2.2 Влияние магнетронной системы на свойства покрытий
В зависимости от параметров процесса при магнетронном распылении покрытие TiNx (x меняется от 1 до 0.6) может иметь микротвердость от 1400 до 4000 кгс/мм2 (при температуре подложки 300-330 оС).
Зависимость микротвердости TiN от парциального давления азота имеет явно выраженный максимум (рис.3).
Рис.3 - Зависимость микротвердости покрытия TiN при магнетронном распылении от парциального давления азота (а) и температуры подложки (б)
На рис.3 показана зависимость микротвердости покрытий TiNx от расхода азота при магнетронном распылении, при величине полезной мощности равной 2 кВт .
Рис.4 - Зависимость микротвердости пленки TiNx от расхода азота
Несколько десятилетий исследований процессов магнетронного распыления позволили создать множество конструкций, но большей популярностью пользуются планарные прототипы на магнитомягком основании подложки. Особый ферримагнитный сплав намагничивается и переходит в нейтральное состояние практически одновременно с инициированием и отключением магнитов. Параллельно создается разность потенциалов за счет подачи на катод напряжения до 1000 вольт. Периферические магниты относительно заряженного катода располагаются таким образом, чтобы силовые линии закручивали в спираль ионный факел от мишени. Это позволяет за счет многочисленных столкновений с молекулами заполняющего газа ступенчато ионизировать напыляемые ионы, исключая из технологического процесса стадию ориентирования подложки. Использование дополнительной ионизации определяет прямую зависимость параметров конденсации от силы тока и давления активной среды. Добиться прецизионного закручивания ионного факела можно лишь при постоянстве магнитных и силовых линий. Кроме того, важным параметром является стабильность плазмы, которая зависит от электрического разряда. Таким образом, к источникам тока предъявляется чрезвычайно высокие требования к минимизации колебания выходных характеристик (погрешность не может превышать 2%).Давление рабочей среды (как правило, инертные смеси) обычно изменяется в пределах ± 5%. Давление влияет на оптико-электрические показатели некоторых материалов. Кроме того, состав поверхностного напыленного слоя сильно зависит от химической чистоты активной среды и мишени. Таким образом, магнетронные установки требуют наличия сложных турбомолекулярных насосов непрерывного действия.
При всех положительных моментах магнетронное распыление с постоянным током не позволяет напылять оксиды с большой скоростью. Повышение производительности приводит к сильному окислению самой мишени, что сразу же делает невозможным ее использование. В этих случаях используется модифицированная технология с использованием высокочастотного тока, который препятствует изменению стехиометрического состава напыляемого материала.
Глава 3. Разработка технологического процесса напыления тонких плёнок методом магнетронного напыления и определение требуемой быстроты откачки вакуумного насоса.
Задача: Определить требуемую быстроту откачки вакуумного насоса.
Исходные данные:
Рис. 5 - Схема вакуумной системы для нанесения тонких плёнок.
Камера имеет цилиндрический вид.
Диаметр (a) = 433 мм,
Высота (b) = 402 мм,
V = 59195 см3 = 59,195 л3
Pp = 7*10-5=0,00007 Па=0,000000525 мм рт.ст.
Ратм = 760 мм рт.ст.
L = 1 м = 1000 мм
d = 1 см = 10 мм
Sэ- требуемая быстрота откачки насоса
В качестве технологического оборудования я беру вакуумную камеру типа FL500, которая может использоваться для магнетронного напыления тонких плёнок. Установки для напыления комплектуются стандартными цилиндрическими камерами из нержавеющей стали и камерами с фронтальной загрузкой типа FL 500.
Вакуумные камеры типа FL 500 устанавливаются на пьедестал, вмещающий откачной пост и подходит для использования с защитной камерой с перчатками.
Приборная стойка содержит системы управления вакумной частью и контрольно-измерительной аппаратурой для контроля процесса нанесения пленки.
«Интеллектуальная» система управления высоковакуумным клапаном обеспечивает выравнивание давлений в рабочем объеме и ниже уровня клапана, за счет последовательного изменения проводимости пропускного канала клапана, в течение всего цикла откачки.
Для того чтобы обеспечить безопасность оператора от вредного уровня излучения электромагнитного ВЧ поля, а также предотвратить возникновение помех в другой электронной аппаратуре в лаборатории, все типы камер из нержавеющей стали надежно экранируются.
Определение требуемой быстроты откачки насоса.
Определение пропускной способности трубопровода U
Определение скорости откачки насоса Sн
152,53 л/мин > 124,72 л/мин => Sн>Sэфф
Выбранное технологическое оборудование:
Высоковакуумный диффузионный насос АВДМ-160, работающий в паре с форвакуумным насосом марки НФ-8.
Высоковакуумный диффузионный насос АВДМ-160.
Быстрота действия: 310 л/с
Предельный вакуум: 5x10-7 мм.рт.ст.
Потребляемая мощность: 0.9 кВт
Предназначены для откачки из герметичных объемов воздуха, газов, паров и парогазовых смесей, не содержащих капельной влаги и механических загрязнений и неагрессивных к материалам конструкции и рабочей жидкости. Агрегат изготавливается в климатическом исполнении УХЛ 4 и 0,4 категории размещения 4 по ГОСТ 15150-69, но для эксплуатации при температуре окружающего воздуха от 10 до 45°С и температуре охлаждающей среды от 10 до 20°С. Агрегат используется совместно с форвакуумным насосом в составе технологической установки или системы в стационарных условиях с атмосферой типа II по ГОСТ 15150-69 во взрывобезопасных помещениях.
Агрегат представляет собой конструкцию, состоящую из диффузионного паромаслянного насоса 3, азотной ловушки 2, вакуумного затвора 1, рамы 4 (для АВДМ-250, АВДМ-400 и АВДМ-630) или плиты 4 (для АВДМ-100 и АВДМ-160) и термореле 5.
Откачиваемый газ захватывается струей паров рабочей жидкости, истекающей из сопел насоса, сжимается и выбрасывается через выходной патрубок к форвакуумному насосу. Азотная ловушка предназначена для предотвращения проникновения паров рабочей жидкости и диффузионного насоса в откачиваемый объем путем конденсации их на охлажденных жидким азотом элементах вымораживающего устройства. Заливка жидкого азота в ловушки агрегатов производится через специальную воронку. Для герметичного перекрытия входного отверстия установлен затвор с электромеханическим приводом.
Насос форвакуумный НФ-8.
Насос форвакуумный НФ-8 предназначен для откачки воздуха, химически неагрессивных газов, паров и парогазовых смесей, предварительно очищенных от капельной влаги и механических загрязнений в вакуумных технологических установках.
Предельное остаточное давление, не более 5*10-3 мм рт. ст.
Мощность, потребляемая насосом при номинальном напряжении электропитания в безрасходном режиме, не более 1,1 кВт
Габаритные размеры 450х210х240 мм
Масса насоса, не более 28 кг.
Заключение.
В ходе выполнения курсовой работы были подробно рассмотрены методы получения тонких плёнок, их схемы работы, а также достоинства и недостатки
представленных методов:
Метод |
Основные достоинства |
Основные недостатки |
Термовакуумное напыление |
Высокая чистота осаждаемого материала; |
Нерегулируемая скорость осаждения |
Ионно-плазменный метод |
Высокая управляемость процессом; лучшая адгезация плёнок к поверхности; |
Высокая температура процесса; возможность распыления только проводящих материалов |
Ионно-лучевые методы |
Возможность нанесения плёнок материалов сложного состава; малое рабочее давление; отсутствие электрических полей; |
Сложность реализации; высокая стоимость оборудования; высокая температура процесса |
Молекулярно – лучевая эпитаксия |
Низкая температура процесса; высокая точность управления уровнем легирования; |
Большое количество источников-нагревателей |
Лазерное распыление |
Обеспечивает меньшее термическое воздействие и смешивание материала подложки с напыляемым материалом |
Высокая стоимость оборудования |
Магнетронное распыление |
Траектория движения электрона замкнутая; ионизация газа происходит непосредственно вблизи поверхности мишени. |
Возможность распыления только проводящих материалов; малая скорость роста плёнки. |
Во второй части курсовой работы рассмотрена разработка технологического процесса напыления тонких плёнок путём магнетронного напыления и определена требуемая быстрота откачки вакуумного насоса для вакуумной камеры типа FL 500.
Подходящим насосом для данного типа камеры, является высоковакуумный диффузионный насос АВДМ-160, с быстротой действия 310 л/с и предельным вакуумом 5x10-7 мм.рт.ст., работающий в паре с форвакуумным насосом марки НФ-8.
Список используемой литературы.
1. Данилин Б.С. «Основы конструирования вакуумных систем» 1971 г. изд «Энергия».
2. Григорьев Ф.И. Плазмохимическое и ионно-химическое травление в технологии микроэлектроники. Учебное пособие. М.: 2003.
3. Панфилов Ю. Нанесение тонких пленок в вакууме. «Технологии в электронной промышленности, №3’2007», С 76-80.
4. Смирнов В. И. Физико-химические основы технологии электронных средств. Учебное пособие. Ульяновск. 2005.
5. Сущенцов Н. И.. Основы технологии микроэлектроники. Лабораторный практикум. Йошкар-Ола. 2005.
6. Технология тонких пленок. Справочник. Под ред. Л. Майссела, Р. Глэнга. Том 1. М.: Советское радио. 1977.
7. wikipedia.org – свободная энциклопедия.