Электронно-лучевое напыление тонких плёнок

Испарение материалов с помощью резистивных испарителей, применяемое во многих установках термовакуумного напыления, имеет ряд существенных недостатков: загрязнение плёнок материалом испарителя (тигля), ограничения мощности испарителей и невозможность вследствие этого производить испарение тугоплавких металлов, сложности при испарении химически активных и многокомпонентных материалов. Всё это существенно ограничивает возможности метода. Применение электронного луча позволяет устранить эти ограничения и недостатки и значительно расширяет возможности метода термовакуумного напыления.

Принцип электронно-лучевого испарения состоит в том, что поток ускоренных электронов, эмитируемых электронной пушкой, бомбардирует поверхность испаряемого вещества, в результате чего оно разогревается локально, в месте воздействия луча, до температуры испарения и распространяется в соответствии с законом косинуса в окружающем пространстве с последующим осаждением на поверхность подложки [4].

Электронно-лучевой разогрев обеспечивает наибольшую гибкость метода (рис. 3.3, 3.4). Лучшие результаты при напылении получаются, если испаряемый материал размещается в небольшом углублении охлаждаемого водой медного тигля. Электронный ток 100–500 мА эмитируется вольфрамовым катодом электронной пушки, находящейся вне поля прямого видения со стороны испаряемого вещества, и ускоряется высоким напряжением 3–10 кВ. Электронный луч с помощью магнитного поля отклоняется на поверхность испаряемого вещества, которое локально плавится. Многокомпонентные соединения при испарении диссоциируют, сначала испаряются компоненты с более низкой температурой испарения. Для преодоления этого эффекта различные компоненты соединения испаряются из отдельных источников со скоростями, соответствующими молекулярному составу конденсата.

Рис. 3.3. Схема системы испарения с поворотом электронного луча на 270º в магнитном поле	Рис. 3.4. Подколпаченное устройство установки электронно-лучевого напыления с медным тиглем фирмы FerroTec (Германия)

Задание на выполнение лабораторной работы

1. Изучить технику и технологию термовакуумного получения тонких плёнок терморезистивным и электронно-лучевым методами.

2. Изучить методы контроля толщины тонких плёнок.

3. Изучить последовательность операций нанесения тонких плёнок терморезистивным методом.

4. Произвести напыление тонких плёнок терморезистивным методом из материалов, указанных преподавателем.

5. Определить толщину полученной плёнки.

6. Cделать отчёт по лабораторной работе.

Порядок выполнения работы

1. Подготовить установку вакуумного напыления к работе в соответствии с пп. 1–9 лабораторной работы № 2.

2. Поднять колпак вакуумной установки, нажав кнопку на передней панели установки.

3. Снять верхний экран и уложить пинцетом в испаритель навеску материала, подготовленную для напыления.

4. Уложить подложку в кассету для напыления, кассету уложить в гнездо кассетодержателя над испарителем.

5. Включить прибор для измерения толщины плёнки, проверить его работоспособность по наличию на экране показаний датчика (частоты кварцевого резонатора).

6. Опустить колпак на подколпачную плиту.

7. Откачать рабочий объём до высокого вакуума Р_ост.~ 2…5·10^–5 мм рт. ст.

8. Произвести напыление плёнки, включив тумблер соответствующего испарителя на передней панели блока управления установки и установив значение тока до величины, заданной преподавателем. Толщину плёнки контролировать до заданного значения по шкале прибора КИТ.

9. Выключить испаритель, ионизационный датчик давления, напустить через 5 минут воздух в рабочую камеру, открыв клапан напуска воздуха на боковой стенке камеры.

10. Поднять колпак, вынуть из кассетодержателя подложку, оценить результат.

Содержание отчёта

1. Привести схему установки термовакуумного напыления.

2. Привести последовательность операций.

3. Привести основные параметры техпроцесса термовакуумного напыления.

4. Привести методы контроля тонких плёнок по толщине в процессе напыления.

5. Выводы.

Вопросы по лабораторной работе

1. Физическая сущность метода термовакуумного получения тонких плёнок.

2. Методы реализации термовакуумного получения тонких плёнок: терморезистивное и электронно-лучевое напыление.

3. Методы контроля толщины тонких плёнок в процессе напыления.

4. Области применения термовакуумных методов получения тонких плёнок.

Лабораторная работа № 4

Магнетронное осаждение тонких плёнок

Цель работы: изучение техники магнетронного осаждения тонких плёнок.

К процессам ионного распыления относятся: катодное (диодная система); ионно-плазменное (триодная система); с помощью сфокусированных ионных пучков; магнетронное.

Основными достоинствами методов ионного распыления материалов являются: возможность осаждения практически всех материалов современной микроэлектроники, в том числе различных соединений (нитридов, оксидов и т. д.) при введении в газоразрядную плазму реакционно-способных газов (реактивное распыление); высокая адгезия получаемых пленок к подложкам; однородность пленок по толщине; очистка поверхности подложек с помощью ионной бомбардировки как перед, так и в процессе осаждения пленки.

Магнетронное осаждение тонких плёнок относится к ионно-плазменному методу получения тонких плёнок [3]. Несмотря на большое разнообразие модификаций магнетронов, все они включают следующие основные элементы: водоохлаждаемый катод, магнитный блок и анод. В кольцевом планарном маг­нетроне (рис. 4.1, 4.2) все элементы смонтированы в корпусе 18, присоединяемом к рабочей камере через промежуточное изолирующее кольцо 2 и фланец 4 с вакуумными уплотнительными прокладками 1 и 3. Дискообразная мишень-катод 19 охлаждается проточной водой по трубкам 14 и 17. Напряжение, подаваемое на катод через зажим 16, находится в диапазоне 300–700 В. Под катодом расположен магнитный блок, состоящий из центрального 15 и п ериферийных 12 постоянных магнитов, закреплённых на основании блока 13, изготовленного из магнитомягкого материала. Магнитный блок создаёт над поверхностью катода ду­гообразное неоднородное магнитное поле 11 порядка 0,02…0,05 Тл. Составляющая этого поля перпендикулярна плоскости катода. Над катодом располагается кольцевой анод 10, который может быть под потенциалом земли, либо под некоторым по­ложительным смещением 30…100 В относительно катода и обеспечивает образование электрического поля 9. Составляющая этого поля перпендикулярна плоскости катода. При подаче отрицательного потенциала на катод в прикатодной области образуется зона со скрещенным неоднородным электромагнитным полем. Появившиеся в этой зоне электроны совершают сложные движения под действием скрещенных полей, участвуя в многократных (жёстких) ионизирующих столкновениях с молекулами рабочего газа (например, аргона). В результате этого над поверхностью катода возникает торообразная область плазмы 5. Геометрия плазменного образования определяется формой неоднородного магнитного поля над поверхностью катода. Положительные ионы, образовавшиеся в разряде, ускоряются в направлении катода и бомбардируют поверхность мишени, расположенной на катоде, выбивая из неё частицы материала и образуя в результате распыления зону эрозии 8. Покидающие мишень частицы распространяются в окружающем пространстве в соответствии с законом косинуса, т. е. по направлениям, близким к нормали поверхности, генерирующей эти частицы, и осаждаются на подложки, расположенные на расстоянии 50–70 мм от катода в виде плёнки 7 на подложке 6, а также частично рассеиваются молекулами остаточных газов и осаждаются на стенках рабочей камеры. Плотность плазмы в разряде и интенсивность эрозии мишени максимальны в области, где магнитные силовые линии имеют направление, близкое к параллельному относительно катода. При бомбарди­ровке поверхности мишени проявляются два основных эффекта: вторичная электронная эмиссия и ионное (катодное) распыление материала мишени. Вторичная эмиссия служит для поддержания разряда, а распыляемые частицы формируют плёночный осадок на подложках.

Такое устройство позволяет, в отличие от обычного диодного распылительного устройства, получить высокую плотность ионного тока, а значит, и высокие скорости распыления при относительно низких давлениях рабочего газа порядка 10^–1Па и ниже. Разряд в магнетроне характеризуется ярким свечением, эта область яркого свечения является основной зоной изменения энергии электронов.

На рис. 4.3 изображена современная установка магнетронного и электронно-лучевого напыления.

Рис. 4.3. Современная установка магнетронного и электронно-лучевого напыления