Дипломная работа: Усовершенствование блока управления и конструкции реактора установки вакуумного напыления

или с учетом (5)

= (1.9)

где - эффективный диаметр молекулы газа (=3,7 10^-10 м).

Из выражения (9) следует, что значение зависит от степени вакуума (при p = 1,33 Па = 4,7 мм, при p = 1,33 10^-2 Па = 47 см). Это обусловливает конструктивные параметры рабочей камеры при получении молекулярного (атомарного) потока. В частности, расстояние подложки от испарителя должно быть всегда меньше .

После столкновения атомов паровой фазы с подложкой могут происходить три явления: адсорбция, приводящая к окончательному оседанию атома, адсорбция, приводящая к реиспарению через некоторое время, отражение сразу после столкновения. Отражение обычно имеет небольшую вероятность. Вероятность реиспарения в единицу времени

(1.10)

где f - частота колебаний адсорбированного атома; Е_а - энергия активации адсорбции или энергия связи адсорбированного атома с поверхностью; Т_п - температура подложки.

Как видно из (10), для уменьшения реиспарения необходимо, чтобы Е_а » kT_п , что достигается определенным значением температуры подложки.

[3.стр. 64]

1.1.2. Катодное распыление

Данный метод нанесения пленок основан на явлении разрушения катода при бомбардировке его ионизированными атомами разреженного газа. Атомы, вылетающие с поверхности катода при его разрушении, распространяются в окружающем пространстве и конденсируются на подложке.

Физическая сущность катодного распыления состоит в следующем. Между двумя электродами (анодом и катодом), находящимися в газе при небольшом давлении (10² - 1 Па), при подаче постоянного напряжения возникает тлеющий разряд, сопровождающийся эмиссией электронов из катода. В основной области тлеющего разряда - темном катодном пространстве, где сосредоточено максимальное электрическое поле, происходит ускорение электронов до энергии ионизации газа, что необходимо для поддержания разряда. Ионы газа ускоряются в при катодной области и бомбардируют катод. Энергии бомбардируемых ионов недостаточно для выбивания атомов из катода; они только увеличивают частоту колебаний атомов. Эти колебания передаются более эффективно по направлению наиболее плотно упакованных атомных рядов кристаллической решетки, в том числе и по направлению поверхности катода. В результате наложения многих колебаний поверхностный атом может получить от соседних атомов энергию, достаточную для преодоления силы связи. В этом случае атом вылетает с поверхности катода. Одновременно в результате бомбардировки происходит эмиссия электронов из катода.

Количество вещества катода Q, распыляемого в единицу времени, определяется выражением

Q = k (1.11)

где k - коэффициент пропорциональности; U - приложенное напряжение; U_k - напряжение критического катодного падения; i - сила ионного тока; р - давление; d - ширина темного катодного пространства.

Скорость распыления определяется коэффициентом катодного распыления - количеством атомов, покидающих катод, на каждый бомбардирующий его ион, что зависит от материала, энергии и угла падения иона.

Коэффициент катодного распыления рассчитывают на основании экспериментальных данных по формуле

s = A₀ Q (1.12)

где Z - атомный номер иона; А - атомный вес вещества.

Распределение частиц по направлениям вылета подчиняется закону косинуса. Только небольшая доля частиц достигает подложки прямолинейно. Средняя длина свободного пробега в вакууме при остаточном давлении 10^-1 Па не превышает нескольких миллиметров, поэтому частицы металла теряют свою энергию при столкновении с молекулами и ионами остаточного газа и достигают подложки в результате диффузии. Для получения равномерной по толщине пленки градиент концентрации атомов металла в диффузионном слое должен быть всегда направлен перпендикулярно подложке. Это требует параллельного расположения подложки по отношению к катоду. При конденсации подложка не нагревается.

Различают физическое и реактивное катодное распыление. При физическом распылении отсутствует химическая реакция; в качестве рабочих газов используют аргон или азот. Реактивное распыление основано на введении дополнительного (реактивного) газа, который взаимодействуя с конденсируемыми атомами на подложке, способствует получению пленок с различными свойствами.

Системы для нанесения пленок катодным распылением, в которых мишень из распыляемого материала является катодом, а держатель подложек - анодом, называются двухэлектродными или диодными. Схема установки для нанесения пленок катодным распылением приведена на рис.1 . Подложки 5 помещают на металлическую (обычно алюминиевую) пластину (анод) 6. Катодом 3 служит пластина, сетка или решетка, изготовленные из материала, подвергаемого распылению. Подложки помещают на определенном (в зависимости от условий распыления) расстоянии от катода. Из объема установки откачивают воздух. Напыление пленки производят при давлении 1,3-13 Па в остаточной атмосфере воздуха или в инертном газе, чаще всего в аргоне. Для зажигания тлеющего разряда между катодом и анодом через ограничительный резистор подается высокое напряжение (1-20 кВ).

Для получения оптимальных условий распыления подбирают соответствующее соотношение между тремя величинами: расстоянием между катодом и анодом, приложенным напряжением и давлением газа.

Рисунок 1. Камера для катодного распыления

1.1.3. Ионно-плазменное напыление

Ионно-плазменный метод нанесения пленок является разновидностью катодного распыления, но в отличие от последнего распыление осуществляется не бомбардировкой катода возбужденными ионами тлеющего разряда, а бомбардировкой специальной мишени ионами плазмы газового разряда.

Рисунок 2. Схема установки ионно-плазменного распыления

Системы для ионно-плазменного напыления пленок называют трехэлектродными или триодными. На рис.2 показана схема установки для распыления материалов в плазме газового разряда низкого давления с искусственным катодом. В верхней части вакуумного колпака помещается анод 4, в нижней - вольфрамовый катод 7. Третьим электродом или зондом Лэнгмюра служит мишень 5, используемая в качестве источника распыляемого материала. Подложка 2 является электродом, на поверхности которого конденсируется распыляемый материал. Печь 3 служит для подогрева подложки. Перед подложкой установлен подвижный экран 1, а рядом с мишенью - неподвижный экран 6. Камеру с помощью паромасляного диффузионного насоса откачивают до давления 1,3 10^-4 Па, подогревают подложку и включают ток накала на катод. Катод разогревается до температуры, достаточной для получения термоэлектронного тока высокой плотности (порядка нескольких ампер на квадратный сантиметр); между накаленным катодом и анодом прикладывают напряжение. После этого в камеру поступает инертный газ при давлении 1,33 (10^-2 - 10^-1 ) Па.

Зажигание разряда осуществляют с помощью высокочастотного трансформатора Тесла, а при достаточно большом термоэлектронном токе разряд возникает сам или требуется лишь небольшое дополнительное повышение анодного напряжения. После возникновения разряда разрядный ток достигает нескольких ампер, а напряжение на аноде падает до 60-40 В, т.е. для разряда характерна падающая вольтамперная характеристика.

Возникающие в разряде положительные ионы с низкой энергией бомбардируют подложку и удаляют с ее поверхности большую часть слабосвязанных загрязнений путем нагрева и «ионного травления». После этого на источник распыляемого материала (мишень) подается отрицательный потенциал. Вытягиваемые из плазмы разряда положительные ионы бомбардируют мишень с энергией, достаточной для распыления атомов материала мишени. При больших энергиях бомбардирующих ионов выбитые из мишени атомы движутся преимущественно в направлении, перпендикулярном ее поверхности, и могут быть сконденсированы на поверхности подложки, находящейся напротив мишени. Подвижный экран позволяет одновременно или последовательно предварительно очищать поверхности подложки и мишени путем распыления поверхностных загрязнений. Качество очистки поверхности мишени и особенно подложки является одним из важнейших факторов в процессе формирования пленки из конденсирующего распыленного материала.

Большим преимуществом ионно-плазменного напыления является его универсальность. С одинаковым успехом могут быть распылены металлы с различными свойствами, например вольфрам и золото. Такие сплавы, как нихром, пермаллой и нержавеющая сталь, распыляются без изменения их состава. Сложные (сплавные) пленки, состоящие из двух или нескольких металлов, можно изготовлять также одновременным распылением нескольких независимых мишеней.

Метод ионно-плазменного напыления является наиболее распространенным в производстве ИМС для получения пленок из материалов с различными свойствами. [3.стр. 127]

1.2. Вакуумные системы и их элементы

Вакуумное оборудование для нанесения тонких пленок так же, как оборудование для откачки ЭВП, может быть разделено на следующие группы: вакуумные установки непрерывного действия; вакуумные установки непрерывного действия и конвейерные линии непрерывного действия.

Установки периодического действия колпакового типа наиболее распространены в промышленности. Однако контактирование довольно сложного подколпачного устройства установки с атмосферным воздухом после подъема колпака, а также невозможность прогрева колпака затрудняют получение давления меньше 1 10^-4 Па. Производительность таких установок также невелика из-за значительного вспомогательного времени, необходимого для получения рабочего давления.

Стремление повысить производительность оборудования, а также обеспечить одинаковые условия для изготовления изделий привело к созданию автоматизированных установок непрерывного действия с шлюзовой загрузкой. Непрерывная подача изделий в рабочую камеру устраняет необходимость в остановке работы вакуумной системы и сообщении рабочей камеры с атмосферным воздухом при переходе от одной партии изделий к другой.

Благодаря этому резко сокращается вспомогательное время, обеспечивается однородность технологического процесса и повышается производительность труда.