Оптимизация процесса напыления материала в магнетронной системе распыления

Оптимизация процесса напыления материала в магнетронной системе распыления

Содержание

1.   Задание

2.       Краткие теоретические сведения

.        Расчеты

Заключение

Литература

1.  Задание

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

Примечание: 1. Рабочий газ - Ar.

2. Ширина кольца распыления - 0.5 см.

2.  Краткие теоретические сведения

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 М_и и М_а - атомные массы ионов и атомов мишени, г/моль;

Е_и - энергия падающих ионов, эВ;

Е_суб - энергия сублимации атомов мишени, эВ;

a - безразмерный параметр, зависящий от М_и/М_а.

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.

3.  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.

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:

М_а /М_u=1.59, где М_и и М_а - атомные массы ионов и атомов мишени, г/моль.

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: j_и=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

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

Литература

1. Андреев В.В., Столяров А.А. Моделирование технологических процессов микроэлектроники. Методич. пособие. - КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 44с.

2. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем: Учеб. пособие. -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1979.

3. Никоненко В.А. Математическое моделирование технологических процессов: Моделирование в среде MathCAD. Практикум / Под ред. Г.Д. Кузнецова. - М: МИСиС, 2001. - 48с.