Разделы сайта

Оптимизация процесса напыления материала в магнетронной системе распыления

Оптимизировать процесс напыления материала в магнетронной системе распыления: определить расстояние от поверхности мишени, на котором можно получить заданную толщину напыляемой пленки с требуемой неравномерностью при максимально возможной скорости напыления.

Таблица 1. Вариант задания

№ варианта

Материал

Толщина пленки, мкм

Диаметр пластины, мм

Неравно-мерность, ± %

Радиус распыления, см

Ток разряда, А

4

Cu

0,3

100

3

6,5

7

Примечание: 1. Рабочий газ - Ar.

2. Ширина кольца распыления - 0.5 см.

магнетронный распыление ионный испаритель

Какой эффект лежит в основе магнетронного распыления материалов?

Метод магнетронного распыления материалов является разновидностью ионно-плазменного распыления. Распыление материала в этих системах происходит за счет бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа. Скорость распыления в магнетронной системе в 50¼100 раз выше по сравнению с обычным ионно-плазменным распылением. Высокая скорость распыления материала в магнетронной системе распыления определяется высокой плотностью ионного тока на мишень. Высокая плотность ионного тока достигается за счет локализации плазмы у поверхности мишени с помощью сильного поперечного магнитного поля.

Из каких основных элементов состоит магнетронная система распыления?

Рис. 1. Схема магнетронной системы распыления:

- мишень; 2 - магнитная система; 3 - зона распыления; 4 - магнитные силовые линии; 5 - поток распыляемого вещества; 6 - подложка; 7 - подложкодержатель.

Схема магнетронной системы распыления показана на рисунке 1. Основными элементами системы являются мишень 1 и магнитная система 2. Магнитные силовые линии 4 замкнуты между полюсами магнитной системы. Между мишенью 1 и подложкодержателем 7 прикладывается электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий разряд.

От чего зависит скорость распыления материала при ионной бомбардировке?

Замкнутое магнитное поле у поверхности мишени локализует разряд вблизи этой поверхности. Положительные ионы из плазмы аномального тлеющего разряда ускоряются электрическим полем и бомбардируют мишень (катод). Под действием ионной бомбардировки происходит распыление мишени. Электроны, эмитированные с катода под действием ионной бомбардировки, попадают в область скрещенных электрического и магнитного полей и оказываются в ловушке. Траектории движения электронов в ловушке близки к циклоидальным. Эффективность ионизации и плотность плазмы в этой области значительно увеличивается. Это приводит к повышению концентрации ионов у поверхности мишени, увеличению интенсивности ионной бомбардировки мишени и к значительному росту скорости распыления мишени.

От каких параметров зависит коэффициент распыления в теории Зигмунда?

Согласно теории Зигмунда для аморфных и поликристаллических материалов для низких энергий ионов до 1 кэВ коэффициент распыления определяется следующим выражением:

, (1)

где Ми и Ма - атомные массы ионов и атомов мишени, г/моль;

Еи - энергия падающих ионов, эВ;

Есуб - энергия сублимации атомов мишени, эВ;

a - безразмерный параметр, зависящий от Ми/Ма.

Какие допущения делаются при построении модели кольцевого испарителя?

При построении модели скорости осаждения пленки путем распыления материала из кольцевого испарителя сделаем следующие допущения:

распыленные атомы распределяются в пространстве по закону косинуса;

распыленные атомы не сталкиваются друг с другом и с атомами рабочего газа;

распыленные атомы осаждаются в точке соударения с подложкой.

Рис. 2. Геометрическая схема модели мишень-подложка.

Расчеты

Согласно варианту распыляемый материал - титан. В таблице 3.1 приведены дополнительные характеристики этого материала, необходимые для расчета кольцевого испарителя.

Таблица 2. Характеристики материала, необходимые для расчета.

Материал

Атомный номер Z

Атомная масса М, г/моль

Энергия сублимации Ес, эВ

Плотность r, г/см3

Cu

29

63.5

3.56

8.96

Для расчета также необходимы характеристики рабочего газа (аргона):

- Атомный номер иона = 18;

Атомная масса иона = 40 г/моль;

Энергия иона = 350 эВ.

Определяю значение безразмерного коэффициента . Для этого нахожу численное значение отношения атомной массы материала мишени к атомной массе рабочего газа:

Ма /Мu=1.59, где Ми и Ма - атомные массы ионов и атомов мишени, г/моль.

Рис 3. Зависимость параметра a от отношения Ма /Ми

По графику на рис. 3 находим = 0.33, затем находим коэффициент распыления из следующего выражения:

Плотность ионного тока вычисляется по формуле:

,

Где - плотность ионного тока в сечении, перпендикулярном направлению падения ионов, А/см2;

- ток разряда, равен 6А (по условию);

- площадь кольца распыления. Она определяется следующим выражением:

=19.633см2.

Здесь - радиус распыления (по условию 5 см), - ширина кольца распыления (по условию 0.5 см).

Таким образом, плотность ионного тока будет равна: jи=0.337 А/см2

Определим скорость распыления по формуле:

3.065×10-5 см/с,

где е - заряд электрона (1.6х10-19 Кл);А - число Авогадро (6.023х1023 атом/моль).

С помощью программы MathCAD построим контурный график распределения толщины напыляемой пленки от радиуса пластины и расстояния до испарителя. Контурный график будем строить для радиуса пластины чуть больше заданного (r меняется в диапазоне от минус 5 до плюс 5 см) и для расстояния между пластиной и испарителем Н от 1 до 16 см.

Первоначально зададим время испарения равным 2500 секунд:

Рис. 4. Контурный график распределения толщины напыляемой пленки от радиуса пластины и расстояния до испарителя при = 2500с.

Из графика на этом рисунке видно, что наиболее равномерную пленку напыляемого материала на пластине радиусом 50 мм можно получить при расстоянии Н, лежащем в пределах от 3 до 12.5 см.

При этом толщина пленки будет принимать значения от 0.1 до 0.4 мкм, а требуется получить пленку толщиной 0.3 мкм. Поэтому следует уменьшить время напыления.

Методом подбора определим, что при времени напыления = 2000с можно получить пленку заданной толщины.

Рис. 5. Контурный график распределения толщины напыляемой пленки от радиуса пластины и расстояния до испарителя при = 2000с.

Выберем расстояние Н равное 5.5 см. Для него построим двумерный график зависимости толщины напыляемой пленки h от расстояния от центра пластины r.

Рис.6. График зависимости толщины напыляемой пленки h от расстояния от центра пластины r при Н = 5.5 см.

На графике определим точки, соответствующие максимальной и минимальной толщине пленки в пределах пластины (-5…5). Максимальное значение достигается при r равном 3 см, а минимальное - при r равном 5 см.

Напишем участок программы, выполняющий вычисление средней толщины пленки и ее неравномерности.

Таким образом, если выбрать время напыления = 2000 с и расстояние между пластиной и распылителем Н =5.5 см, то мы получим пленку толщиной 0.258 мкм с неравномерностью 4.078 %. Необходимо подогнать величину Н.

Рис. 7. График зависимости толщины напыляемой пленки h от расстояния от центра пластины r при Н = 5.2 см.

Таким образом, если выбрать время напыления = 2000 с и расстояние между пластиной и распылителем Н =5.2 см, то мы получим пленку толщиной 0.274 мкм с неравномерностью 2.732 %.

Заключение

В ходе выполнении данного домашнего задания были изучены теоретические сведения по вопросу выращивания пленок методом распыления в магнетронной системе.

В ходе выполнения практической части работы решалась задача оптимизации процесса напыления металла с помощью программы MathCAD. Цель оптимизации состояла в достижении заданных характеристик напыляемой пленки. Заданные характеристики и найденные оптимальные параметры техпроцесса получения пленки сведены в таблицу 3.

Таблица 3

Заданное значение характеристики (достигнутое значение характеристики)

Параметр достижения заданной характеристики

Неравномерность

3 % (2.732 %)

Расстояние от мишени до пластины

5.2 см

Толщина напыляемой пленки

0.3 мкм (0.274 мкм)

Время напыления

2000 с

Даже при незначительном нарушении выполнения техпроцесса получения пленки (при изменении времени напыления на единицы секунд), значение толщины и неравномерности пленки останутся в заданных пределах.

Самое читаемое:

Конструкторско-технологическое проектирование печатной платы
печатная плата Проектирование печатных плат (ПП) представляет трудоемкий, но очень важный процесс. Для того, чтобы обеспечить функционирование электронной аппаратуры (ЭА) необходимы не только схемотехнические решения, функциональная точность, надежность, но и учет влияния внешней среды, конструктивных, эксплуатационных требований, пр ...

www.techstages.ru : Все права защищены! 2021