Катодное распыление (1245599), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Количество газа, удаленного из объема в течение времени dt, равно

количеству газа, проходящего через насос, за вычетом количества газа,

поступающего из трех источников. Знак минус означает, что dp отрицательно –

это соответствует уменьшению давления. После окончания начального периода

откачки Q_{д, Qп и Qи остаются единственными источниками газа в объеме V. В} конце установится равновесие, после чего давление не будет уменьшаться.

Когда достигнуто предельное давление p_{о, то dp/dt = 0 и}

pоsэ = Qд + Qп + Qи; (1.5)

откуда

sэ = ΣQi pvj. (1.6)

Решение уравнения (1.6) свидетельствует о зависимости давления под

колпаком от времени t:

8

pv = p∙exp(-sэt/V) + pо, (1.7)

где p - начальное давление под колпаком. Откуда время откачки определяется из

выражения:

t

^{= V} sэ ^ln p

pp

v ^{- .} 0 ^(1.8)

1.4. Схема вакуумной системы технологической установки Типичная схема вакуумной системы представлена на рис.1.2. Для откачки

объема колпака 7 от атмосферного давления до предельного вакуума с

помощью форвакуумного насоса ФВН через открытые вентили 3 и 4 создают

давление под колпаком до 10^-1–10^-2 мм рт. ст, контролируя давление с помощью

термопарного манометра 2. После этого вентиль 3 закрывают, открывают

вентиль 5 и высоковакуумный затвор 1 и откачивают всю вакуумную систему

до давления 10^-1–10^-2 мм рт. ст. Затем включают подогреватель

высоковакуумного диффузионного насоса ВВН и производят откачку колпака

через затвор 1 до предельного вакуума (10^-6–5∙10^-7 мм рт. ст.), контролируя

давление с помощью ионизационного манометра 6. При этом ФВН должен

постоянно отсасывать в атмосферу из ВВН остаточный газ. Поскольку в

форбаллоне ФБ поддерживается форвакуум 10^-1–10^-2 мм рт. ст., возможно

кратковременное отключение ФВН от ВВН. В этом случае выход ВВН будет

нагружен только на ФБ. По окончании цикла напыления напуск осушенного

воздуха в ФВН и колпак производится через вентили 3 и 4. Управление

вентилями и их блокировка осуществляется с помощью блока переключения

вакуума БПВ [5].

Рисунок 1.2. Схема вакуумной системы технологической

установки

При выборе материалов для вакуумных систем необходимо учитывать

скорость десорбции и газопроницаемость [6]. Из металлов наиболее

подходящим материалом является нержавеющая сталь. Этот материал обладает

низкой скоростью десорбции, т.е. низкой скоростью газоотделения с единичной

поверхности. Материал устойчив против коррозии, что позволяет использовать

химически агрессивные жидкости для очистки подколпачных устройств,

хорошо полируется, вследствие чего в неровностях шероховатой поверхности

не накапливаются гигроскопичные вещества и активные сорбенты. В то же

время малоуглеродистая сталь плохо удовлетворяет требованиям вакуумной

техники, поскольку окисный слой на ее поверхности обладает высокой

сорбционной емкостью. Применение латуни в вакуумной технике не

рекомендуется из-за заметного испарения цинка при температуре свыше 300 ^оС.

1.5. Процесс катодного распыления Под катодным распылением (ионным распылением) понимается

разрушение отрицательного электрода (катода) в газовом разряде под

действием ударов положительных ионов [7]. В более широком смысле –

9

10

разрушение твёрдого вещества при его бомбардировке заряженными или

нейтральными частицами.

При катодном распылении в камеру вакуумной установки загружаются

подложки и производят откачку до давления 1∙10^-3–1∙10^-4 Па, затем напускают

аргон до давления 1,3–13 Па. Далее процесс ведут при непрерывной откачке и

поступлении через натекатель аргона, что обеспечивает заданное давление газа

[8]. При подаче на катод-мишень отрицательного потенциала 1–5 кВ

относительно заземленного анода в камере зажигается тлеющий разряд. Ионы

аргона, попавшие в область катодного пространства, бомбардируют катод –

начинается его распыление. Распыление сначала ведут на заслонку, а после

очистки поверхности катода заслонку открывают – поток частиц осаждается на

поверхности подложек. Процесс прекращают отключением напряжения катод-

анод; после охлаждения подложки выгружают [8, 9].

Преимущества катодного распыления: низкие температуры подложек в

процессе нанесения пленок; большая, чем при термовакуумном напылении,

равномерность пленок по площади подложек, так как диаметр катода (до 350

мм) существенно больше расстояния катод – подложка (30–80 мм);

безынерционность (распыление начинается при подаче на электроды

напряжения и мгновенно прекращается при его снятии); отсутствие

необходимости частой смены источника частиц растущей пленки – катода;

неизменяемость стехиометрии состава пленки по сравнению с составом катода;

высокая адгезия пленок к подложкам.

Основные недостатки: сравнительно невысокие скорости осаждения,

загрязненность пленок молекулами остаточных газов и более сложное

управление техпроцессом по сравнению с термовакуумным напылением.

11

2. Расчет скорости осаждения

В процессах ионно-плазменного нанесения при высоких давлениях

исчезает направленность движения распыленных частиц и процесс переноса

принимает характер «ускоренной» диффузии. Понятие «ускоренной»

определяет высокую кинетическую энергию, следовательно, скорость движения

исходных, эмиттируемых из мишени частиц материала. В большинстве систем

ионно-плазменного нанесения с тлеющим разрядом частицы распыленного

материала уменьшают свою энергию до тепловой энергии прежде, чем

достигнут подложки. Процесс переноса в этом случае следует рассматривать

как диффузионный процесс.

Часть распыленных частиц в результате многократных столкновений и

рассеяния на большие углы, в конце концов, будет иметь нулевую скорость по

направлению к подложке, а также может отражаться обратно на распыляемую

мишень. Оставшиеся частицы достигают подложки со скоростями,

соответствующими тепловым энергиям. Создается градиент плотности распыленных частиц в пространстве мишень–подложка, вызывающий

диффузию частиц по направлению к подложке.

В предположении диффузионного характера процесса переноса

распыленного материала в пространстве мишень–подложка процент

распыленного материала П, достигающего подложки, можно определить из

выражения

12

П = _DMM₂1^λ [ ] [ ] 100) /( exp1 _{1 2} ∙ ∙ - - λ MDM , (3.10)

где D – расстояние мишень – подложка, см; λ – длина свободного пробега

распыленных атомов, см; М_{1 – масса атома инертного газа; М2 – масса} распыленного атома.

Длина свободного пробега атома с массой М_{2, имеющего тепловую} энергию в газе, состоящем из атомов М_{1, может быть определена соотношением}

1/λ = √2∙πN_2d22 _{+ 0,25πN1(d1 + d2)}2_{(1+ M2/M1)}1/2 _{, (3.11)} где N2 и N1 – плотности распыленных частиц и атомов газа соответственно,

см^-3; d1 и d2 – эффективные диаметры атомов, см.

Длина свободного пробега распыленных атомов, имеющих скорость,

большую, чем тепловая, будет примерно в 1,5 раза выше, т.е. диффузия имеет

характер ускоренной диффузии. Практически всегда при самом высоком коэф-

фициенте распыления N2<<N1. С учетом того, что N1 = p/kT, выражение (3.11) можно записать

1/λ = 2.08p(d1 + d2)²(1+ M2/M1)^1/2 , (3.12)

где p – давление газа, Па; d_{1 и d2 в нм. Величина d2 изменяется от 0,3 нм при}

М_{2 = 20 а.е.м. до 0,45 нм при М2 = 150 а.е.м. Для аргона d1 ~ 0,25 нм.}

Таким образом, выражение для скорости осаждения с учетом выражений

(3.1) и (3.10) можно записать как _{V0 = VpП/100. (3.13)}

13

3. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА КАТОДА-МИШЕНИ

Основной элемент распылительного устройства – мишень, которая

непосредственно является катодом или крепится на поверхности катода.

Учитывая существенную тепловую нагрузку на мишень в процессе ее

распыления, в конструкции ионно-плазменных устройств предусматривается

прямое или косвенное охлаждение мишени. Основным недостатком косвенных

методов охлаждения является ограничение мощности, вводимой в мишень.

Таким образом, тепло, выделяемое при бомбардировке ионами, может

отводиться за счет излучения, процесса теплопроводности и теплоотдачи при

контакте охлаждающей жидкости с поверхностью мишени. Процессы

передачи тепла будем считать установившимися (стационарными).

Для оценки теплового режима катода-мишени будем считать, что вся

мощность, прикладываемая к мишени, расходуется на нагрев мишени. В

установившемся режиме можно записать:

w = wтепл + wизл , (4.1) где wтепл – плотность мощности передаваемая нижнему основанию мишени; wизл – плотность мощности, излучаемая верхним основанием мишени.

Плотность мощности, прикладываемая к мишени, определяется из

выражения:

w = J·U, (4.2)

где J – плотность тока разряда, U – напряжение, прикладываемое к электродам.

В соответствии с законом Фурье для стационарной теплопроводности

можно записать:

w_{тепл = λ∆T/H , (4.3)}

где ∆T – разность температур между поверхностями мишени; H – толщина

мишени; λ – коэффициент теплопроводности материала мишени.

14

При контакте охлаждающей жидкости с поверхностью мишени

происходит передача тепла от основания мишени жидкости. Для этого случая

можно записать

Qжидк = αAt∆Т, (4.4)

где Qжидк – передаваемое количество теплоты; α – коэффициент теплоотдачи

(для текущей воды α = 350+2100 v Вт/(м^2∙K), v – скорость течения воды); А –

площадь основания мишени; ∆T – разность температур мишени и подводимой

воды (можно считать, что температура подводимой воды 20 ^оС, а охлаждаемого

основания мишени - 100 ^оС); t – продолжительность процесса распыления.

Формулу (4.4) запишем в преобразованном виде:

wжидк = α∆T. (4.5)

Для того, чтобы мишень не перегревалась необходимо выполнение

условия wжидк≥ wтепл.

При тепловом излучении тепловая энергия от верхнего основания

мишени передается окружающей среде. В этом случае, исходя из закона

Стефана-Больцмана, можно записать

wизл = σε(Tв⁴-Tс⁴), (4.5)

где σ = 5,67∙10^-8Вт/(м^2∙К⁴) – постоянная Стефана-Больцмана; ε - излучательная

способность материала мишени; Т_{с - температура окружающей среды (Тс = 300} К).

С учетом формул (4.2), (4.3) и (4.5) следует, что максимально допустимая

толщина мишени равна

_h max ₌ ^ww

λ _-∆ T изл ^{. (4.6)}

15

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Ивановский Г.Ф., Петров В.И. Ионно–плазменная обработка

материалов. – М.: Радио и связь, 1986. – 232 с.

2. Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения

тонких пленок. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 328 с.

3. Юдин В.В. Коэффициент распыления изотропных мишеней //

Электронная техника. Сер. 2. 1984. Вып. 6(172). С. 3 – 16.

4. Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной

технологии. – М.: Высшая школа, 1988. – 255 с.

5. Фундаментальные и прикладные аспекты распыления твердых тел. –

М.: Мир, 1989. - 349 с.

6. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. – М.: Высшая школа, 1982.

Характеристики

Список файлов учебной работы