PVD_method (Раздаточный материал)

Теоретические аспекты физического осаждения из газовой фазы
Под физическим осаждением из газовой фазы (PVD – Physical Vapor Deposition) материала
понимается процесс конденсации этого материала в виде атомов или молекул из
газовой фазы с образованием тонкой пленки на поверхности подложки, причем
химический состав газовой фазы и осаждаемой пленки совпадает. Физическое
осаждение из газовой фазы может осуществляться следующими методами:
1. Термо-вакуумным, при котором материал термически испаряется в виде атомов или
молекул в условиях высокого вакуума и затем конденсируется на подложке, причем
испарение может производиться резистивным, индукционным, электронно-лучевым и
лазерным нагревом;
2. Ионного распыления, при котором материал выбивается из мишени в виде атомов или
молекул за счет кинетической энергии бомбардирующих мишень ионов и затем
конденсируется на подложке, причем могут быть использованы как ионы
газоразрядной плазмы, так и ионные пучки, генерируемые в автономных источниках.
Метод ионного распыления по сравнению с термо-вакуумным обладает следующими
преимуществами:
- низкие температуры проведения процессов осаждения;
- сохранение стехиометрии сложных соединений и сплавов;
- простота автоматизации и интеграции с процессом ионной очистки поверхности
подложки;
- длительный ресурс мишеней;
- лучшая адгезия пленок;
- упрощение и удешевление систем обеспечения высокой однородности пленок по толщине
на подложках большого диаметра, и в случае реализации его в магнетронных
распылительных системах (МРС) не уступает термо-вакуумному по скорости осаждения.

dN и
p 
атом
 нас и , 2
dt A
2mkTи м с
dN и
pнас и
m
Vи m
m
 pнас и
;
dt A
2

kT
2mkTи
и
D000 – Резистивный нагрев. Проволочный
испаритель (для смачиваемых материалов);
D001 – Резистивный нагрев. Ленточный
испаритель (для несмачиваемых материалов),
D002 – Резистивный нагрев. Сублимационный
испаритель: 1 – фланец, 2 – токоввод, 3 –
сублимируемый материал.
D003 – Резистивный нагрев.
Тигельный испаритель.
3
Vи 5,83 10 pнас
M кг
,
Tи м 2 с

Смачивающая способность жидкости на границе раздела трех фаз:
жидкой, твердой и газообразной, определяется величиной краевого
угла Θ. Величина краевого угла зависит от природы соприкасающихся
сред и не зависит от формы поверхности и силы тяжести. В том случае,
если краевой угол Θ  90о, жидкость считается несмачивающей, если Θ
 90о жидкость считается смачивающей.
Поверхность
жидкости
Стенка
Поведение
смачивающей (а) и
несмачивающей (б)
жидкости у стенки
Жидкость


а)
б)

D010 – Высокочастотный нагрев. Тигельный испаритель.
D011 – Высокочастотный нагрев. Тигельный испаритель со стартовым
элементом
Испарение сплавов (закон Рауля):
pнас , Ар аст.
pнас , А

xА
x А  (100  x А )
MА
MБ

D020 – Электронный нагрев. Тигельный испаритель.
D021 – Электронный нагрев. Проволочный испаритель.
D022 – Электронный нагрев. Штабиковый испаритель.

D030 – Электронно-лучевой нагрев.
Испаритель с пушкой Пирса.
D031 – Электронно-лучевой нагрев.
Испаритель с аксиальной пушкой.
T  r, t  
E0
 c 4 T t 
3
2
  r2 

exp
 4 T t 
r02 Pe
T (r ) 
2 r T
3 E0 I e
T 
2 q e T R

D032 – Электронно-лучевой нагрев.
Многотиглевый испаритель.
1
R
B
2mU
q
R – радиус отклонения электронного
пучка, B – индукция магнитного поля,
m – масса электрона, U – ускоряющее
напряжение, q – заряд электрона

D040 – Лазерный нагрев.
Испаритель с твердотельным или газовым лазером.

D050 – Молекулярно-лучевое испарение.
dN и
pнас и атом

, 2
Эффузионный испаритель (Ячейка Кнудсена): 1 –
dt A
2mkTи м с тигель,
2 – нагреватель, 3 – испаряемый материал, 4 –
тепловые экраны, 5 – термопара.
D051 – Молекулярно-лучевое испарение.
Капиллярный испаритель: поток испаряемого
материала, 2 – исходный материал, 3 – лодочка
испарителя, 4 – крышка лодочки, 5 – капиллярная
структура, 6 – токоввод.

Схема молекулярно-лучевой эпитаксии кремния, легированного сурьмой
Тнагрева
Tп
Подложка из Si или
сапфира Al2O3 (КНС)
или SiO2, Si3N4 (КНИ)
р = 10-6 – 10-8 Па
λ = 5.10-3/р = 5.104 м
Ea = kTи
Tп=673 – 1073 К
Ячейка Кнудсена
Si
Sb

D100 – Ионно-плазменное распыление.
Диодный источник на постоянном токе: 1 – вакуумная камера, 2 – экран, 3 – мишень,
4 – подложка, 5 – подложкодержатель, 6 – натекатель.
D101 – Ионно-плазменное распыление.
Диодный источник на переменном высокочастотном (ВЧ) токе.
E
3
S ( E )  2  max ;
4
U0
ji= Qi.qe, А/м2
kTi
Qi ni
mi
ji M кг
Vр  S
, 2
qe N A м с
Частота изменения полярности на электродах (D101): f > 1/te, где время пробега электронов te = d/ve (при d=0,1
м , f > 1Е7 Гц). Стандартная частота f = 13,56 МГц, при которой время пробега ионов ti расстояния d равно ti =
d/vi, а величина пробега ионов за ti составляет di = vi /f (di =3,7.10-5 м или 37 мкм).

D102 – Ионно-плазменное распыление.
Трехэлектродный источник: 1 –
электромагнит, 2 – мишень, 3 – анод, 4 –
термокатод, 5 – подложкодержатель.
D103 – Ионно-плазменное распыление.
Магнетронный источник на постоянном
токе: 1 – экран, 2 – мишень, 3 –
подложкодержатель, 4 – постоянный
магнит.

Магнетронный разряд в вакууме

В однородном магнитном поле магнетрона на электрон действуют силы Лоренца Fл = qeVeB и
центробежная сила Fц:
где rе – циклотронный (ларморовский) радиус .
2
mV
Fö  e e
В
re
Электрон вращается по часовой стрелке, если смотреть вдоль вектора В.
meVe 1
re 

qe B B
2me Ee 3,4 10

2
qe
B
4
е
+
Ee , sm
В данной формуле индукция магнитного поля В измеряется в теслах, энергия электрона – в эВ.
Для магнетронного разряда В составляет порядка 0,1 Т и, например, для Ее = 100 эВ re = 340 мкм.
Циклотронный радиус иона с молекулярной массой Мi равен: r 43r M т.е. в 10 – 100 раз
i
e
i
больше, чем re, поэтому действием магнитного поля на ионы
можно пренебречь.
Циклотронное движение заряженной частицы характеризуется периодом Т и круговой
(циклотронной или ларморовской) частотой ω:
Tц .e
2 Bqe
11
2me 3,56 10  11




1
,
76

10
B, rad / c


, c ц .e
B
Tц
me
Bqe
Т.е. период и частота не зависят от скорости движения электрона в однородном магнитном поле.
При В=0,1 Т период Т и частота ω составляют:
Tц .e 3,56 10  10 c
ц.e 1,76 1010 , rad / c
(СВЧ диапазон, ГГц)

Магнетронный разряд: λе>d, h = dk (ларморовская окружность).
Слаботочный разряд с большой шириной катодного слоя h > dk
(темного катодного пространства). Величина критической индукции
магнитного поля:
1
Bкр 
dк
2me
Uк
qe
Сильноточный разряд с малой шириной катодного слоя h < dk.
В однородных электрическом H и магнитном B полях электрон
движется по циклоиде (в переводе с греческого – «напоминающая о
круге») – траектория точки, катящейся окружности Dц.е.
Высота циклоиды hц.е (ларморовская окружность) равна:
hц .е Dц .е
2me H
 12 H

11,36 10
, sm
2
2
qe B
B
Скорость движения центра окружности Vц = H/B.
Период циклотронного вращения электрона:
Dц .е 2me
Tц .е 

Vц
qe B

D104 – Ионно-плазменное распыление.
Магнетронный источник на переменном высокочастотном токе.
D105 – Ионно-плазменное распыление.
Магнетронный сверхвысокочастотный (СВЧ) источник с электронноциклотронным резонансом (ЭЦР): 1 – резонатор.
Длина свободного пробега электрона в плазме =1/(Se.n), (Se - сечение столкновения электрона с
атомами плазмообразующего газа, м2; n=p/kT - концентрация атомов или молекул газа (м-3)

МРС с дополнительной
ионизацией
а) с накаливаемым
катодом;
б) с катушкой токов
высокой частоты;
в) с СВЧ резонатором
– с ЭЦР плазмой (ЭЦР
– электронный
циклотронный
резонанс)
Импульсные МРС
Импульсные распылительные системы на частоте 10 – 1000 кГц
являются наиболее эффективным способом реактивного осаждения
тонкопленочных покрытий.
Недостатки ВЧ разряда для распыления диэлектриков:
-низкая скорость осаждения;
-низкий КПД и др.
Недостатки разряда на постоянном токе при реактивном осаждении
тонких пленок:
-эффект исчезновения анода при осаждении на него
диэлектрической пленки;
-эффект «отравления» катода (мишени) при его окислении,
азотирования и т.п.

Несбалансированный магнетрон
Сбалансированный магнетрон: силовые линии дважды пересекают катод
(выходят из него и входят в него). Разряд горит в ограниченной торообразной
области, «высота» плазмы не превышает 30 – 60 мм, подложка расположена
вне зоны разряда, т.е. на расстоянии большем, чем 30 – 60 мм и до нее доходит
мало заряженных частиц при подаче напряжения смещения порядка -100 В для
очистки подложки и ассистирования росту пленки (плотность тока ионов
аргона на подложку не превышает 1 мА/см2).
Повысить плотность ионного тока на подложку до 2 – 10 мА/см2
можно в несбалансированной МРС, в которой часть магнитных
силовых линий направлены в сторону подложки, т.к. внешний полюс
магнитов создает больший магнитный поток , чем внутренний.
Боковые вертикальные силовые линии, идущие к подложке, образуют
своеобразный магнитный коридор для заряженных частиц (ионов
аргона). В результате пленки получаются сплошными, плотными, с
хорошей адгезией.
Для получения пористых пленок используется
несбалансированный магнетрон, в котором внутренний полюс
магнитов создает больший магнитный поток, чем внешний. Это
затрудняет попадание заряженных частиц на подложку,
плотность ионного тока аргона на подложку много меньше 1
мА/см2.

D110 – Ионно-лучевое распыление.
Ионный источник с горячим катодом: 1 – электромагнит, 2 – термокатод, 3 – анод, 4
– катод-нейтрализатор, 5 – мишень, 6 – подложка, 7 – датчик скорости осаждения, 8
– рабочая камера.
D111 – Ионно-лучевое распыление.
Ионный источник с холодным катодом: 1 – электромагнит, 2 – первый катод, 3 –
второй катод, 4 – вытягивающий электрод, 5 – фокусирующий электрод.

Закон Чайльда - Ленгмюра
3
где je – максимальная плотность отбираемого из плазмы
ионного тока, U – ускоряющее напряжение, l – расстояние
между границей плазмы и ускоряющим электродом, qe и me –
заряд и масса электрона, соответственно.
Давление в технологической камере при ионно-лучевой обработке не более р = 0,1 Па, типовая
эффективная быстрота откачки камеры So=1 м3/с, сила тока ионного пучка I 40pS ,
1
ji 
9
2 qe U 2
,
2
me l
i
0
где η – коэффициент газовой экономичности источника (коэффициент ионизации).
При р = 0,1 Па, So=1 м3/с, η=0,1 сила тока составляет 0,4 А. Энергия ионов Ei = 0,01 – 10 кэВ.
Отбор ионов из плазмы в автономном источнике ионов:
Изолированная стенка заряжается до отрицательного относительно плазмы потенциала, т.к.
подвижность электронов в плазме больше, чем ионов. Между границей плазмы и стенкой
устанавливается зазор Δ, в котором на стенку движутся потоки электронов и ионов.
Δ
d
l
+ + +
-U
Если в стенке есть отверстие диаметром d > 2Δ, то плазма выходит через это отверстие.
Расстояние Δ имеет значение порядка дебаевской длины экранирования D
kTe где n – концентрация электронов в плазме, Те – температура (энергия)
D
,
2 электронов в плазме.
4nqe Границу плазмы можно вернуть на место, если на ускоряющий электрод
подать отрицательный потенциал U

D200 – Осаждение взрывом.
Лазерный импульсный источник: 1 – вакуумная камера, 2 – подложка, 3 – мишень, 4 –
поток пара, 5 – кварцевое стекло, 6 – фокусирующая линза, 7 – полупрозрачное
зеркало, 8 – поляроид, 9 – ячейка Керра («запирание» пучка фотонов с частотой
следования импульсов), 10 – монокристалл, 11 – управляемый разрядник, 12 – лампа
накачки лазерного излучения, 13 – конденсатор, 14 – непрозрачное зеркало.
рвак=10-10 Па;
ТП=293 К;
Vоmax 103 мкм/с;
Е=1-1000 эВ;
КИ=0,1-0,5

D210 – Осаждение взрывом.
Электронный импульсный источник: 1 – мишень, 2 – подложка, 3 – управляемый
разрядник, 4 – конденсор или генератор импульсного тока, 5 – нагреватель катода
электронной пушки, 6 – катод, 7 – фокусирующий электрод, 8 – анод.
D220 – Осаждение взрывом.
Электроразрядный конденсаторный источник: 1 – взрываемый образец, 2 – подложка,
3 – поток продуктов взрыва, 4 – конденсаторная батарея, 5 – управляемый разрядник.

D300 – Осаждение дуговым разрядом.
Дуговой источник с холодным катодом (разряд в парах катода): 1 – катод, 2 –
система охлаждения катода, 3 – анод, 4 – электростатический экран, 5 – постоянные
магниты, 6 – электрод поджига.
D301 – Осаждение дуговым разрядом.
Дуговой источник с холодным катодом (в парах катода и анода): 1 – катод, 2 – анод.
max
”
V
q доп М 10 2


Е опт 

Катодные пятна

D310 – Осаждение дуговым разрядом.
Дуговой источник с горячим катодом (в парах анода): 1 – термокатод прямого
накала, 2 – анод (испаряемый материал), 3 – источник накала катода, 4 – источник
питания дуги, 5 – заслонка, 6 – подложка, 7 – вакуумная камера.
D311 – Осаждение дуговым разрядом.
Дуговой источник с горячим катодом (в парах рабочего газа): 1 – подложка, 2 –
вакуумная камера, 3 – испаряемый материал, 4 – тигель, 5 – источник напряжения
смещения на подложке, 6 – источник питания разряда с полым разрядом, 7 – пушка с
горячим полым катодом, 8 – магнитные катушки.

D400 – Ионное осаждение.
Термо-ионный источник диодного типа.
D401 – Ионное осаждение.
Термо-ионный источник с потенциалом смещения.
V”max
qдоп М 10 2


Еопт 

D410 – Ионное осаждение.
Ионно-плазменный источник диодного типа: 1 – патрубок напуска рабочего газа, 2 –
газоразрядная плазма, 3 – ионы осаждаемого материала, 4 – подложки, 5 – электрод
подложкодержатель, 6 – токовввод, 7 – патрубок откачки, 8 – вакуумная камера.
D411 – Ионное осаждение.
Ионно-плазменный источник с потенциалом смещения: 1 – подложкодержатель, 2 –
вакуумная камера, 3 – электрод под положительным потенциалом, 4 – кварцевая
труба, 5 – индуктор, 6 – источник подачи потенциала смещения на подложку, 7 – ВЧгенератор.

D420 – Ионное осаждение.
Ионно-лучевой источник с горячим катодом: 1 – электромагнит, 2 – термокатод, 3 –
анод, 4 – рабочая камера, 5 – подложка.
D421 – Ионное осаждение.
Ионно-лучевой источник с холодным катодом: 1 – электромагнит, 2 – первый катод,
3 – второй катод, 4 – вытягивающий электрод, 5 – фокусирующий электрод.

D430 – Ионное осаждение.
Плазмотронный источник торцевой дуговой с горячим катодом сильноточный: 1 –
катод, 2 – анод, 3 – нейтральная изолирующая вставка, 4 – нагреватель катода, 5 –
сильфонная система подачи жидкого металла, 6 – нагреватель.

D431 – Ионное осаждение.
Плазмотронный источник торцевой дуговой с горячим катодом холловский: 1 –
термокатод, 2 – анод (испаряемый материал), 3 – источник накала катода, 4 – источник
питания дуги, 5 – источник питания ускорителя плазмы, 6 – соленоид, 7 – электрод
ускорителя плазмы, 8 – подложка, 9 – вакуумная камера.
D432 – Ионное осаждение.
Плазмотронный источник торцевой дуговой с холодным катодом: 1 – блок питания
поджига дуги, 2 – поджигающий электрод с каналом для подачи газа, 3 – охлаждаемый
анод, 4 – соленоид, 5 – баллон с рабочим газом, 6 – подложка, 7 – коллектор подачи
реактивного газа, 8 – выпрямитель для подачи напряжения смещения на подложку, 9 –
нагрузочное сопротивление, 10 – экран, 11 – источник питания основного разряда, 12 –
катод.

D433 – Ионное осаждение.
Плазмотронный источник с замкнутым дрейфом электронов: 1 – катод первой
ступени, 2 – катод второй ступени, 3 – соленоид, 4 – анод первой ступени, 5 –
источник питания генератора плазмы. 6 – источник питания ускорителя, 7 –
магнитопровод, 8 – подложка
D434 – Ионное осаждение.
Плазмотронный источник импульсный с эрозией диэлектриков: 1 – катод, 2 –
диэлектрик, 3 – анод, 4 – электрод поджига, 5 – управляемый разрядник, 6 –
конденсатор поджига, 7 – конденсатор основного разряда.

Параметры МРС на постоянном токе имеют
следующие типичные значения:
давление рабочего газа (аргона), Па
0,3 - 1,5
ток разряда, А
10 - 100
напряжение разряда, B
400-600
магнитная индукция, Тл
0,01-0,05
ширина темного катодного пространства, мм 2 - 4
скорость распыления, мкм/мин
0,1 - 1,5
энергетическая эффективность с медной мишенью,
кг/Дж
(2 - 4)*10-9
потребляемая мощность, кВт
5 - 20
Недостатки МРС:
- коэффициент использования материала мишени
25%;
- неравномерность толщины пленки на
неподвижной подложке;
- наличие потока высокоэнергетических электронов
на подложку;
- сравнительно высокое давление рабочего газа
(аргона) (0,3 - 1,5 Па) требующее его эффектной
очистки для устранения загрязнения пленок.