетронами (не путать с вакуумными магнетронами — устройствами, предназначенными для генерации СВЧ колебаний).

Магнетронным разрядом называют диодный газовый разряд в скрещенных полях (существует область пространства в разрядном объёме, где электрическое и магнитное поля ортогональны друг другу B⊥E{\displaystyle \mathbf {B} \perp \mathbf {E} }; силовые линии магнитного поля направлены поперёк линий тока).

История открытия[править | править код]

В 1898 году британский исследователь Филлипс описал появление кольцеобразного электрического разряда, возникающего вокруг зазора между стержневыми электродами в стеклянной колбе при пониженном давлении при включении осевого магнитного поля. В 1913 году проф. Струтт интерпретировал филлипсовский разряд как электрический разряд в скрещенных полях — аксиальном магнитном поле и радиальном электрическом. Он предположил, что радиальное электрическое поле создаётся положительным зарядом, накопленным за время предыдущего разряда на стенке колбы напротив зазора между электродами, а ионизация газа вызвана отрицательными частицами за время их удлинённого пробега поперёк магнитного поля от оси к стенке колбы. Струтт установил кольцевой анод вокруг торцов стержневых электродов и получил устойчивый кольцевой разряд. Наибольший вклад в изучение магнетронного разряда был внесён голландским физиком Ф. М. Пеннингом. Наряду с другими применениями магнетронного разряда (в качестве ионного источника, датчика измерения вакуума, ионного насоса), им было предложено применение магнетронного разряда для распыления и нанесения покрытий[1].

Физические основы[править | править код]

С точки зрения механизма эмиссии электронов, магнетронный разряд постоянного тока представляет собой аномальный тлеющий разряд. Электроны покидают поверхность катода за счёт ионно-электронной эмиссии под действием ионной бомбардировки. В связи с тем, что коэффициент ионно-электронной эмиссии весьма мал, ионный ток на катод превышает электронный как минимум на порядок. Баланс заряженных частиц в плазме обеспечивается ионизацией нейтральных атомов газа электронами, ускоренными электрическим полем в тёмном катодном пространстве.

Принцип работы магнетрона

В отличие от тлеющего разряда, где электрон, не испытывающий столкновений, будет свободно ускоряться электрическим полем, пока не покинет область катодного падения потенциала (тёмное катодное пространство), наличие поперечного магнитного поля заставляет электрон искривлять свою траекторию под действием силы Лоренца. При достаточной величине магнитного поля электрон вернётся на катод с почти нулевой энергией и вновь начнёт ускоренное движение под действием электрического поля. Траекторией его движения будет циклоида, электрон дрейфует вдоль поверхности катода в направлении, перпендикулярном как электрическому, так и магнитному полю. Электрон находится в «ловушке», покинуть которую он может, только совершив столкновение с другой частицей. Тогда он перейдёт на новую траекторию, расположенную чуть дальше от катода и так до тех пор, пока не ослабнут поля, магнитное — за счёт удаления от полюсов магнитной системы, электрическое — за счёт плазменной экранировки. За счёт наличия ловушки многократно возрастает эффективность ионизации эмитированными электронами, что позволяет, в отличие от обычного диодного разряда, получать высокую плотность ионного тока, а значит, и высокие скорости распыления при относительно низких давлениях порядка 0,1 Па и ниже. Для того, чтобы ловушка работала эффективно, необходимо исключить утечку электронов на анод вдоль силовых линий магнитного поля, а траектории дрейфа должны быть замкнуты.

Технологическое значение магнетронного распыления заключается в том, что бомбардирующие поверхность катода (мишени) ионы распыляют её. На этом эффекте основаны технологии магнетронного травления, а благодаря тому, что распылённое вещество мишени, осаждаясь на подложку, может формировать плотную плёнку наиболее широкое применение получило магнетронное напыление.

Распыление мишени[править | править код]

При столкновении ионов с поверхностью мишени происходит передача момента импульса материалу[2][3]. Падающий ион вызывает каскад столкновений в материале. После многократных столкновений импульс доходит до атома, расположенного на поверхности материала, и который отрывается от мишени и высаживается на поверхности подложки. Среднее число выбитых атомов на один падающий ион аргона называют эффективностью процесса, которая зависит от угла падения, энергии и массы иона, массы испаряемого материала и энергии связи атома в материале. В случае испарения кристаллического материала эффективность также зависит от расположения кристаллической решетки.

Физические процессы, происходящие в материале при его бомбардировке

Покидающие поверхность мишени частицы осаждаются в виде плёнки на подложке, а также частично рассеиваются на молекулах остаточных газов или осаждаются на стенках рабочей вакуумной камеры.

Напыление металлов и сплавов[править | править код]

Напыление металлов и сплавов производят в среде инертного газа, как правило, аргона. В отличие от технологии термического испарения, при магнетронном распылении не происходит фракционирования мишеней сложного состава (сплавов).

Реактивное напыление[править | править код]

Для напыления сложных соединений, например оксидов и нитридов, применяется так называемое реактивное магнетронное напыление. К плазмообразующему газу (аргону) добавляют реактивный газ (например, кислород или азот). В плазме магнетронного разряда реактивный газ диссоциирует, высвобождая активные свободные радикалы, которые взаимодействуют с осаждёнными на подложку распылёнными атомами, формируя химическое соединение.

В советской литературе некоторое время встречался также термин «Магратрон». Слог «Маг» сокращённо означало магнетронное, «ра» — распылительное, «трон» — электроразрядное устройство. В связи с его непереводимостью на иностранные языки, термин не прижился, вместо него стали использовать слово «магнетрон».

  • Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. — М.: Радио и связь, 1982. — 72 с.
  • Кузьмичёв А. И. Магнетронные распылительные системы. — Киев: «Аверс», 2008.
  • Sigmund P. Mechanisms and theory of physical sputtering by particle impact // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B Beam Interactions with Materials and Atoms. — 1987. — Vol. 27. — P. 1—20. — DOI:10.1016/0168-583X(87)90004-8.
  • Behrisch R. Sputtering by Particle bombardment: Experiments and Computer Calculations from Threshold to Mev Energies / под ред. Eckstein W.. — Берлин: Springer, 2007.
  • Ивановский Г. Ф., Петров В. И. Ионно-плазменная обработка материалов. — М.: Радио и связь, 1986.
  • Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 328 с.

ru.wikiyy.com

Магнетронное распыление - Вики

Магнетронная распылительная система (магнетрон)

Магнетронное распыление — технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещенных полях. Технологические устройства, предназначенные для реализации этой технологии, называются магнетронными распылительными системами или, сокращённо, магнетронами (не путать с вакуумными магнетронами — устройствами, предназначенными для генерации СВЧ колебаний).

Магнетронным разрядом называют диодный газовый разряд в скрещенных полях (существует область пространства в разрядном объёме, где электрическое и магнитное поля ортогональны друг другу B⊥E{\displaystyle \mathbf {B} \perp \mathbf {E} }; силовые линии магнитного поля направлены поперёк линий тока).

История открытия

В 1898 году британский исследователь Филлипс описал появление кольцеобразного электрического разряда, возникающего вокруг зазора между стержневыми электродами в стеклянной колбе при пониженном давлении при включении осевого магнитного поля. В 1913 году проф. Струтт интерпретировал филлипсовский разряд как электрический разряд в скрещенных полях — аксиальном магнитном поле и радиальном электрическом. Он предположил, что радиальное электрическое поле создаётся положительным зарядом, накопленным за время предыдущего разряда на стенке колбы напротив зазора между электродами, а ионизация газа вызвана отрицательными частицами за время их удлинённого пробега поперёк магнитного поля от оси к стенке колбы. Струтт установил кольцевой анод вокруг торцов стержневых электродов и получил устойчивый кольцевой разряд. Наибольший вклад в изучение магнетронного разряда был внесён голландским физиком Ф. М. Пеннингом. Наряду с другими применениями магнетронного разряда (в качестве ионного источника, датчика измерения вакуума, ионного насоса), им было предложено применение магнетронного разряда для распыления и нанесения покрытий[1].

Физические основы

С точки зрения механизма эмиссии электронов, магнетронный разряд постоянного тока представляет собой аномальный тлеющий разряд. Электроны покидают поверхность катода за счёт ионно-электронной эмиссии под действием ионной бомбардировки. В связи с тем, что коэффициент ионно-электронной эмиссии весьма мал, ионный ток на катод превышает электронный как минимум на порядок. Баланс заряженных частиц в плазме обеспечивается ионизацией нейтральных атомов газа электронами, ускоренными электрическим полем в тёмном катодном пространстве.

Принцип работы магнетрона

В отличие от тлеющего разряда, где электрон, не испытывающий столкновений, будет свободно ускоряться электрическим полем, пока не покинет область катодного падения потенциала (тёмное катодное пространство), наличие поперечного магнитного поля заставляет электрон искривлять свою траекторию под действием силы Лоренца. При достаточной величине магнитного поля электрон вернётся на катод с почти нулевой энергией и вновь начнёт ускоренное движение под действием электрического поля. Траекторией его движения будет циклоида, электрон дрейфует вдоль поверхности катода в направлении, перпендикулярном как электрическому, так и магнитному полю. Электрон находится в «ловушке», покинуть которую он может, только совершив столкновение с другой частицей. Тогда он перейдёт на новую траекторию, расположенную чуть дальше от катода и так до тех пор, пока не ослабнут поля, магнитное — за счёт удаления от полюсов магнитной системы, электрическое — за счёт плазменной экранировки. За счёт наличия ловушки многократно возрастает эффективность ионизации эмитированными электронами, что позволяет, в отличие от обычного диодного разряда, получать высокую плотность ионного тока, а значит, и высокие скорости распыления при относительно низких давлениях порядка 0,1 Па и ниже. Для того, чтобы ловушка работала эффективно, необходимо исключить утечку электронов на анод вдоль силовых линий магнитного поля, а траектории дрейфа должны быть замкнуты.

Технологическое значение магнетронного распыления заключается в том, что бомбардирующие поверхность катода (мишени) ионы распыляют её. На этом эффекте основаны технологии магнетронного травления, а благодаря тому, что распылённое вещество мишени, осаждаясь на подложку, может формировать плотную плёнку наиболее широкое применение получило магнетронное напыление

ru.wikiredia.com

Магнетронное распыление - Howling Pixel

Магнетронное распыление — технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещенных полях. Технологические устройства, предназначенные для реализации этой технологии, называются магнетронными распылительными системами или, сокращённо, магнетронами (не путать с вакуумными магнетронами — устройствами, предназначенными для генерации СВЧ колебаний).

Магнетронный разряд

Магнетронным разрядом называют диодный газовый разряд в скрещенных полях (существует область пространства в разрядном объёме, где электрическое и магнитное поля ортогональны друг другу B⊥E{\displaystyle \mathbf {B} \perp \mathbf {E} }; силовые линии магнитного поля направлены поперёк линий тока).

История открытия

В 1898 году британский исследователь Филлипс описал появление кольцеобразного электрического разряда, возникающего вокруг зазора между стержневыми электродами в стеклянной колбе при пониженном давлении при включении осевого магнитного поля. В 1913 году проф. Струтт интерпретировал филлипсовский разряд как электрический разряд в скрещенных полях — аксиальном магнитном поле и радиальном электрическом. Он предположил, что радиальное электрическое поле создаётся положительным зарядом, накопленным за время предыдущего разряда на стенке колбы напротив зазора между электродами, а ионизация газа вызвана отрицательными частицами за время их удлинённого пробега поперёк магнитного поля от оси к стенке колбы. Струтт установил кольцевой анод вокруг торцов стержневых электродов и получил устойчивый кольцевой разряд. Наибольший вклад в изучение магнетронного разряда был внесён голландским физиком Ф. М. Пеннингом. Наряду с другими применениями магнетронного разряда (в качестве ионного источника, датчика измерения вакуума, ионного насоса), им было предложено применение магнетронного разряда для распыления и нанесения покрытий[1].

Физические основы

С точки зрения механизма эмиссии электронов, магнетронный разряд постоянного тока представляет собой аномальный тлеющий разряд. Электроны покидают поверхность катода за счёт ионно-электронной эмиссии под действием ионной бомбардировки. В связи с тем, что коэффициент ионно-электронной эмиссии весьма мал, ионный ток на катод превышает электронный как минимум на порядок. Баланс заряженных частиц в плазме обеспечивается ионизацией нейтральных атомов газа электронами, ускоренными электрическим полем в тёмном катодном пространстве.

В отличие от тлеющего разряда, где электрон, не испытывающий столкновений, будет свободно ускоряться электрическим полем, пока не покинет область катодного падения потенциала (тёмное катодное пространство), наличие поперечного магнитного поля заставляет электрон искривлять свою траекторию под действием силы Лоренца. При достаточной величине магнитного поля электрон вернётся на катод с почти нулевой энергией и вновь начнёт ускоренное движение под действием электрического поля. Траекторией его движения будет циклоида, электрон дрейфует вдоль поверхности катода в направлении, перпендикулярном как электрическому, так и магнитному полю. Электрон находится в «ловушке», покинуть которую он может, только совершив столкновение с другой частицей. Тогда он перейдёт на новую траекторию, расположенную чуть дальше от катода и так до тех пор, пока не ослабнут поля, магнитное — за счёт удаления от полюсов магнитной системы, электрическое — за счёт плазменной экранировки. За счёт наличия ловушки многократно возрастает эффективность ионизации эмитированными электронами, что позволяет, в отличие от обычного диодного разряда, получать высокую плотность ионного тока, а значит, и высокие скорости распыления при относительно низких давлениях порядка 0,1 Па и ниже. Для того, чтобы ловушка работала эффективно, необходимо исключить утечку электронов на анод вдоль силовых линий магнитного поля, а траектории дрейфа должны быть замкнуты.

Основы технологии

Технологическое значение магнетронного распыления заключается в том, что бомбардирующие поверхность катода (мишени) ионы распыляют её. На этом эффекте основаны технологии магнетронного травления, а благодаря тому, что распылённое вещество мишени, осаждаясь на подложку, может формировать плотную плёнку наиболее широкое применение получило магнетронное напыление.

Распыление мишени

При столкновении ионов с поверхностью мишени происходит передача момента импульса материалу[2][3]. Падающий ион вызывает каскад столкновений в материале. После многократных столкновений импульс доходит до атома, расположенного на поверхности материала, и который отрывается от мишени и высаживается на поверхности подложки. Среднее число выбитых атомов на один падающий ион аргона называют эффективностью процесса, которая зависит от угла падения, энергии и массы иона, массы испаряемого материала и энергии связи атома в материале. В случае испарения кристаллического материала эффективность также зависит от расположения кристаллической решетки.

Покидающие поверхность мишени частицы осаждаются в виде плёнки на подложке, а также частично рассеиваются на молекулах остаточных газов или осаждаются на стенках рабочей вакуумной камеры.

Напыление металлов и сплавов

Напыление металлов и сплавов производят в среде инертного газа, как правило, аргона. В отличие от технологии термического испарения, при магнетронном распылении не происходит фракционирования мишеней сложного состава (сплавов).

Реактивное напыление

Для напыления сложных соединений, например оксидов и нитридов, применяется так называемое реактивное магнетронное напыление. К плазмообразующему газу (аргону) добавляют реактивный газ (например, кислород или азот). В плазме магнетронного разряда реактивный газ диссоциирует, высвобождая активные свободные радикалы, которые взаимодействуют с осаждёнными на подложку распылёнными атомами, формируя химическое соединение.

Магратрон

В советской литературе некоторое время встречался также термин «Магратрон». Слог «Маг» сокращённо означало магнетронное, «ра» — распылительное, «трон» — электроразрядное устройство. В связи с его непереводимостью на иностранные языки, термин не прижился, вместо него стали использовать слово «магнетрон».

См. также

Примечания

  1. ↑ Кузьмичёв, 2008, с. 42—51.
  2. ↑ Sigmund, 1987.
  3. ↑ Behrisch, 2007.

Литература

  • Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. — М.: Радио и связь, 1982. — 72 с.
  • Кузьмичёв А. И. Магнетронные распылительные системы. — Киев: «Аверс», 2008.
  • Sigmund P. Mechanisms and theory of physical sputtering by particle impact // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B Beam Interactions with Materials and Atoms. — 1987. — Vol. 27. — P. 1—20. — DOI:10.1016/0168-583X(87)90004-8.
  • Behrisch R. Sputtering by Particle bombardment: Experiments and Computer Calculations from Threshold to Mev Energies / под ред. Eckstein W.. — Берлин: Springer, 2007.
  • Ивановский Г. Ф., Петров В. И. Ионно-плазменная обработка материалов. — М.: Радио и связь, 1986.
  • Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 328 с.

This page is based on a Wikipedia article written by authors (here). Text is available under the CC BY-SA 3.0 license; additional terms may apply. Images, videos and audio are available under their respective licenses.

howlingpixel.com

Магнетронное распыление — Википедия. Что такое Магнетронное распыление

Магнетронная распылительная система (магнетрон)

Магнетронное распыление — технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещенных полях. Технологические устройства, предназначенные для реализации этой технологии, называются магнетронными распылительными системами или, сокращённо, магнетронами (не путать с вакуумными магнетронами — устройствами, предназначенными для генерации СВЧ колебаний).

Магнетронный разряд

Магнетронным разрядом называют диодный газовый разряд в скрещенных полях (существует область пространства в разрядном объёме, где электрическое и магнитное поля ортогональны друг другу B⊥E{\displaystyle \mathbf {B} \perp \mathbf {E} }; силовые линии магнитного поля направлены поперёк линий тока).

История открытия

В 1898 году британский исследователь Филлипс описал появление кольцеобразного электрического разряда, возникающего вокруг зазора между стержневыми электродами в стеклянной колбе при пониженном давлении при включении осевого магнитного поля. В 1913 году проф. Струтт интерпретировал филлипсовский разряд как электрический разряд в скрещенных полях — аксиальном магнитном поле и радиальном электрическом. Он предположил, что радиальное электрическое поле создаётся положительным зарядом, накопленным за время предыдущего разряда на стенке колбы напротив зазора между электродами, а ионизация газа вызвана отрицательными частицами за время их удлинённого пробега поперёк магнитного поля от оси к стенке колбы. Струтт установил кольцевой анод вокруг торцов стержневых электродов и получил устойчивый кольцевой разряд. Наибольший вклад в изучение магнетронного разряда был внесён голландским физиком Ф. М. Пеннингом. Наряду с другими применениями магнетронного разряда (в качестве ионного источника, датчика измерения вакуума, ионного насоса), им было предложено применение магнетронного разряда для распыления и нанесения покрытий[1].

Физические основы

С точки зрения механизма эмиссии электронов, магнетронный разряд постоянного тока представляет собой аномальный тлеющий разряд. Электроны покидают поверхность катода за счёт ионно-электронной эмиссии под действием ионной бомбардировки. В связи с тем, что коэффициент ионно-электронной эмиссии весьма мал, ионный ток на катод превышает электронный как минимум на порядок. Баланс заряженных частиц в плазме обеспечивается ионизацией нейтральных атомов газа электронами, ускоренными электрическим полем в тёмном катодном пространстве.

Принцип работы магнетрона

В отличие от тлеющего разряда, где электрон, не испытывающий столкновений, будет свободно ускоряться электрическим полем, пока не покинет область катодного падения потенциала (тёмное катодное пространство), наличие поперечного магнитного поля заставляет электрон искривлять свою траекторию под действием силы Лоренца. При достаточной величине магнитного поля электрон вернётся на катод с почти нулевой энергией и вновь начнёт ускоренное движение под действием электрического поля. Траекторией его движения будет циклоида, электрон дрейфует вдоль поверхности катода в направлении, перпендикулярном как электрическому, так и магнитному полю. Электрон находится в «ловушке», покинуть которую он может, только совершив столкновение с другой частицей. Тогда он перейдёт на новую траекторию, расположенную чуть дальше от катода и так до тех пор, пока не ослабнут поля, магнитное — за счёт удаления от полюсов магнитной системы, электрическое — за счёт плазменной экранировки. За счёт наличия ловушки многократно возрастает эффективность ионизации эмитированными электронами, что позволяет, в отличие от обычного диодного разряда, получать высокую плотность ионного тока, а значит, и высокие скорости распыления при относительно низких давлениях порядка 0,1 Па и ниже. Для того, чтобы ловушка работала эффективно, необходимо исключить утечку электронов на анод вдоль силовых линий магнитного поля, а траектории дрейфа должны быть замкнуты.

Основы технологии

Технологическое значение магнетронного распыления заключается в том, что бомбардирующие поверхность катода (мишени) ионы распыляют её. На этом эффекте основаны технологии магнетронного травления, а благодаря тому, что распылённое вещество мишени, осаждаясь на подложку, может формировать плотную плёнку наиболее широкое применение получило магнетронное напыление.

Распыление мишени

При столкновении ионов с поверхностью мишени происходит передача момента импульса материалу[2][3]. Падающий ион вызывает каскад столкновений в материале. После многократных столкновений импульс доходит до атома, расположенного на поверхности материала, и который отрывается от мишени и высаживается на поверхности подложки. Среднее число выбитых атомов на один падающий ион аргона называют эффективностью процесса, которая зависит от угла падения, энергии и массы иона, массы испаряемого материала и энергии связи атома в материале. В случае испарения кристаллического материала эффективность также зависит от расположения кристаллической решетки.

Физические процессы, происходящие в материале при его бомбардировке

Покидающие поверхность мишени частицы осаждаются в виде плёнки на подложке, а также частично рассеиваются на молекулах остаточных газов или осаждаются на стенках рабочей вакуумной камеры.

Напыление металлов и сплавов

Напыление металлов и сплавов производят в среде инертного газа, как правило, аргона. В отличие от технологии термического испарения, при магнетронном распылении не происходит фракционирования мишеней сложного состава (сплавов).

Реактивное напыление

Для напыления сложных соединений, например оксидов и нитридов, применяется так называемое реактивное магнетронное напыление. К плазмообразующему газу (аргону) добавляют реактивный газ (например, кислород или азот). В плазме магнетронного разряда реактивный газ диссоциирует, высвобождая активные свободные радикалы, которые взаимодействуют с осаждёнными на подложку распылёнными атомами, формируя химическое соединение.

Магратрон

В советской литературе некоторое время встречался также термин «Магратрон». Слог «Маг» сокращённо означало магнетронное, «ра» — распылительное, «трон» — электроразрядное устройство. В связи с его непереводимостью на иностранные языки, термин не прижился, вместо него стали использовать слово «магнетрон».

См. также

Примечания

Литература

  • Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. — М.: Радио и связь, 1982. — 72 с.
  • Кузьмичёв А. И. Магнетронные распылительные системы. — Киев: «Аверс», 2008.
  • Sigmund P. Mechanisms and theory of physical sputtering by particle impact // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B Beam Interactions with Materials and Atoms. — 1987. — Vol. 27. — P. 1—20. — DOI:10.1016/0168-583X(87)90004-8.
  • Behrisch R. Sputtering by Particle bombardment: Experiments and Computer Calculations from Threshold to Mev Energies / под ред. Eckstein W.. — Берлин: Springer, 2007.
  • Ивановский Г. Ф., Петров В. И. Ионно-плазменная обработка материалов. — М.: Радио и связь, 1986.
  • Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 328 с.

wiki.sc


Sititreid | Все права защищены © 2018 | Карта сайта