Магнетронное распыление

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«Южный федеральный университет»

Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения

ОТЧЁТ

О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Магнетронное распыление

*

1 Магнетронное распыление

Магнетронное распыление – метод нанесения материала (создания плёнки) на подложку в плазме магнетронного разряда.

Этот метод состоит в следующем. Есть вакуумная рабочая камера (вакуумированная до некоторого давления), в которой располагается специальная технологическая оснастка в том числе и магнетрон. В вакуумную камеру напускается рабочий инертный газ, например аргон. Этот газ также попадает в рабочее пространство магнетрона. Магнетрон представляет из себя специальный электроразрядный прибор, состоящий из двух электродов: анода и катода. На аноде магнетрона закрепляют подложку, на которую будет наноситься материал, источник которого расположен на катоде т.н. мишень. Катод имеет цилиндрическую форму, одно из оснований которого смотрит на анод, под другим располагают два постоянных магнита, один из которых кольцевой, а другой – цилиндрический. Эти магниты располагают под мишенью таким образом, как это показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Магниты магнетрона. Вид в профильное сечение

После напуска рабочего газа к электродам магнетрона прикладывают высокую разность потенциалов. После чего рабочем пространстве магнетрона начинаются протекать газоразрядные процессы. С катода эмитируются электроны, они соударяются с атомами аргона и с некоторой вероятностью могут их ионизовать. Возникшие ионы под действием электрических сил начинают двигаться к мишени, но на них также влияют и магнитные силы за счёт действия силы Лоренца, которая по правилу левой руки будет смещать в сторону перпендикулярную плоскости рисунка 1 и направленную в эту плоскость. Электроны же будут смещаться в противоположную сторону. Налетающий на (бомбардирующий) мишень ион, имея кинетическую энергию больше некоторой пороговой (~20–50 эВ), может выбить (эмитировать) атомы этой мишени, при этом чем больше эта энергия иона, тем больше вероятность того, что один ион атома аргона эмитирую больше одного атома мишени. С эмитированием атомов мишени может начаться также ударная эмиссия электронов из мишени, что увеличит разрядный ток. В результате этих процессов в межэлектродном пространстве зажигается магнетронный разряд (плазма) (разновидность аномального тлеющего разряда) (рисунок 2).

Эмитированные атомы мишени начинают свой свободный путь, который может закончиться на поверхности подложки, адсорбировавшись на ней, а может рассеяться на ионах или атомах плазмы и покинуть рабочую область, адсорбировавшись на стенках камеры или другой технологической оснастке. Возможен также вариант ионизации атома мишени. Тогда он под действием всё тех же электромагнитных сил может принять участие в бомбардировке мишени.

Рисунок 2 – Магнетронное напыление

Магнитные поля играют здесь следующую роль. Как уже было выяснено на электрон в магнитном поле действует сила Лоренца, которая перпендикулярна скорости электрона. Это ведёт к тому, что электрон траектория электрона приобретает вид циклоиды (в однородных полях – винтовой линии), по которой электрон движется, оборачиваясь вокруг магнитной лини. При достаточной величине магнитного поля электрон вернётся на катод с почти нулевой энергией и вновь начнёт ускоренное движение под действием электрического поля. Электрон дрейфует вдоль поверхности катода в направлении, перпендикулярном как электрическому, так и магнитному полю. Электрон находится в «ловушке», покинуть которую он может, только совершив столкновение с другой частицей. Тогда он перейдёт на новую траекторию, расположенную чуть дальше от катода и так до тех пор, пока не ослабнут поля, магнитное — за счёт удаления от полюсов магнитной системы, электрическое — за счёт плазменной экранировки. За счёт наличия ловушки многократно возрастает эффективность ионизации эмитированными электронами, что позволяет, в отличие от обычного диодного разряда, получать высокую плотность ионного тока, а значит, и высокие скорости распыления при относительно низких давлениях порядка 0,1 Па и ниже. Для того, чтобы ловушка работала эффективно, необходимо исключить утечку электронов на анод вдоль силовых линий магнитного поля, а траектории дрейфа должны быть замкнуты.

2 Достоинства и недостатки магнетронного напыления

Главными достоинствами магнетронных распылительных систем являются относительно высокие скорости осаждения и возможность получения равномерных по толщине плёнок на подложках большой площади.

К недостаткам можно отнести повышенную сложность реализации метода по сравнению с другими технологиями напыления. Неравномерная выработка мишени также является минусом: выработка материала мишени ведётся только вдоль канвы, которая расположена под скрещёнными полями, после полной выработки мишень приходит в негодность. Таже для этого метода нужно специальное оборудование для калибровки магнетрона и зажигания магнетронного разряда.

3 Магнетронное напыление на постоянном и переменном токах

Магнетронный разряд можно зажигать как при постоянной разности потенциалов, так и при переменной (т.н. высокочастотное магнетронное напыление). Если мы хотим напылять проводящий материал, то можно использовать как постоянный режим, так и переменный, но наибольшую эффективность для напыления проводников будет иметь постоянный режим.

Если же мы хотим наносить диэлектрик, то здесь придётся использовать только переменный режим. Это связано с тем, что при постоянном режиме диэлектрик в постоянном электрическом поле поляризуется и на его поверхности наведётся отрицательный заряд, который является т.н. связанным. Из-за этого ионы рабочего и остаточных газов адсорбируются поверхностью катода, но не рекомбинируют, поскольку заряды в диэлектрике связанные, а не свободные как в проводниках, они сильно связаны с атомами диэлектрика. В результате поверхность катода будет покрыта положительно заряженной плёнкой из атомов газа, что не позволит другим ионам разогнаться в электрическом поле магнетрона и начать эмиссию атомов мишени: они будут тормозиться положительной плёнкой катода. Чтобы избавиться от этой проблемы применяют переменное электрическое поле. Это приводит к тому, что диэлектрик попеременно поляризуется то положительным зарядом, то отрицательным из-за чего положительная плёнка десорбируется с катода за счёт электростатического отталкивания и это даёт возможность ионам газа ускориться и начать выбивать атомы диэлектрика. В этот момент зажигается высокочастотный магнетронный разряд.

Стандартной частотой такого разряда выбрано значение в 13,56 МГц.

Таганрог 2022