Основы метода магнетронного распыления материалов и технологии тонких пленок

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Реферат

«Основы технологии материалов»

по теме «Основы метода магнетронного распыления материалов и технологии тонких пленок»

Выполнил:

Раффа Владислав

Ставрополь, 2020

Введение

В настоящее время высококачественные тонкие пленки и покрытия находят широкое применение во многих отраслях науки и техники, например, в качестве проводящих, изолирующих и полупроводниковых слоев в электронике, позволяют уменьшать размеры электронных устройств [1].

Существует большое количество способов получения тонких пленок, среди которых можно обозначить метод магнетронного распыления. Данный метод обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами, среди которых: высокая равномерность, низкая пористость и высокий уровень адгезии к подложке; возможность нанесения покрытия сложного состава, низкая температура подложки, однородность покрытия, возможность наносить несколько покрытий за один цикл и на большие площади [2].

Целью данной работы является ознакомление с технологией магнетронного распыления.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Ознакомиться с процессом магнетронного распыления;

2. Рассмотреть современные установки, при помощи которых может осуществляться процесс магнетронного распыления;

3. Ознакомиться с последними достижениями в области получения тонких пленок методом магнетронного распыления.

магнетронный распыление пленка газ

1. Метод магнетронного распыления

Процесс магнетронного распыления осуществляется при помощи магнетронных распылительных систем (МРС). В этих системах распыление материала происходит за счет бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа, образующегося в газе аномально тлеющего разряда. Метод магнетронного распыления (ММР) будет рассмотрен на примере общей схемы МРС. Существуют: реактивное магнетронное распыление на постоянном токе [3,4,5,6,7], магнетронное распыление на переменном токе [4,5,6,7]

Основными элементами МРС являются: мишень из распыляемого материала, которая также является катодом газового разряда; магнитная система, необходимая для обеспечения магнитного поля на поверхности мишени. В качестве анода выступают внутренние стенки камеры, либо дополнительный электрод, расположенный внутри камеры. Магниты в МРС располагаются так, чтобы создать поперечное электрическому магнитное поле. Область поверхности мишени, расположенная между местами входа и выхода силовых линий магнитного поля, распыляется наиболее интенсивно.

Во время подачи отрицательного напряжения на мишень относительно анода будет возникать неоднородное электрическое поле и появляется аномальный тлеющий разряд. В результате чего возникает ионная бомбардировка, вследствие чего с поверхности мишени выбиваются атомы распыляемого материала, которые в дальнейшем формируют покрытие на подложке, и вторичные электроны. Эмитируемые электроны захватываются магнитным полем и движутся по замкнутым траекториям в скрещенных электрическом и магнитном полях. Электроны оказываются как бы в ловушке, создаваемой магнитным и электрическим полями. Они циклируют в этой ловушке, пока не произойдет несколько ионизирующих столкновений с нейтральными атомами рабочего газа. В результате чего электрон теряет полученную от электрического поля энергию и уходит на анод. Таким образом, большая часть энергии электрона используется для ионизации и возбуждения, что повышает эффективность процесса ионизации и концентрацию плазмы в районе катода [8].

Повышение плотности ионного тока достигается за счет локализации плазмы у поверхности катода, за счет этого также повышается плотность мощности на поверхности мишени. В результате этого увеличивается скорость распыления материала. Кроме того, при локализации плазмы возле мишени снижается уровень электронного воздействия на подложку, что позволяет снизить тепловую нагрузку на напыляемое покрытие. Благодаря этому ММР можно использовать для нанесения пленок на подложки из материала с низкой термостойкостью.

Необходимость получения тонких пленок сложного состава выдвигает новые требования к уже существующим методам магнетронного распыления. Реактивное магнетронное распыление проходит в среде реакционных газов. При реактивном распылении напускаемый реакционный газ активируется в магнетронном разряде, что способствует получению пленок сложного химического состава при распылении мишеней простого состава. Таким способом возможно напыление пленок Al₂O₃, AlN, TiO₂, TiN, SiO₂, Si3N₄ и др. Но реакционный газ оказывает влияние на состояние мишени и газовой среды в камере, что существенно снижает стабильность процессов напыления.

Использование МРС с химически активной газовой средой, сохраняя все основные преимущества магнетронного распыления (простоту аппаратуры, высокие скорости осаждения, низкую температуру подложки и др.), позволяет получать пленки самых различных химических соединений путем распыления металлических мишеней в среде химически активного газа (или смеси активного и инертного газов). В то же время наличие активной среды и высоких скоростей распыления мишени и осаждения пленки обусловливает взаимосвязь явлений, происходящих на подложке, в плазме разряда и на поверхности мишени. В результате этого при одинаковой мощности разряда и конструкции МРС скорость осаждения может различаться в 5-10 раз, а состав пленки в связи с этим может существенно изменяться [9].

2. Магнетронные установки

МРС подразделяются на несколько типов. В зависимости от формы мишени они делятся на: планарные, цилиндрические, конические. МРС могут иметь как сбалансированные, так и несбалансированные магнитные системы. В зависимости от вида электрического питания МРС делятся на постоянные, импульсные и высокочастотные.

В работах [10,11] указаны параметры процессов магнетронного распыления, характерные для многих современных установок МРС, эти параметры приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры процессов магнетронного распыления

МРС работают по общему принципу, который будет рассмотрен далее.

Основной частью такой установки является магнетронный узел. На рис. 1 представлен круглый планарный магнетрон с мишенью 3 в виде диска. Мишень припаивается на держатель мишени 4 легкоплавкими припоями In-Ga. Система охлаждения мишени состоит из полостей под держателем мишени, наполняемых проточной водой. На рисунке эти полости выделены штриховкой. Эта конструкция системы охлаждения обеспечивает настолько хороший теплоотвод, что при распылении составных мишеней не наблюдается плавления ее легкоплавких компонентов (Sn, Pb и т.д.). Под мишенью также располагаются постоянные магниты 5, связанные магнитомягким материалом 6. На поверхности мишени B = 0,04 - 0,06 Тл [14,15,16].

Работа на установке начинается с загрузки подложек 2 в нагреватель из тугоплавкого металла (Ta, V, Mo и т.п.) 1. В качестве подложек используются пластины или диски из Al₂O₃, ZrO₂, MgO, стекол, металлов и т.п. После этого вакуумную камеру 7 предварительно откачивают с помощью форвакуумного насоса 12 и паро-масляного насоса 11 до давления 10-6 Торр. Для того чтобы пары масла не попадали внутрь камеры 7, между паромасляным насосом и камерой установлена криогенная ловушка, охлаждаемая жидким азотом. Для этих же целей иногда используют вместо паромасляного насоса криосорбционные или турбомолекулярные насосы. Затем внутрь камеры 7 напускают рабочий газ - Ar (иногда Ne, He и т.д.) до давления ~ 1 Па. На следующем этапе подается постоянный ток 0,1 - 1 А и над мишенью-катодом зажигается разряд при напряжении 100 - 200 В. Осаждение материала предварительно производится на заслонку до стабилизации разряда, а затем заслонка открывается и проводится напыление пленок на подложки в течение 1 - 3 часов. Так как плазма локализуется вблизи поверхности мишени, то на ней формируется трек - область интенсивного распыления материала. Контроль температуры подложек осуществляется с помощью термопары или пирометра. После завершения напыления пленок образцы плавно охлаждают и извлекают из установки для дальнейших исследований.

Высокие скорости распыления повышают производительность процесса осаждения и адгезию наносимых пленок. К тому же, ис-пользование ранее разработанных методик позволяет производить напыление пленок на цилиндрические поверхности или ленточные образцы, а также проводить осаждение пленок с помощью подвижного магнетрона на подложки и ленты шириной 7 см. Подвижные магнетроны применяются для осаждения материала на ленты, полосы, протяженные поверхности и на подложки, находящиеся в нагревателях, работающих в разных температурных режимах. Подвижный магнетрон позволяет получить однородные покрытия с высокой воспроизводимостью структурных и электро-физических характеристик. Сочетание подвижного магнетрона с планетарным движением подложек позволяет покрывать пленками большую часть поверхностей произвольной формы [17].

Помимо плоского дискового магнетрона можно выделить следующие типы аналогичных устройств: прямоугольный плоский магнетрон, магнетрон с фасонной мишенью, полый магнетрон (поля располагаются внутри области магнетрона и, как правило, такие магнетроны используются для изготовления нитей или лент) и т.п.

На мишень высокочастотных (ВЧ) магнетронов подается переменное напряжение с высокой частотой (для ряда промышленных установок - 13,56 МГц). На таких установках можно распылять диэлектрики и полупроводники для получения защитных покрытий или для изготовления гетеропереходов. Реактивное распыление материалов (Nb, Ti) производится в среде Ar + N2 для того, чтобы получить пленки нитридов ниобия и титана. При распылении материала (Zn) в среде Ar + O2 получаются оксидные пленки ZnO с высоким удельным сопротивлением до 109 Ом см [18,19].

3. Влияние параметров процесса магнетронного распыления на свойства получаемых материалов

Тонкие пленки, получаемые методом магнетронного распыления находят применение во многих областях науки и техники. Однако, не каждый полученный материал может быть использован для той или иной цели. В случае получения полупроводниковых материалов важную роль играют их свойства, которые могут изменяться в зависимости от условий синтеза. Как уже упоминалось, метод магнетронного реактивного распыления позволяет получать сложные структуры с контролируемым составом. Этот факт достаточно важен для исследователя. Далее будет рассмотрено влияние различных параметров процесса на свойства полученных пленок.

Так, в работе [20] показано влияние ионной обработки и температуры синтеза на значение показателя преломления и толщину получаемых пленок, авторы установили, что снижение температуры процесса со 150 ? C до 25 ? C уменьшает толщину пленки с 520 нм до 240 нм при одинаковом количестве циклов, увеличение ионной обработки несколько снижает показатель преломления получаемых пленок.

Рисунок 1 - Схема установки для магнетронного распыления пленок с помощью магнетрона при постоянном токе 1) нагреватель; 2) подложки; 3) мишень; 4) держатель мишени; 5) магниты; 6) магнитопровод; 7) вакуумная камера; 8) блок питания магнетрона; 9) блок питания нагревателя; 10) азотная ловушка; 11) диффузионный насос; 12) форвакуумный насос; 13) натекатель

В.П. Афанасьев и др. в своей работе [21] показали влияние термообработки на свойства тонких пленок цирконата-титаната свинца. Авторы обнаружили, что увеличение температуры или времени отжига пленок приводит к появлению включений из оксида свинца, что уменьшает значение диэлектрической проницаемости и рост полей переключения, а также наличие узкого емкостного гистерезиса. Что позволяет использовать полученные пленки для создания управляемых электрическим полем конденсаторов.

Большое влияние на свойства пленок оказывает состав реакционного газа [22]. Установлено, что в газовых средах воздуха и смеси Ar+O₂ независимо от режима реактивного магнетронного распыления сплава 90%In+10%Sn на стеклянных подложках при комнатной температуре формируются аморфные пленки, которые обладают высокой (> 80%) прозрачностью и высоким линейным электросопротивлением (>106 Ом/см). На стеклянных подложках, нагретых до температуры 200 °С, формируются кристаллические пленки ITO с преимущественной ориентацией кристаллитов. Режим распыления влияет на степень совершенства текстуры: в режиме MF (импульсный режим) текстура пленок более совершенна независимо от состава рабочего газа. Кристаллические пленки, полученные в атмосфере воздуха в режиме DC (постоянный ток) при 200 °С, сохраняют высокую прозрачность, а их линейное электросопротивление существенно снижается (3?103 Ом/см) по сравнению с аморфными. Наименьшим линейным сопротивлением (30 Ом/см) обладают кристаллические пленки ITO, полученные в атмосфере Ar+O₂ в режиме MF, однако их прозрачность снижена до 40%. Улучшение электрических свойств пленок, осажденных на нагретые до 200 °С, может быть связано с повышением подвижности носителей заряда, обусловленным как релаксацией напряжений в пленках и формированием более совершенной текстуры, так и увеличением числа ионов олова в решетке In₂O₃ в электрически активном состоянии. Изменения оптических свойств пленок ITO с изменением температуры стеклянной подложки связаны с эффектом Бурштейна-Мосса. Значения ширины запрещенной зоны зависят от структурного совершенства пленок ITO и лежат в интервале 3,74 - 3,94 эВ: чем меньше структурное совершенство пленок, тем больше ширина запрещенной зоны.

В работе [23] показано влияние давления распыления на морфологические свойства получаемых пленок. Установлено, что давление распыления и расстояние до мишени могут изменить пространственную ориентацию кристаллической решетки получаемой пленки нитрида алюминия. При низком давлении и малом расстоянии получаются пленки с ориентацией 002, а при высоком давлении и большем расстоянии с 100. Также, на пространственную ориентацию оказывает влияние и мощность. Так, для 100 мощность процесса выше, чем для 002. При этом в обоих случаях соотношение алюминия к азоту близко к стехиометрическому.

Заключение

Процесс магнетронного распыления осуществляется при помощи магнетронных распылительных систем (МРС). В этих системах распыление материала происходит за счет бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа, образующегося в газе аномально тлеющего разряда. Существуют: магнетронное распыление на постоянном токе, на переменном токе, реактивное магнетронное распыление, ВЧ магнетронное распыление.

Общие принципы метода магнетронного распыления остаются постоянными, однако МРС подразделяются на несколько типов. В зависимости от формы мишени они делятся на: планарные, цилиндрические, конические. МРС могут иметь как сбалансированные, так и несбалансированные магнитные системы. В зависимости от вида электрического питания МРС делятся на постоянные, импульсные и высокочастотные.

По результатам анализа литературных данных установлено, что на процесс магнетронного распыления значительное влияние оказывают следующие факторы: тип процесса может изменять ориентацию полученных материалов, мощность ионной обработки обратно пропорциональна величине преломления получаемых пленок. Повышение температуры увеличивает толщину пленок. Большое влияние оказывает режим распыления, при импульсном режиме получаются аморфные пленки, однако в случае применения режима с постоянным током пленки становятся кристаллическими, а их сопротивление снижается.

Список использованных литературных источников

1. Оскирко В.О. Импульсный биполярный источник питания для магнетронных распылительных систем: дис. канд. техн. наук. 2006. 197 с.

2. И.А. Кузьмичев Магнетронные распылительные системы. - Киев.: Издательство Аверс, 2008. -244 с.

3. Prabakar, K. Visible light-active nitrogen-doped TiO2 thin films prepared by DC magnetron sputtering used as a photocatalyst / K. Prabakar, T. Takahashi, T. Nezuka // Renewable Energy. - 2008. - V. 33. - P. 277-281.

4. Cuong, N. Preparation of TiOxNy /TiN composites for photocatalytic hydrogen evolution under visible light / N. Cuong, D. J. Kim, B. D. Kang // Microelectronics Reliability. - 2007. - V. 47. - P. 752-754.

5. Lin, M. C. Fabrication and evaluation of electrochemical characteristics of the composite cathode layers for the anode supported solid oxide full cell / M. C. Lin L. S. Chang, H. Lin // Applied Surface Science.- 2008. - V. 254. - P. 3509-3516.

6. Severin, D. Increase of the deposition rate in reactive sputtering of metal oxides using a ceramic nitride target / D. Severin, O. Kappertz, T. Kubart // Applied Physics Letters. - 2006. -V. 8. - P. 161-164.

7. Glaser, A. Oxidation of vanadium nitride and titanium nitride coatings / A. Glaser, S. Surnev, F. Netzer // Surface Science.- 2007.- V. 601. - P. 1153-1159.

8. Данилин Б.С. Магнетронные распылительные системы / Б.С. Данилин, В.К. Сырчин // М.: Радио и связь. - 1982. - 72 с.

9. Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. М.: Атомиздат, 1987.

10. Сочугов Н.С. Ионно-плазменное оборудование и процессы нанесения тонкопленочных функциональных покрытий на подложки большой площади / дис. докт. тех. наук: 05.27.02 / Сочугов Николай Семенович. - Томск, 2012. - 405 с.

11. Kukla R. Magnetron sputtering on large scale substrates: an overview on state of the art // Surface and Coatings Technol. - Elsevier Science SA. - 1997. - V.93. - P. 1?6.

12. Барыбин А.А., Сидоров В.Г. Физико-технологические основы электроники. - СПб.: Издательство «Лань», 2001. - 272 с.

13. Технология тонких пленок: Справочник в 2-х томах/ Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга - М.: Сов. радио, 1977. - 664 с. и 770 с.

14. Майсел Л. Физика тонких пленок. - М.: Мир, 1968. -396 с.

15. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полу-проводниковых приборов и интегральных микросхем. - М.: Высш. шк., 1986. - 368 с.

16. Комник Ю.Ф. Физика металлических пленок. Размерные и структурные эффекты. - М.: Атомиздат, 1979. - 264 с.

17. Берлин Е.В. Сейдман Л.А. Получение тонких пленок реактивным магнетронным распылением. Москва.: Издательство Рекламно издательский центр «Техносфера», 2014. - 256 с.

18. Аброян, И. Я. Физические основы электронной и ионной технологии / И. Я. Аброян, А. Н. Андронов, А. И. Титов. - М.: Высшая школа, 1984. - 320 с.

19. Сравнение методов магнетронного и термического напыления защитного покрытия для ленточных высокотемпературных сверхпроводников второго поколения / С. А. Першиков, И. И. Акимов, Н. Н. Краснобаев, А. О. Титов, Д. А. Крюков, В. Б. Смирницкий // Альтернативная энергетика и экология: междунар. науч. журн. - 2012. - Т. 10. - с. 69-71

20. Зайцева Е.А. Влияние ионной обработки в процессе ВЧ магнетронного распыления на толщину и показатель преломления ITO пленок / Е.А. Зайцева, Р.М. Закирова, П.Н, Крылов и др. // Вестник Удмуртского университета. 2012. - Т. 2. - с. 1-5.

21. Афанасьев В.П. Влияние термообработки на свойства тонких пленок цирконата-титаната свинца, осажденных методом высочастотного магнетронного распыления / В. П. Афанасьев, Н.В. Мухин, Д.А. Чигирев //Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2011. - Т. 6. - с. 79-83.

22. Бажин А.И. Влияние режима магнетронного распыления и состава реакционного газа на структуру и свойства пленок ITO / А.И. Бажин, А.Н. Троцан, С.В. Чертопалов, А.А, Стипаненко и др. // Физическая инженерия поверхности. 2012. - Т. 10, -№. 4. - с. 342-349.

23. Xu, X. H. Morphological properties of AlN piezoelectric thin films deposited by DC reactive magnetron sputtering / Xu, X.-H., Wu, H.-S., Zhang, C.-J., & Jin, Z.-H. // Thin Solid Films. 2001. - V. 388. - I. (1-2). -P. 62-67.

Размещено на Allbest.ru