Методические указания по проведению лабораторных работ по курсу

процессы микро- и нанотехнологии

Для подготовки магистров по образовательной программе программе "Физическая электроника" по направлению 210100 – «Электроника и микроэлектроника».

С-Петербург 2010

Лабораторная работа 1

Осаждение пленок кислородосодержащих диэлектриков

Цель работы

1. Ознакомление с технологической установкой высокочастотного (ВЧ) магнетронного распыления (МР) многокомпонентных материалов и получение практических навыков работы на ней.

2. Изучение процесса магнетронного напыления многокомпонентных оксидов и его особенностей, а также факторов, влияющих на качество получаемых тонких пленок.

Основные положения

Основной особенностью систем МР является создание вблизи поверхности катода магнитного поля, линии которого параллельны поверхности катода и перпендикулярны линиям электрического поля. Индукция магнитного поля B обычно варьируется в пределах от 0.05 до 0.1 Тл. Наличие скрещенных электрического и магнитного полей вынуждает электроны совершать сложное циклоидальное движение. Удлинение траектории электронов приводит к повышению степени ионизации рабочего газа по сравнению с тлеющим разрядом и увеличению плотности тока разряда J₀ до 10²–10³ A/м². Соответственно, происходит и увеличение скорости распыления мишени, что является основным достоинством МР.

Повышение степени ионизации атомов рабочего газа позволяет понизить рабочее давление до 10–10^–2 Па, что приводит к уменьшению потока примесных атомов, приносимых рабочим газом. Рабочее напряжение U₀ магнетронных распылительных систем существенно ниже, чем у систем катодного распыления, и составляет 200–700 В.

Важным достоинством МР является отсутствие бомбардировки анода высокоэнергетическими электронами.

Перечисленные основные преимущества МР перед катодным распылением обусловили его более широкое распространение в современной технологической практике.

Рассмотрим некоторые особенности магнетронного распыления сложных оксидов. При МР сложных по стехиометрическому составу мишеней, таких как BaSrTiO₃ (BSTO), появляются новые критические параметры процесса: скорость осаждения (v₀) пленки и температура подложки (T), а уже рассмотренные (P, D, J) приобретают новое значение для электрофизических и кристаллографических свойств получаемых пленок сложных оксидов. Например, уменьшение рабочего давления приводит к бомбардировке подложки высокоэнергетическими частицами, что определяет размер зерна пленки, ее чистоту, стехиометричность и механические напряжения.

Профили распределения состава получаемой пленки могут быть рассмотрены в рамках механизма нелинейной диффузии, позволяющего рассматривать поток распыленных атомов как изменяющийся по законам нелинейной диффузии через хаотическую решетку атомов рабочего газа в пространстве дрейфа "мишень – подложка". Исследования энергетического воздействия на подложку при МР различных материалов в аргоне, неоне и криптоне показало, что существенный вклад в этот процесс вносят как конденсирующиеся распыленные атомы материала мишени, так и отраженные от мишени нейтрализованные ионы рабочего газа. Причем, чем меньше масса атома рабочего газа и больше масса атома материала мишени, тем интенсивней поток высокоэнергетичных отраженных частиц. С уменьшением рабочего давления возрастают как скорость конденсации, так и поток отраженных нейтрализованных ионов. Однако скорость конденсации возрастает быстрее.

Энергия распыленных атомов, конденсирующихся на подложку и бомбардирующих ее отраженными от мишени высокоэнергетичными нейтрализованными ионами, а также энергия конденсации являются основными источниками нагрева подложки в процессе МР.

Проблема снижения энергетического воздействия на подложку крайне актуальна при напылении высококачественных сложных оксидных пленок. Поскольку процесс напыления сложных оксидов проводится в кислородной среде, то подложка дополнительно подвергается бомбардировке отрицательными ионами кислорода.

Для устранения деградирующего воздействия в процессе осаждения на свойства сложных оксидных пленок высокоэнергетичных частиц используют повышенное давление, при котором за счет столкновений с атомами газа происходит термализация частиц в пространстве дрейфа "мишень – подложка".

Для оценки давления рабочего газа, при котором граница зоны термализации распыленных атомов X_т, на которой частицы потока достигают термодинамического равновесия с газом, не превышает расстояния дрейфа "мишень – подложка", можно использовать подход, принятый в кинетической теории газов и основанный на разбиении траектории движения частиц на области столкновений и участки между столкновениями. В реальных режимах ионно-плазменного распыления (ИПР) степень ионизации мала (<10^–3), поэтому плазму можно считать слабоионизованной и в силу этого ограничиться учетом столкновений распыленных атомов только с атомами рабочего газа. Можно также рассматривать только упругие столкновения, так как среднее значение энергии распыленных атомов при ИПР, как правило, не превышает 10 эВ и её недостаточно для возбуждения атомов рабочего газа. Вместе с тем, именно упругие столкновения дают наибольший вклад в рассеяние на большие углы. Но относительно распыления керамики сложных оксидов на основе BSTO это достаточно корректно, так как массы распыленных атомов превышают массы атомов рабочего газа. Кроме того, рассмотрение динамики только упругих столкновений существенно упрощает математическую процедуру описания процессов рассеяния.

Для оценки величины границы зоны термализации распыленных атомов – X_т можно использовать ее максимальное значение, определенное как произведение числа столкновений распыленных атомов в пространстве дрейфа "мишень – подложка" N на длину свободного пробега между ними :

.

Число столкновений распыленных атомов с атомами газа, в результате которых их энергия от начального значения E₀ уменьшается до значения Е_т – энергии теплового движения атомной подсистемы газоразрядной плазмы, равно:

,

где – коэффициент передачи средней энергии при упругом рассеянии распыленного атома с массой М_р.а на атоме газа с массой М_а.г.

Выражение для длины свободного пробега  атомных частиц в газовой среде имеет вид

,

где k – постоянная Больцмана; Т – температура атомной подсистемы газоразрядной плазмы; Р – давление рабочего газа;  – площадь микроскопического сечения упругого взаимодействия атомных частиц в газовой среде.

Для определения площади микроскопического сечения упругого взаимодействия атомных частиц  необходимо выбрать вид потенциала межатомного взаимодействия. Наиболее простой вид потенциал межатомного взаимодействия имеет в модели жестких сфер, в которой расстояние наибольшего сближения двух сталкивающихся частиц r_min при любых значениях прицельного параметра всегда равно сумме радиусов атомных частиц, что приводит к отсутствию зависимости сечения упругого взаимодействия частиц от энергии их относительного движения E₀. Применение потенциала жестких сфер дает завышенные в несколько раз значения микроскопического сечения упругого взаимодействия  распыленных атомов в газовой среде, особенно в молекулярных газах.

Наиболее эффективным является расчет микроскопического сечения упругого взаимодействия атомных частиц  в модели квазижестких сфер, где оно имеет вид

,

и, соответственно, длина свободного пробега  атомных частиц в газовой среде составляет

,

где r_min(E₀) – расстояние наибольшего сближения двух сталкивающихся атомных частиц.

В свою очередь, расстояние наибольшего сближения двух сталкивающихся атомных частиц r_min(E₀) можно получить из уравнения

,

где U_B–M(r) – потенциал межатомного взаимодействия Борна – Майера.

Этот чисто экспоненциальный потенциал взаимодействия Борна – Майера позволяет аналитически выразить зависимость расстояния наибольшего сближения двух сталкивающихся атомных частиц r_min от энергии их относительного движения E₀:

,

где Z_р.а и Z_а.г – порядковые (атомные) номера сталкивающихся распыленного атома и атома газа. Расстояние наибольшего сближения r_min(Е₀) при центральном столкновении (при нулевом прицельном параметре столкновения) определяет минимальное расстояние между двумя атомными частицами в точке остановки при инфинитном движении налетающей частицы.

В рамках этой модели квазижестких сфер микроскопическое сечение упругого взаимодействия атомных частиц  ~ 1 /  растет с уменьшением энергии их относительного движения Е₀ и достигает величины газокинетического сечения при тепловых энергиях столкновения. Потенциал взаимодействия квазижестких сфер с межатомным потенциалом Борна – Майера хорошо работает в области больших межатомных расстояний, которым соответствуют как малые значения энергии столкновения, так и большие значения прицельного параметра в широком диапазоне энергии столкновения атомных частиц.

Таким образом, при заданных составе мишени и сорте рабочего газа, рассчитав согласно приведенному выше алгоритму значения r_min(Е₀), (r_min) и N(E₀, T) для наиболее вероятного значения энергии распыленных атомов Е₀ = 0.5Е_св, можно получить оценку величины границы зоны термализации распыленных атомов, на которой распыленные атомы потока достигают термодинамического равновесия с атомами рабочего газа.

Анализ пространственного распределения распыленных атомов, проведенный в рамках механизма нелинейной диффузии, показывает, что тяжелые, относительно высокоэнергетичные атомы достигают подложки, практически полностью сохраняя направленное движение и энергию, полученные ими в плоскости мишени. В этом случае подложка в области, противоположной зоне эрозии мишени, бомбардируется направленным потоком атомов со средней энергией, соответствующей масштабу энергий связи атомов мишени. Направленные потоки легких и тяжелых, но низкоэнергетичных атомов достаточно быстро убывают, и их перенос на подложку обеспечивается диффузионными потоками атомов с энергией, соответствующей температуре атомной подсистемы плазмы.

Условие реализации диффузионного режима заключается в том, что граница зоны термализации распыленных атомов – X_т должна быть меньше пространства дрейфа "мишень – подложка" – d. Расчет максимальной границы зоны термализации распыленных атомов – X_т (Р) позволяет при заданном значении расстояния дрейфа d определить минимальное давление рабочего газа Р. С другой стороны, увеличение давления рабочего газа приводит к уменьшению скорости роста пленки, поэтому существует область оптимальных значений произведения Рd, соответствующих максимальной скорости напыления пленки.

При нанесении МР сложных оксидов-пленок повышение давления приводит, наряду со снижением количества высокоэнергетичных частиц, бомбардирующих растущую пленку, к изменению стехиометрического состава. Такое же воздействие оказывает и изменение температуры подложки. Например, содержание меди в пленке BSTO, напыленной в среде Ar + O₂ МР, уменьшалось с ростом давления, а также с увеличением концентрации кислорода в смеси и температуры подложки.

Описание лабораторной установки

Работа проводится на установке магнетронного распыления ВУП-ВН 3000. Её устройство и порядок работы изложены в техническом описании и инструкции по эксплуатации.

Задание на проведение лабораторной работы

1. Ознакомиться с основами процесса магнетронного распыления и его особенностями для сложных оксидов.

2. Ознакомиться с устройством и порядком работы на технологической установке МР сложных оксидов.

3. Измерить параметры технологического процесса, такие как U, I, P, d, T.

4. Оценить максимальную границу зоны термализации распыленных атомов X_т (давление рабочего газа Р задается преподавателем).

5. Сравнить вычисленные значения границы зоны термализации распыленных атомов X_т для каждого из компонентов распыляемой керамики BSTO.

6. Определить область оптимальных значений произведения Рd, соответствующих максимальной скорости осаждения пленки.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с устройством установки и порядком работы.

2. Ознакомиться с помощью преподавателя с условиями проведения и параметрами технологического процесса нанесения тонкопленочных покрытий. Параметры процесса: давление рабочего газа Р; напряжение разряда U_р; ток разряда I_р; температуру подложки Т_п – занести в таблицу.

   Р, Па	Up, B	Ip, A	tп, С

3. Измерить величину пространства дрейфа "мишень – подложка" распыленных атомов d.

4. Оценить максимальную границу зоны термализации распыленных атомов – X_т (давление рабочего газа Р задается преподавателем).

5. Сравнить вычисленные значения границы зоны термализации распыленных атомов X_т для каждого из компонентов распыляемой керамики BSTO.

6. Определить область оптимальных значений произведения Рd, соответствующих максимальной скорости напыления пленки.

Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие разделы:

1. Формулировка цели работы.

2. Краткое описание метода магнетронного распыления.

3. Таблица измеренных технологических параметров.

4. Расчет величины границы зоны термализации распыленных атомов для каждого из компонентов распыляемой керамики BSTO.

5. Определение области оптимальных значений произведения Рd, соответствующих максимальной скорости напыления пленки.

6. Выводы.

Контрольные вопросы

1. К какому классу методов принадлежит метод магнетронного распыления и в чем его особенность?

2. Каковы основные достоинства и недостатки метода МР?

3. Какие физические процессы происходят при МР?

4. Почему напряжение зажигания разряда при МР ниже, чем при катодном распылении?

5. Почему напряженность электрического поля в области газоразрядной плазмы незначительна?

6. Почему в газоразрядной плазме температура электронного компонента значительно превышает температуру ионного компонента?

7. Как влияет значение напряженности магнитного поля при МР на эффективность процесса распыления?