Оптическое управление расходом реактивного газа в процессах магнетронного нанесения покрытий

Осаждение пленочных покрытий сложного химического состава (оксидов, нитридов, металлов). Проблема магнетронного осаждения. Исследование влияние нестабильности мощности и давления магнетронного разряда на процесс осаждения пленок, результаты экспериментов.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет радиофизики и компьютерных технологий

Кафедра физической электроники и нанотехнологий

Магистерская диссертация

Тема: Оптическое управление расходом реактивного газа в процессах магнетронного нанесения покрытий

Минск 2012



Реферат

Объектом исследований является плазма магнетронного разряда в процессах формирования пленок оксида и нитрида титана, нанесенных методом магнетронного распыления при различных условиях проведения процесса. Цель работы - сравнить алгоритмы оптического управления процессом реактивного магнетронного напыления с точки зрения их устойчивости к нестабильности мощности и давления на примере нанесения пленок оксида и нитрида титана стехиометрического состава.

Описана установка, проанализированы особенности метода реактивного магнетронного осаждения. Рассмотрены методы управления расхода реактивного газа при магнетронном осаждении пленок оксида и нитрида титана. Пояснены зависимости, установлены коэффициенты пропорциональности между относительным изменением состава осаждаемого потока, скоростью осаждения и относительной нестабильностью мощности и давления.



Содержание

Введение

1. Магнетронное осаждение пленочных покрытий

1.1 Осаждение пленок металлов

1.2 Осаждение пленочных покрытий сложного химического состава (оксидов, нитридов, карбидов металлов)

1.3 Проблема магнетронного осаждения

1.4 Управление процессом магнетронного осаждения

2. Сравнительное исследование устойчивости алгоритмов оптического управления магнетронным распылением к нестабильности мощности и давления магнетронного разряда.

3. Исследование влияние нестабильности мощности и давления магнетронного разряда на процесс осаждения пленок

3.1 Описание экспериментальной установки

3.2 Методика и результаты экспериментов

Заключение

Список литературы



Введение

Магнетронные распылительные системы, принцип работы которых основан на физическом распылении материала мишени (катода) при газовом разряде в скрещенном электрическом и магнитном полях, считаются наиболее перспективными устройствами для нанесения тонкопленочных покрытий сложного химического состава, в частности, оксидов, нитридов, карбидов, карбонитридов и т.д. различных материалов. Достоинствами таких устройств является: относительно высокие скорости нанесения, высокая степень сцепления покрытия с подложкой, возможность получения равномерных по толщине покрытий на большой площади подложки, возможность получения пленок химических соединений заданного состава. Формирование пленок при магнетронном распылении происходит из потоков частиц, образованных как в низкотемпературной плазме разряда, так и в результате физического распыления материала мишени. По этой причине свойства и структура покрытий определяются, в первую очередь, состоянием и параметрами плазмы магнетронного разряда: химический и компонентный состав; плотность, кинетическая и потенциальная энергия частиц.

Максимально насыщенную информацию о состоянии и параметрах плазмы разряда, ее неустойчивости и динамике переходных процессов дает эмиссионный оптический спектр. Использование интенсивности элементов эмиссионного спектра для разработки способов и устройств управления состоянием плазмы, следовательно, свойствами покрытий, позволяет достичь высоких качественных результатов в технологии вакуумно-плазменного нанесения. Разработанные к настоящему времени системы оптического управления позволяют реализовать различные алгоритмы управления расходом рабочих газов. На практике процессы реактивного магнетронного осаждения проводятся в условиях непостоянства мощности магнетронного разряда и давления в вакуумной камере. По этой причине актуальность приобрел вопрос о сравнении алгоритмов оптического управления с точки зрения их устойчивости к нестабильности мощности и давления.

Цель работы:

Сравнить алгоритмы оптического управления процессом реактивного магнетронного напыления с точки зрения их устойчивости к нестабильности мощности и давления на примере нанесения пленок оксида и нитрида титана стехиометрического состава.



1. Магнетронное осаждение

1.1 Осаждение пленок металлов

Магнетронные распылительные системы (МРС) считаются наиболее перспективными устройствами для нанесения тонкопленочных покрытий сложного химического состава, в частности, оксидов, нитридов, карбидов, карбонитридов и т.д. различных материалов. Достоинствами таких устройств является: относительно высокие скорости нанесения, высокая адгезия покрытия, возможность получения равномерных по толщине покрытий на большой площади подложки, возможность получения пленок химических соединений заданного состава.

Принцип работы магнетронных распылительных систем при нанесении пленочных покрытий.

Рис.1 - Структура магнетронной распылительной системы



Принцип работы магнетронных распылительных систем основан на физическом распылении материала мишени (катода) в тлеющем газовом разряде в скрещенном электрическом и магнитном полях. Особенности функционирования магнетронных распылительных систем (МРС): наличие скрещенных электрического и магнитного полей; локализация электронов в области катода (обусловлено максимальной напряженностью магнитного и электрического полей в области катода); увеличение степени ионизации плазмы разряда за счет увеличения длины траектории электронов. [1,13]

Физические процессы при нанесении пленок магнетронным распылением. Тлеющий разряд на постоянном токе зажигается между катодом и анодом в среде инертного газа (чаще всего аргона) при пониженном давлении 0,1 - 1 Па. Такая величина давления выбирается из условия, что длина свободного пробега электронов плазмы разряда значительно меньше расстояния катод - анод. Это приводит к непрерывному возобновления заряженных частиц (электронов и ионов) в разряде путем ударной ионизации нейтральных атомов в электрон-атомных столкновениях. При отсутствии магнитного поля ионы аргона ускоренно движутся к катоду, приобретая энергию, близкую к разности потенциалов катод - анод. При разности потенциалов в сотни вольт - единицы кВ происходит интенсивное физическое распыление катода. Распыленные нейтральные частицы материала катода, покидая катод с энергией единицы - десятки эВ, осаждаются на подложку или стенки вакуумной камеры, образую там пленочное покрытие. Относительно большая энергия распыленных частиц по сравнению с энергией частиц при термическом испарении вносит свои особенности в процесс формирования покрытиях[9].

Относительно высокая энергия конденсирующихся частиц и наличие активирующего воздействия на подложку (основной вклад вносит ионная бомбардировка) привели к следующим особенностям формирования пленок:

- образование переходного слоя (ПС) на границе раздела пленка подложка;

- сплошные пленки образуются при их минимальных толщинах, причем обладают меньшим размером зерен и большей плотностью, чем термически нанесенные;

- рост пленки происходит при любой плотности потока конденсирующихся частиц на подложку.

Образование ПС, т. е. отсутствие резкой границы между материалом пленки и подложки, обусловлено частичным внедрением распыленных частиц в подложку, Наличие ПС приводит к высокой адгезии пленки. При образовании ПС происходит изменение электрофизических параметров контакта. Можно получить невыпрямляющие контакты к легированным полупроводникам без высокотемпературной обработки, снизить переходное сопротивление контакта. Указанные выше особенности формирования пленок обусловлены активирующим воздействием плазмы, приводящим к высокой плотности зародышеобразования на поверхности подложки.

При наложении на плазму разряда магнитного поля (рис.1) в области катода возникают зоны со скрещенными магнитным и электрическим полем. Величина магнитного поля выбирается из условия: ларморовский (циклотронный) радиус вращения электронов значительно меньше расстояния катод - анод. Это соответствует индукции магнитного поля 0,02 - 0,08 Т. Электроны плазмы, а также электроны, эмитированные из катода в результате ион-электронной эмиссии, попадают в ловушку. Траектория их движения к аноду резко увеличивается. Это приводит к возрастанию числа электрон-атомных столкновений и в результате к возрастанию степени ионизации (числа ионов и электронов) и возбуждения плазмы в зонах скрещенных полей. В итоге возрастает ионный поток на катод, скорость распыления катода и скорость осаждения покрытия. В тоже время магнитное поле практически не влияет на характер движения ионов, так как их ларморовский радиус при указанных индукциях намного больше расстояния катод - анод .

Скорость распыления возрастает с увеличением мощности разряда и имеет максимум в зависимости от давления инертного газа. Максимум достигается при давлениях 0,5 - 0,8 Па. Рост скорости с изменением давления от 0,1 до 0,5 Па обусловлен ростом плотности ионного потока на поверхность мишени....