ИПР - Определение параметров вакуумной установки и получение тонких пленок ионно-плазменными методами (Описания лабораторных и мануал к типовому расчету)

http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsподготовлено В.А. Воронцовым 2003 e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ruОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВАКУУМНОЙ УСТАНОВКИ ИПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ИОННО-ПЛАЗМЕННЫМИМЕТОДАМИЦель работы. Ознакомление с элементами двухступенчатой системы откачкивакуумных установок, принципом действия и определение их основных рабочих параметров, а также с технологией получения тонких пленок высокочастотным ионноплазменным распылением и магнетронным распылением в постоянном электромагнитном поле.Методические указанияДанная работа состоит из двух этапов: на первом по результатам экспериментоврассчитываются параметры системы откачки напылительной вакуумной установкиУВН-2М-1, а на втором — изучение технологии получения тонких пленок методомвысокочастотного (ВЧ) ионно-плазменного распыления либо методом магнетронного распыления в постоянном электромагнитном поле (по указанию преподавателей).Продолжительность каждого этапа работы — 4 часа.1.

Назначение вакуумного технологического оборудованияВакуумные технологические методы широко используются в производстве полупроводниковых материалов, элементов и интегральных схем, поскольку позволяютизолировать технологические процессы от неблагоприятного воздействия атмосферы и существенно улучшить качество получаемой продукции, увеличить выход годных.Вакуум (остаточное давление) в камере установки, необходимый для проведениябольшинства технологических операций в технологии полупроводниковых материалов и изделий, обычно находится в пределах 1.0⋅10-6 Торр — 1.0 Торр (1.33⋅10-4Па—133 Па). В настоящее время промышленное вакуумное оборудование не позволяет достичь требуемый уровень вакуума с помощью одноступенчатой системы вакуумной откачки, поэтому приходится использовать многоступенчатые системы,обеспечивающие требуемый уровень остаточного давления за счет, последовательного применения нескольких различных способов создания вакуума.

В рамках первого этапа данной лабораторной работы рассматривается устройство вакуумнойтехнологической установки УВН-2М-1 на основе двухступенчатой системы достижения рабочего вакуума. Аналогичные вакуумные системы используются в установках ионно-плазменного и магнетронного методов получения тонких пленок, изучению которых будет посвящен второй этап данной работы.2. Расчет коэффициентов распыления материалов ионно-плазменнымиметодамиРаспыляемость вещества характеризуется коэффициентом распыления S, который определяет число атомов вещества Na, выбитых из мишени одним иономS=Na,Nи(1)где Na—число выбитых из мишени атомов; Nи—количество бомбардируемых ионов.1http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsподготовлено В.А.

Воронцовым 2003 e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ruКоэффициент распыления — одна из основных характеристик, описывающихвзаимодействие иона с твердым или жидким веществом и представляющая наибольший практический интерес. Коэффициент распыления для плоской мишени.S=αSи ( E )3 216π a U 0,Sи ( E ) =4λEa 2π ,3(2)где α—функция отношения (M2/M1); M2—атомная масса иона,. MА=39.95; M1—атомная масса материала мишени; Sи(E) —сечение торможения иона ядром; а —радиус экранирования для взаимодействия между двумя атомами, а=0.219Å; U0—энергия поверхностного барьера, принятая равной теплоте сублимации.Вид функции Sи(E) зависит от энергии иона. Для низких (до 10 кэВ) энергий ионов коэффициент распыленияS=где λ =4 M1M 2(M1 + M 2 ) 23αλE4π 2U 0(3)— коэффициент передачи энергии; Е — энергия иона.Коэффициент распыления зависит от энергии импульса и природы иона, природыраспыляемого вещества, его кристаллического строения, теплоты возгонки.

Помимоэтого, распыляемость вещества при определенных условиях может зависеть отплотности тока ионов, температуры, состояния поверхности образца. Под пороговойэнергией Uпор понимается та минимальная энергия, обладая которой, ион может выбить атом из твердого тела. Пороговая энергия связана с теплотой сублимации (возгонки) приблизительным соотношениемU пор = 4U 0(4)Большое влияние на результат соударений ионов и атомов мишени оказываютструктура электронных оболочек иона и атома, заряд их ядер. В частности, «упругость» атома зависит от числа электронов, находящихся на внешней оболочке.

Максимальный «выход» атомов происходит у элементов, обладающих заполненной fоболочкой, содержащей десять электронов. Максимальным распыляющим действием обладают ионы с заполненной d-оболочкой и ионы инертных газов, у которыхимеется заполненная р-оболочка с шестью электронами.Для экспериментального определения коэффициента распыления основную задачу представляет измерение количества выбитых атомов и числа ионов, упавших наобразец, т.е.S=N a NM a Ze=,NиAQ(5)где Ма — вес эмитированных атомов; А — атомный вес вещества; N — 6.0255⋅1023—число Авогадро, ат/моль; Q—общий заряд ионов, пришедших на мишень, Кл, е—1.602⋅10-19—электрический заряд электрона; Z—заряд иона.Предложены различные способы измерения количества эмитированных атомов.Наиболее простым считается метод взвешивания коллектора (подложки), на котором конденсируются выбитые атомы.

В этом случае необходимо иметь сферическийколлектор (рис.1), собирающий все выбитые атомы. В других случаях требуетсяучитывать закон их углового распределения и возможное обратное распыление подложки отраженными ионами. Точность метода как правило около 10%. Для увели2http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsподготовлено В.А.

Воронцовым 2003 e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ruчения точности используют радиоактивные атомы, позволяющие определить весьмамалые количества распыляемого вещества; методы кварцевого кристаллическогогенератора (частота его настройки изменяется при изменении толщины кварцевогорезонатора) и измерения удельного сопротивления тонких проволочных мишенейпри изменении их диаметра после распыления и целый ряд других методов.

Разнообразие методов говорит об отсутствии универсального и достаточно точного метода.Рис.1.Таблица l.Значения коэффициента α, пороговых значений энергии распыления Uпор,удельного веса d (для распыления ионами аргона Аr+ с энергией 0.4—1.5 кэВ [2]Материал мишениNiAlМоWSiTi0.127 0.0486 0.096 0.036 0.253---αМа58.7126.9895.94 183.85 28.08 47.90Uпор,ЭВ2113243324203d г/см8.92.7010.219.32.334.51Основная трудность при измерении количества ионов, упавших на мишень в течение эксперимента, заключается в учете или устранении потока вторичных электронов (достигается введением в разряд дополнительных электродов, поперечныхмагнитных полей).ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ УСТАНОВОКВАКУУМНАЯ СИСТЕМА УСТАНОВКИ УВН-2М-1Вакуумная установка УВН-2М-1 предназначена для вакуумного. резистивногонапыления тонких пленок. Она состоит из вакуумной системы, подколпачного устройства и электрического шкафа управления.

Вакуумная система создает и поддерживает вакуум в рабочем объеме установки (рис.2) и содержит: форвакуумныйФВН и диффузионный ДН насосы; рабочую вакуумную камеру 1; систему трубопроводов; клапаны К1 и К2; высоковакуумный затвор ВВЗ; датчики измерения давления Д1—Д3; натекатель Н; систему охлаждения; колпак рабочей камеры KPK.3http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsподготовлено В.А. Воронцовым 2003 e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ruФорвакуумный (механический) насос служит для откачки форвакуумной магистрали и магистрали диффузионного насоса (до высоковакуумного затвора) до давления 10-3 Торр, а также рабочей камеры установки до давления порядка 5⋅10-2—1⋅10-2Торр.

Диффузионный (паромасляный) насос предназначен для создания и поддержания высокого вакуума в рабочем объеме установки (порядка 10-6 Торр).Рис.2. Схематическое изображение вакуумной системы установки УВН-2М-1.ВАКУУМНЫЕ УСТАНОВКИ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО ИМАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯПринцип действия и основные элементы установок аналогичны описанной в предыдущем разделе вакуумной системе установки для резистивного напыления тонких пленок. Однако использование плазменных методов нанесения пленок требуетподдержания рабочего давления во время проведения технологического процесса науровне 10-3—10-4 Торр (а не 10-5— 10-6 Торр как при резистивном напылении).

Этотребует дополнительного оснащения технологических установок блоками поддержания давления и расхода газа (газовыми блоками). Кроме того, меняется н составоборудования, размещаемого в рабочей камере. Принципы ионно-плазменного распыления и магнетронного распыления изложены в [1, 2] и [3] соответственно.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ1.Порядок работы на установке УВН-2М-11. Включить установку.2.