Звіт з виробничої практики "Методи одержання тонкоплівкових матеріалів"

Нагрівання електропровідного тіла, що володіє високим електричним опором при проходженні через нього електричного струму, називають резистивним. При цьому, як правило, використовують змінний струм.

Переваги резистивного нагріву: високий ККД, низька вартість обладнання, безпека в роботі і малі габаритні розміри. Факторами, що обмежують застосування випарників з резистивним нагріванням є можливість забруднення плівки матеріалом нагрівача, а також малий ресурс роботи через старіння (руйнування) нагрівача, що вимагає його періодичної заміни. До числа основних недоліків методу також слід віднести відсутність помітної іонізації парів матеріалу, який випаровується, труднощі керування основними параметрами потоку, високу інерційність випарників [1].

Випарники з електронно-променевим нагріванням засновані на тому, що кінетична енергія потоку прискорених електронів, при бомбардуванні ними поверхні речовини, перетворюється на теплову енергію, в результаті чого вона нагрівається до температури випаровування. Швидке переміщення нагрітої зони в результаті відхилення потоку електронів, можливість регулювання і контролю потужності нагріву і швидкості осадження створюють передумови для автоматичного керування процесом. Метод дозволяє отримати високу чистоту і однорідність осаджуваної плівки, оскільки реалізується автотигельне випаровування матеріалу. Недоліки електронно-променевого нагріву: складність апаратури живлення і управління, труднощі випаровування металів високої теплопровідності (мідь, алюміній, срібло, золото) з водоохолоджуваного тигля, необхідність частої заміни катода, а також живлення високими напругами [1].

У методі лазерного випаровування речовина нагрівається за допомогою фокусуючого випромінювання лазера, що знаходиться поза вакуумною камерою.

Значною перевагою цього способу є те, що при випаровуванні за допомогою лазерного випромінювання може бути розігріта тільки невелика ділянка випаровуваної речовини, що дозволяє виключити забруднення, що заносяться газовиділеннями з розігрітих частин звичайних випарних систем [5].

Перевагами методу термічного випаровування є:

- висока швидкість випаровування речовин і можливість регулювання її в широких межах за рахунок зміни прикладеної до випарника потужності;

- висока продуктивність при груповому завантаженні і обробці підкладок;

- можливість одночасно з осадженням плівки отримувати необхідну конфігурацію тонкоплівкових елементів пасивної частини інтегральних мікросхем за рахунок використання масок;

- можливість вести процес як у високому вакуумі, так і в окислювальному і відновлювальному середовищі розрідженого газу.

Термічне вакуумне напилення має ряд недоліків і обмежень, головні з яких наступні:

- напилювання плівок з тугоплавких матеріалів (W, Mo, SiO2, Al2O3 та ін.) вимагає високих температур на випарнику, при яких неминуче забруднення потоку матеріалом випарника;

- при напиленні сплавів відмінність в швидкості випаровування окремих компонентів призводить до зміни складу плівки в порівнянні з вихідним складом матеріалу, вміщеного у випарник;

- інерційність процесу, що вимагає введення в робочу камеру заслінки з електромагнітним приводом;

- нерівномірність товщини плівки, що призводить до застосування пристроїв переміщення підкладок та коригувальних діафрагм.

Перші три недоліки обумовлені необхідністю високотемпературного нагріву речовини, а останній – високим вакуумом в робочій камері [6].

 

 

Принцип дії пристроїв іонного розпилення заснований на таких фізичних явищах, як іонізація частинок газу, тліючий розряд у вакуумі і розпорошення речовин бомбардуванням прискореними іонами.

Процес розпилення іонним бомбардуванням є «холодним» процесом, тому що атомарний потік речовини на підкладку створюється шляхом бомбардування поверхні твердого зразка (мішені) іонами інертного газу і збудження поверхні атомів до енергії, що перевищує енергію зв'язку з сусідніми атомами. Необхідний для цього потік іонів створюється в електричному газовому розряді, для чого тиск газу в робочій камері повинний бути в межах 0, 1-1 Па, тобто на кілька порядків більш високий, ніж у камері установки термовакуумного напилення.

Остання обставина призводить до розсіювання потоку атомів з мішені і підвищенню рівномірності товщини осаджуваної плівки до ± 1%, причому без застосування додаткових пристроїв.

Метод іонного розпилення заснований на бомбардуванні мішені, виготовленої з матеріалу, що осаджуеться, швидкими частинками. Вибиті з мішені в результаті бомбардування частинки утворюють потік, що наноситься, який осідає у вигляді тонкої плівки на підкладках, розташованих на деякій відстані від мішені.

Важливим фактором, що визначає експлуатаційні особливості та конструкції установок іонного розпилення, є спосіб генерації іонів, що бомбардують мішень. Відповідно до цього установки іонного розпилення оснащуються простою двоелектродною або магнетронною системою [1].

Катодне розпилення – один із різновидів розпилення іонним бомбардуванням.

Основними елементами робочої камери (рис. 1. 6.) є: 1 – вакуумний ковпак з нержавіючої сталі, 2 – катод, 3 – мішень з матеріалу, що підлягає розпорошення і осадження, 4 – анод з розміщеними на ньому підкладками 5, 6 – натікач. Живлення здійснюється постійною напругою, нижній електрод з підкладками заземлений і знаходиться під більш високим потенціалом, ніж катод-мішень.

 

Рис. 1. 6. Схема катодної системи іонного розпиления [1]

Розряд розділений на дві зони: темний катодний простір і область яка світиться. На темний катодний простір припадає основне падіння напруги. Тут заряджені частинки розганяються до енергії, достатньої, щоб іони, бомбардуючи катод-мішень, звільняли поверхневі атоми й електрони (якщо мішень з провідного матеріалу), а електрони – на кордоні темного катодного простору іонізували молекули аргону. При іонізації утворюється іон аргону, який, прискорюючись, рухається до мішені, і електрон, який, як і «відпрацьований» іонізуючий електрон, дрейфує до анода в слабкому полі області що світиться. Звільнений з поверхні мішені атом речовини, долаючи