Реализация метода магнетронного распыления в установке ВУП-5
Курсовая работа
Реализация метода магнетронного
распыления в установке ВУП-5
Содержание
Введение
1 Общее описание системы магнетронного напыления
1.1 Принцип действия магнетронного источника
распыления
1.2 Система магнетронного напыления тонких
проводящих плёнок «МАГ-2000»
2 Техническое устройство магнетронной системы
3 Инструкция по работе с магнетронной системой
«МАГ-2000»
3.1 Последовательность работы с системой напыления
3.2 Замена и тип мишеней в системе напыления
Заключение
Литература
АННОТАЦИЯ
магнетронное распыление
пленка
ВАКУУМ, ВАКУУМНЫЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПОСТ, ФОРВАКУУМНЫЙ НАСОС, ДИФФУЗИОННЫЙ
НАСОС, МАГНЕТРОН, МАГНЕТРОННОЕ РАСПЫЛЕНИЕ,
В работе рассмотрены устройство и принципиальная схема магнетронного
распылителя. Рассмотрен ряд проблем, возникающих при напылении тонких пленок,
разрешение которых может быть осуществлено с помощью магнетронного метода
распыления. На базе вакуумного универсального поста (ВУП-5) был реализован
метод магнетронного распыления с помощью магнетронной системы «МАГ-2000».
Введение
Процесс магнетронного напыления позволяет осаждать пленки широкого
спектра материалов с вариацией толщины от десятков нанометров до нескольких
микрон. Необходимость применения данного метода может быть объяснена на
нижеследующих примерах.
). Режим сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) имеет самое высокое
разрешение из всех режимов сканирующей зондовой микроскопии. Однако режим СТМ
требует протекания тока между зондом и поверхностью образца, и работает, только
если образец имеет электропроводность, хотя бы по его поверхности, на уровне не
хуже 1-10 кОм на кв. мм. Такая же проблема с электропроводностью образцов
известна в растровой электронной микроскопии, и разрешается она там путём
напыления на образец тонкой электропроводной плёнки, обычно из золота или
углерода. Это и привело к решению так же напылять плёнки и для работы СТМ.
Однако, ввиду ограничения разрешения растровых электронных микроскопов того
времени на уровне 100 Ангстрем, системы напыления плёнок для них обеспечивали напыление
плёнок толщиной также на уровне 100 Ангстрем, с неравномерность толщины на
уровне 30-50 Ангстрем для углеродных и до 100 Ангстрем для золотых плёнок.
Такие плёнки для электронной микроскопии не искажали поверхность образца, т.к.
электронные микроскопы не доходили по разрешению до распознания артефактов,
вызванных напылением таких плёнок. Режим СТМ имеет разрешение до единиц
Ангстрем, и поэтому любая плёнка, напылённая на образец, будет приводить к
видимым в СТМ искажениям рельефа образца. Таким образом, встала задача
напыления как можно более тонких плёнок с как можно меньшей неравномерностью
толщины, как можно меньшим средним размером зерна самой плёнки, и с как можно
меньшим изменением толщины плёнки при изменении угла наклона при переходе с одной
локальной точки рельефе на другую. Необходимым для СТМ требованием является и
малая подверженность плёнки окислению в среде естественной атмосферы, для
сохранения проводимости напылённой поверхности образцов длительное время.
). Режим атомно-силового микроскопа (АСМ), как и режим СТМ, также имеет
существенные ограничения по разновидности образцов. В режиме АСМ нет
необходимости в наличии электропроводности образца, однако в режиме АСМ зонд
получает информацию о поверхности образца путём механического контакта с ней.
Очень существенно, чтобы изучаемые объекты были жёстко прикреплены к подложке,
не перетаскивались зондом, уходя от визуализации и внося шум, а также имели как
можно большую жёсткость, чтобы зонд не проминал их и не искажал их истинный
рельеф. Кроме того, если на образце есть плохо закреплённые атомы, маленькие
частицы или органика, они быстро налипают остриё зонда в виде кома. Этот ком
сразу ухудшает разрешение АСМ. Ком практически не снимается какими-либо
методами с острия зонда, и, если учесть относительную дороговизну АСМ зондов,
измерения могут оказаться слишком дорогими из-за необходимости частой смены
зондов. Конечно, для возможности частичного ухода от этих проблем в АСМ
разработаны специальные вибро - режимы. Применение данных режимов примерно на
порядок ослабляет требования к жёсткости закрепления объектов и к жёсткости
самих объектов, но, к сожалению, сопровождается ухудшением вертикального
разрешения. Режим АСМ и так имеет плохое латеральное разрешение из-за невысокой
остроты зонда в 100-400 Ангстрем, делающегося методами микроэлектроники. Если
вертикальное разрешение в контактной моде достигает на жёстких материалах до
0.1 Ангстрема, то на вибро - моде даже на жёстких материалах оно падает до
10-50 Ангстрем из-за амплитуды колебаний зонда в вибро - моде на уровне
100-1000 Ангстрем. Напыление тонкой плёнки, придающей жёсткость поверхности
объектов, закрепляющей объекты на подложке и одновременно «очищающей» образец
за счёт закрытия собою всех загрязняющих зонд факторов, является привлекательным
методом для АСМ, так как позволит любые образцы смотреть в контактной моде.
Однако для этого необходимы дополнительные качества напыляемой плёнки -
панцирная жёсткость, которая реализуется, если плёнка состоит из хорошо
связанных между собой атомов, и высокая инвариантность толщины плёнки,
сохраняющаяся вплоть до отрицательных локальных углов на поверхности для
возможности закрепления частиц типа шариков.
). Требованием к напылению является также и необходимость в как можно
малой скорости (температуре) падающих при напылении на образец атомов. Это
необходимо для напыления на такие органические и биоорганические объекты,
которые претерпевают структурные изменения при нагреве (денатурация белков при
42…50С и т.д.).
Выше перечисленные проблемы, возникающие при напыление тонких пленок,
можно отчасти или полностью решить благодаря применению метода магнетронного
напыления.
В данной курсовой работе были поставлены следующие цели и задачи:
Цели работы:
― Реализация метода магнетронного распыления в установке ВУП-5
Задачи работы:
― Изучение основ работы и принципиальной схемы вакуумного поста
― Получение низкого и высокого вакуума на вакуумном
универсальном посту (ВУП-5).
― Изучение принципа действия магнетронного источника распыления
― Подключение предоставленного оборудования, а именно системы
магнетронного напыления тонких проводящих плёнок «МАГ-2000», к вакуумному
универсальному посту (ВУП-5)
― Составление инструкции по работе с магнетронной системой
«МАГ-2000» на основе ВУП-5
1. Общее описание системы магнетронного
напыления
1.1 Принцип
действия магнетронного источника распыления
Магнетронное распыление относится к методам распыления материалов ионной
бомбардировкой. Схема магнетронной распылительной системы приведена на рисунке
1.
Рис.1. Установка магнетронного распыления.
- изолятор; 2 - магнитопровод; 3 - система водоохлаждення; 4 - корпус
катодного узла;
- постоянный магнит; б - стенка вакуумной камеры; 7 - силовые линии
магнитного поля; 8 - кольцевой водоохлаждаемый анод; 9 - зона эрозии
распыляемого катода.
Основными элементами являются плоский катод, изготовленный из напыляемого
материала, анод, устанавливаемый по периметру катода, магнитная система, обычно
на основе постоянных магнитов, и система водоохлаждння. Силовые линии
магнитного поля, замыкаясь между полюсами, пересекаются с линиями
электрического поля. Принцип действия установки основан на торможеннн
электронов в скрещенных электрических и магнитных полях.
Известно,
что на заряд, движущийся в электромагнитном поле, действует сила Лоренца,
направление которой, по правилу сложения сил. зависит от направления ее
составляющих. При этом, часть силы Лоренца, обусловленная действием магнитного
поля, не совершает работы, а лишь искривляет траекторию движения частицы,
заставляя ее двигаться по окружности в плоскости, перпендикулярной 
и 
.
При
подаче постоянного напряжения между мишенью (отрицательный потенциал) и анодом
(положительный потенциал) возникает неоднородное электрическое поле и
возбуждается тлеющий разряд. Наличие замкнутого магнитного поля к распыляемой
поверхности мишени позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у
мишени. Электрон циркулирует в электромагнитной ловушке до тех пор, пока не
произойдет несколько ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа, в
результате которых он потеряет полученную от электрического поля энергию. Таким
образом, большая часть энергии электрона, прежде чем он попадает на анод,
используется на ионизацию и возбуждение, что значительно увеличивает
эффективность процесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации
положительных ионов у поверхности мишени. Это, в свою очередь, приводит к
увеличению интенсивности ионной бомбардировки мишени и значительный рост
скорости осаждения покрытия.
Таким образом, в магнетронных устройствах при одновременном действии
электрических и магнитных полей изменяется траектория движения электрона.
Электроны, эмитированные катодом, и образующиеся в результате ионизации, под
действием замкнутого магнитного поля локализуются непосредственно над
поверхностью распыляемого материала. Они попадают в ловушку, образуемую, с одной
стороны, действием магнитного поля, заставляющего двигаться электроны по
циклоидальной траектории вблизи поверхности, с другой - отталкиванием их
электрическим полем катода в направлении к аноду. Вероятность и количество
столкновения электронов с молекулами аргона и их ионизация резко возрастают.
Из-за неоднородности действия электрических и магнитных полей в прикатодной
зоне интенсивность ионизации в различных участках различна. Максимальное
значение наблюдается в области, где линии индукции магнитного поля
перпендикулярны вектору напряженности электрического поля, минимальное - где их
направление совпадает.
Поверхность мишени, расположенная между системами входа и выхода силовых
линий магнитного поля, интенсивно распыляется и имеет вид замкнутой дорожки,
геометрия которой определяется формой полюсов магнитной системы. Локализация
плазмы в прикатодном пространстве позволила получить значительно большую
плотность ионного тока при меньших рабочих давлениях, и, соответственно,
обеспечить высокие скорости распыления.
Магнетронные устройства относятся к низковольтным системам ионного
распыления. Напряжение источника питания постоянного тока не превышает
1000-1500 В. При подаче отрицательного потенциала на катод, между электродами
возбуждается аномальный тлеющий разряд в среде аргона. Наличие магнитной
ловушки обеспечивает при одних и тех же давлениях газа возникновение разряда
при более низких напряжениях по сравнению с диодными системами. Напряжение
разряда составляет 300 - 700 В.
Магнетрон может работать в диапазонах давления рабочего газа от 10-2 до 1
Па и выше. Давление газа и индукция магнитного поля оказывают значительные
влияния на характеристики разряда. Понижение давления обуславливает повышение
рабочих напряжений. В то же время для каждой магнетронной системы существует
некоторый интервал значений, обычно10-1 - 1 Па, в котором колебание давления не
оказывает существенного влияния на изменение параметров разряда. Воздействие
магнитного поля аналогично действию газовой среды. Поэтому низкие рабочие
давления в магнетронах обеспечивают увеличение индукции магнитного поля,
величина которой у поверхности катода составляет 0,03-0.1 Тл. Повышение
удельной мощности способствует стабилизации разряда в области низких давлений.
Преимущества метода:
высокая скорость распыления при низких рабочих напряжениях (600 - 800 В)
и при небольших давлениях рабочего газа (5*10-1 - 10 Па).
отсутствие перегрева подложки.
малая степень загрязнения пленок,
возможность получения равномерных по толщине пленок на большей площади
подложек.
1.2 Система
магнетронного напыления тонких проводящих плёнок «МАГ-2000»
Система магнетронного напыления тонких проводящих плёнок «МАГ-2000»
состоит из специального низкоэнергетического магнетрона номинальной мощностью
30 Вт и из электронного блока управления магнетроном (рис.2.). Для работы
магнетрон должен быть вставлен в любой вакуумный пост, например, типа ВУП-4 или
ВУП-5, имеющий возможность откачки камеры до вакуума 10 мкТорр с последующим
подпуском аргона до давления 1 мТорр, при котором «зажигается» магнетрон.
Магнетрон не нуждается в водяном охлаждении ввиду его низкой энергетичности,
что выгодно отличает его от всех других магнетронов удобством, т.к. ввод
водяной прокачки внутрь вакуумной камеры обычно представляет собой
дополнительные трудности. Образец, на который производится напыление, в общем
случае не нуждается в подогреве, однако для получения наиболее тонких сплошных
плёнок на уровне 10-20 Ангстрем образец желательно по возможности до напыления
прогревать в вакууме при температурах 60 - 100 ˚С несколько минут.
Рис.2. Система магнетронного напыления тонких проводящих плёнок
«МАГ-2000»: магнетрон с электронным блоком управления.
Магнетрон разрабатывался совместными усилиями специалистов МИЭТ (Логинов
Б.А.), ФТИАН (Кальнов В.А.) и НИИВТ (Фролов В.И.) за период с 1995 по 2000 год.
ФТИАН привнёс свой имеющийся значительный опыт по технологиям магнетронного
напыления для создания многослойных отражающих рентгеновских покрытий,
состоящих их чередующихся слоёв разных материалов, например, вольфрама W и алюминия Al, с малой толщиной слоёв, например, 20 Ангстрем, с
неравномерностью толщины слоёв не более 5 Ангстрем, и с числом бездефектных
слоёв до 100. Во ФТИАН-е на магнетронных установках для создания рентгеновских
зеркал проводились первые эксперименты по отработке методики магнетронного
напыления для использования её в зондовых микроскопах. В НИИВТ был разработан и
испытан первый опытный магнетрон, специально предназначенный для использования
в зондовой микроскопии. В МИЭТ-е была сформулирована задача по созданию
специального магнетрона, найдены партнёры (ФТИАН и НИИВТ), проведены
эксперименты с использованием разных распыляемых материалов и с напылением на
самые разнообразные образцы, разработан электронный блок управления
магнетроном, на основе опытного образца разработан серийный образец магнетрона,
а в дальнейшем налажен серийный выпуск магнетронов и электронных блоков
управления на заводе «Протон-МИЭТ».
2
Техническое устройство магнетронной системы
Схематичное расположение магнетрона в вакуумной камере и его подключение
показаны на рис.2. Магнетрон крепится на штативе, которые должен быть
электрически соединён с корпусом камеры, и это надо обязательно проверить
тестером, так как один из концов магнетрона как двухполюсника, идущий от
внешнего экрана магнетрона, подсоединяется к корпусу камеры именно через
штатив. Второй, «высоковольтный» (300…1200В) провод, идущий от мишени и
отводимый из-под фторопластового колпачка сверху магнетрона, необходимо
провести через вакуумный токоввод, причём необходим только один контакт.
Поджатия верхнего фторопластового винта при вертикальной, как на рис. 3,
установке магнетрон не требуется, металлический экран магнетрона в любом случае
опустится вниз под силой тяжести. Этот винт требуется поджимать только при
установке магнетрона экраном под углом вбок.
Если магнетрон подвесить так, что расстояние между его низом, где
укреплена мишень, и образом будет около 70 мм, то скорость напыления при токе
магнетрона 100 мА и давлении аргона 10 в степени - 3 Торр будет составлять
около 1 Ангстрема в секунду, а диаметр пятна равномерного напыления, на границе
которого спад толщины плёнки составляет не более 20%, будет достигать 50 мм.
При уменьшении расстояния увеличивается скорость напыления, но уменьшается
диаметр пятна равномерного напыления.
Рис. 3. Схематическое расположение магнетрона в вакуумной камере и его
подключение.
Соответствие органов управления электронного блока управления показано на
рис.4. В качестве индикатора напряжения на магнетроне применён микроамперметр
со шкалой 0...100мкА, которая на самом деле соответствует напряжениям 0…1000В.
Рис. 4. Вид передней панели электроники магнетрона
3
Инструкция по работе с магнетронной системой «МАГ-2000»
Все работы по реализации метода магнетронного распыления проводились на
вакуумном универсальном посту (ВУП-5).
Вакуумный универсальный пост ВУП-5 предназначен для препарирования
объектов в вакууме. Универсальность вакуумного поста ВУП-5 определяется
устройствами, поставляемыми вместе с ним для резистивного испарения материалов,
контроля толщины осаждаемого слоя испаряемого вещества, обработки поверхности
исследуемого вещества ионной бомбардировкой, испарения веществ электронным
лучом, нагрева исследуемого вещества до высоких температур, охлаждения
исследуемого вещества до низких температур, приварки нитей катодов в
электронных пушках, получения многослойных покрытий, равномерных по толщине,
испарения многокомпонентных веществ.
Схема вакуумного универсального поста
Рис.5. Схема вакуумного универсального поста
CN -
объем рабочий; ND - насос
диффузионный; NL - насос форвакуумный;
BF -
баллон форвакуумный; V1-V8 - клапаны коммутации вакуумной
системы;
P1,P2,P4 - датчики термопарные ПМТ-2; P3 - датчик ионизационный ПМИ-2
В предоставленной установке для получения низкого вакуума используется
форвакумный насос следующей модели: BHP-55 УХЛЧ, на рис.5 обозначен как NL. С помощью данного насоса создается
начальный вакуум (форвакуум) порядка 10-2 мм. рт. ст. Откачка проводится по
верхней вакуумной магистрали (рис. 5) через клапан V7. По достижению низкого вакуума клапан V4 перекрывается и открывается клапан V8 при этом включается диффузионный
насос модели НД-160, на рис. 5 обозначен как ND, который откачивает камеру CN до высокого вакуума порядка 10-5 мм. рт. ст. Включение и
получение высокого вакуума на ВУП-5 производится в соответствии с инструкцией
(Пост вакуумный универсальный ВУП-5. Техническое описание и инструкция по
эксплуатации. 2.950.122.ТО. Книга 3.). После проведения данных операций можно
непосредственно прейти к реализации метода магнетронного распыления.
режим:
Если в вакуумной посте имеется клапан, закрывающий объём камеры от
системы откачки(как в нашем случае), что предпочтительнее, последовательность
работы с магнетроном следующая:
1. Установить образец, закрыть колпак
камеры, откачать камеру до вакуума 10 в степени - 5 Торр
2. Отсечь клапанами камеру от системы
вакуумной откачки.
3. Включить электронный блок включателем
сети (начальное состояние - не горит индикатор режима поджига и экспозиции) и
нажать на кнопку запуска, удерживая её около 3 секунд как подтверждение запуска
до загорания индикатора режима поджига и экспозиции - при этом на магнетрон
подаётся напряжение поджига 1000 - 1200В (может зашкаливать индикатор
напряжения на магнетроне). Ток через магнетрон пока отсутствует, так как нет
аргона, и магнетрон не поджигается. Установить или проверить что установлены
переключатели задатчика экспозиции на нужное время экспозиции (от 5 до 80
секунд), дополнительные времена экспозиции включаются при переводе
переключателей в положение «0».
4. Осторожно приоткрывать тонкий
натекатель аргона. Как только количества аргона будет достаточно для поджига
магнетрона (при давлении примерно 10 в степени -3 Торр), магнетрон подожжётся и
от него вниз возникнет язык светло-синего свечения (это будет видно в окно
камеры), натекатель при этом надо сразу закрыть, напущенного аргона будет
достаточно (если камера не отсекается от системы вакуумной откачки, натекатель
закрывать не надо). После поджига электроника переходит в режим поддержания
постоянной мощности, падает напряжение на магнетроне (примерно до 300В) и
появляется ток через магнетрон. Ток магнетрона рекомендуется один раз
установить регулятором тока на уровне примерно 100 мА и в дальнейшем
регулировать только при его значительном изменении.
5. Электроника выдерживает заданную
экспозицию и выключает напряжение на магнетроне, при этом гаснет индикатор
режима поджига и экспозиции, снимается напряжение с магнетрона, и включается
режим охлаждения магнетрона - загорается кнопка запуска поджига магнетрона.
Время охлаждения - около 5 - 10 минут, в режиме охлаждения запуск поджига
блокируется, напряжение с магнетрона убрано, и оператор может безопасно для
себя открывать камеру и доставать образец. Время выдержки экспозиции зависит от
окружающей температуры в комнате и меняется почти в 2 раза при изменении
температуры с 15С до 30С, что необходимо учитывать. Кроме того, время выдержки
экспозиции отрабатывается корректно только когда оператор корректно дожидается
окончания режима охлаждения магнетрона.
6. Можно, не раскрывая камеры, сделать
повторное напыление. Или можно, начиная с момента начала режима охлаждения,
напустить воздух в камеру и достать образец.
2 режим:
В случае, если в вакуумной системе нет возможности отсечки камеры от
системы откачки, в п.4. после открывания натекателя и поджигания магнетрона
закрывать натекатель не надо, т.к. иначе откачается аргон и магнетрон погаснет.
Натекатель в таком случае отключается только после напыления. Такой режим,
когда происходит напыление при динамическом поддержании давления аргона
(натекатель подаёт аргон, а насосы его откачивают), менее стабилен, даёт худшие
параметры равномерности плёнки. Иногда даже происходят кратковременные моменты
угасания магнетрона, при которых, однако, электроника отсчитывает не общее
время включения питания на магнетрон, а именно суммарное время его свечения
(прохождения тока), что обеспечивает одинаковость времени напыления и толщины
плёнок от одного цикла напыления к другому.
Рис. 6. Рекомендуемая схема вакуумной откачки камеры
Общая схема вакуумной откачки камеры, рекомендуемой для самостоятельного
построения для магнетрона, показана на рис. 6.
Возможна и более простая схема вакуумной откачки, где из насосов можно обойтись
только форвакуумным насосом. Камера при этом соединяется одним клапаном с
форвакуумным насосом, а другим клапаном с баллоном аргона. После установки
образца и откачки до давления 1-10 мТорр форвакуумным насосом закрывается
клапан форвакуумного насоса и открывается клапан баллона аргона, которым надо
напустить в камеру чуть меньше одной атмосферы, чтобы, с одной стороны, аргон
явился основным газом в камере, но, с другой стороны, чтобы сохранялось
присасывающее крышку камеры давление. Закрыв клапан от баллона аргона, надо
открыть клапан форвакуумного насоса. Камера снова откачивается до давления 1-10
мТорр - предельного давления, достижимого для форвакуумного насоса. После этого
включается поджег магнетрона, и магнетрон сразу загорается на остаточной атмосфере
аргона. Данная схема вакуумной откачки имеет большой расход аргона, на ней
нельзя добиться сплошной плёнки с толщиной меньше 20-30 Ангстрем, но эта схема
вакуумной откачки дёшева, проста и доступна для самостоятельного повсеместного
изготовления.
3.2 Замена
и тип мишеней в системе напыления
Мишень магнетрона должна представлять собой диск толщиной от 10 мкм
(фольга) до 4 мм и диаметром в пределах 49…49.5 мм. При толщине больше 4 мм нет
достаточного выхода силовых магнитных линий за поверхность мишени, и магнетрон
может не зажечься. Одна из поверхностей мишени (диска) должна плотно прилегать
к поверхности магнетрона (через токопроводящую пасту типа КТП-8, прилагающуюся
в комплекте магнетрона), поэтому она должна иметь довольно хорошую плоскостность
(отклонение от плоскостности не более 0.1 мм) и малую шероховатость (средняя
шероховатость Ra должна быть менее 3.2 мкм). При
использовании фольги необходимо так прикатывать её с пастой к поверхности
магнетрона, чтобы в пасте не образовывалось пузырьков воздуха. Ввиду
бомбардировки мишени ионами фольга в том месте, где под ней нет контакта с
магнетроном из-за пузырька воздуха, фольга может сильно нагреться и
расплавиться, т.к. у неё нет оттока тепла также и вдоль самой фольги из-за её
малой толщины.
Для установки или смены мишени необходимо проделать следующие операции.
1. Снять экран магнетрона - отвернуть четыре винта М3 по кругу
экрана и, не отворачивая винт с проводом (единственный винт с гайкой), снять и
откинуть в сторону экран, отогнув провод.
2. Отвернуть накидную гайку, прижимающую мишень (диск диаметром
49…49,5 мм и толщиной до 4мм) к медному основанию магнетрона
. Снять мишень (если она была), очистить основание магнетрона от
теплопроводящей пасты (если она была нанесена).
. Нанести теплопроводящую пасту равномерным слоем на основание
магнетрона и новую мишень, прижать мишень к магнетрону, крутящими и давящими
движениями руки, если мишень толстая, выдавить пасту, снять эту пасту, и
прижать мишень накидной гайкой. Стремиться к минимальной толщине слоя пасты
необходимой для лучшего теплового контакта мишени с магнетроном.
. Привинтить экран четырьмя винтами М3.
Опыты с применением различных материалов в качестве мишеней дали
следующие результаты. Некоторые материалы, например, тантал, несмотря на то что
стоят в периодической таблице рядом с работающими в качестве мишеней
элементами, пылятся плохо из-за большой работы выхода. С точки зрения хорошего
распыления с мишени хорошо работают следующие материалы (из протестированных):
. Вольфрам (толщина сплошной плёнки от 8 Ангстрем, зерно около 5
Ангстрем)
2. Графит (толщина сплошной плёнки от 10 Ангстрем, зерно около 5
Ангстрем)
3. Золото
. Алюминий
. Медь
. Кремний (немного легированный, например, пластины КДБ-10)
Вольфрам даёт наиболее тонкую и жёсткую плёнку, однако быстро окисляется.
На некоторых вакуумных установках из-за значительных течей в камере и подсоса
атмосферного кислорода атомы вольфрама мишени, осаждающиеся на образец,
окисляются, не успевая долететь до образца. При этом на образце, например, из
стекла, наблюдается затемнение, говорящее о напылении какой-то плёнки, но
электропроводности плёнки при измерении тестером нет. Окисление вольфрамовой
плёнки, даже если она и сформировалась без окисления в камере, неудобно и для
последующего использования - она может окислиться в процессе исследования
образца в СТМ или АСМ. Однако всё-таки воспользоваться хорошими свойствами
вольфрама по толщине и твёрдости можно - для этого на вольфрамовую мишень (диск
диаметром 49 мм) можно приклеить токопроводящим клеем на эпоксидной основе
пластинку графита толщиной 0.5..1.5 мм и размерами 10/10 мм, отчистив после
отвердевания клея облой клея, вылезший из-под графита. Край графитовой
пластинки должен находиться в 10 мм от края мишени (диска), т.к., во-первых,
край мишени используется для её крепления и, во-вторых, из мишени выбиваются
атомы только в кольце между диаметрами от 30 до 40 мм, где есть выход силовых
магнитных линий и куда и нужно поместить графит. Пластинка графита размерами
10/10 мм будет занимать примерно 10% от используемой площади мишени, и на
образец будут падать атомы вольфрама и углерода, не связанные между собой
химическими связями. Однако именно такая плёнка W90C10 обладает при
сохранении присущих вольфраму качеств по минимальности толщины и максимальности
жёсткости ещё и качеством неокисления в течении длительного времени - более 500
часов. Кроме того, добавление углерода придаёт плёнке дополнительную по
отношению к плёнке из чистого вольфрама износостойкость, что полезно для АСМ -
режимов с изучением электропроводности.
Плёнка графита, имеющая только немного худшие параметры по минимальной
толщине сплошной плёнки (10 Ангстрем), имеет одно плохое свойство. Как и любой
образец графита, она состоит из микро-зёрен графита, в которых упаковка атомов
углерода имеет слоистую структуру с гексагональной упаковкой атомов в слое.
Отдельные атомы, находящиеся на наружной площадке верхнего слоя кристаллита, не
имеют ковалентной связи с зерном, и очень подвижны. Они прыгают на острия и
СТМ, и АСМ - зондов, налипают на них и мешают работе СТМ и АСМ.
Золото имеет плохое свойство с течением времени после напыления
собираться в наночастицы ввиду того, что они имеет низкую температуру
плавления, комнатная температура для него довольно близка к температуре
плавления, и атомы золота довольно подвижны. Через время порядка часа плёнка
золота толщиной в 20 - 50 Ангстрем в большинстве случаев распадается на
отдельные наночастицы и теряет сплошную проводимость по плёнке. Лишь некоторые
поверхности, например, обработанные в вакууме за несколько секунд до напыления
ионным травлением, могут настолько закрепить на себе напыляемые атомы золота,
что они не отрываются от поверхности и не собираются в самостоятельные капли -
наночастицы.
Работа с магнитными материалами в качестве мишени на данном магнетроне
невозможна из-за принципиальной схемы этого магнетрона. Это полностью
уравновешенный по ионам магнетрон - все ионы, выбитые из мишени лавинно
ионизированным и разогнанным в направлении мишени аргоном, направляются
магнитным полем магнетрона на экран, на котором осаждаются. Этим же магнитным
полем на экран направляются все магнитные атомы, и, таким образом, на образец
вообще не могут попасть атомы магнитных веществ.
Заключение
На основе выполненной курсовой работы можно сделать следующие выводы:
. ВУП-5 представляет собой законченную лабораторную вакуумную
систему, состоящую из: рабочего объема, диффузионного насоса, форвакуумного
насоса, баллона форвакуумного, клапанов коммутации вакуумной системы,
термопарных датчиков и ионизационного датчика.
. Универсальный пост позволяет получать и измерять как низкий
(порядка 10-2 мм.рт.ст.), так и высокий вакуум (порядка 10-5 мм.рт.ст.), и
проводить технологические операции в вакууме.
. Универсальность вакуумного поста (ВУП-5) определяется устройствами,
поставляемыми вместе с ним. Также с помощью дополнительного оборудования,
магнетронной системы «МАГ-2000», возможно наносить тонкие пленки методом
магнетронного распыления.
. Метод магнетронного распыления обладает рядом преимуществ,
которые позволяют исключить некоторые проблемы, связанные с напылением тонких
пленок.
Литература
1. М.М. Никитин. Технология и оборудование вакуумного
напыления. − М.: Металлургия, 1992. -112 с.
. В.Н. Черняев. Технология производства интегральных
микросхем и микропроцессоров. - М.: Радио и связь, 1987.- 464 с.
. А.В.Белый. Структура и методы формирования
износостойких поверхностных слоев.// А.В.Белый, Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К.- М.:
Машиностроение, 1991.-480 с.
. Я. Грошковский. Техника высокого вакуума. Москва
«МИР», 1975 г.-624 с.
. Пост вакуумный универсальный ВУП-5. Техническое
описание и инструкция по эксплуатации. 2.950.122.ТО. Книга 3.