Оксид цинка распыляемые мишени

ОТЧЁТ

О ВЫПОЛНЕНИИ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Волны в активных и пассивных периодических структурах

Выполнил студент Олийнык Е. С.

Руководитель профессор Хрипунов Г.С

 

Харьков 2011

РЕФЕРАТ

 

Курсовая работа:

Объект исследования: Тонкопленочный материал оксида цинка (ZnO).

 

Цель работы: изучение характеристик тонкопленочного материала оксида цинка (ZnO) полученного при помощи магнетронного распыления.

 

Методика исследования: теоретическое изучение характеристик тонкопленочного материала оксида цинка (ZnO) полученного при помощи магнетронного распыления.

 

Был проведён обзор теоретических и прикладных исследований в области тонкопленочного материала оксида цинка полученного при помощи магнетронного распыления. В теоретической части были рассмотрены. В прикладной части был рассмотрен принцип напыления оксида цинка на подложку методом магнетронного напыления. В выводах рассматриваются характеристики и методы применения тонкопленочного материала оксида цинка.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Вступление ..................................................................................................................

1 Методы распыления тонкопленочных материалов

1.1 Термическое испарение из жидкой фазы

1.2. Термическое « взрывное» испарение

1. 3.Ионное распыление

1. 4. Магнетронное распыление

 

2 Детальное рассмотрение магнетронного распыления

3 Конструкция магнетрона

Источники питания распылительных систем

3.2 Подложкодержатель

3.3 Контроль технологического газа

Многофункциональные установки для нанесения покрытий

Оксид цинка распыляемые мишени

 

 

Выводы ...................................................................................................................

Список литературы ..................................................................................................

 

 

ВВЕДЕНИЕ :

Получение высококачественных и воспроизводимых по па-
раметрам тонкопленочных слоев —один из базовых техноло-
гических процессов микроэлектроники, от совершенства кото-
рого по многом зависит качество изготовления ИС в целом.
Поэтому совершенствование традиционных методов "и разра-
ботка новых является актуальной задачей техники и техноло-
гии нанесения пленок.

Современные тенденции в выборе методов осаждения
пленок с заданными свойствами основываются в первую
очередь на показателях экономической эффективности и про-
изводительности. а также на возможности простого управле-
ния процессом и его автоматизации в производственных усло-
виях. В соответствии с этим наиболее перспективным методом
следует считать осаждение пленок, стимулируемое плазмой,
или так называемое иоино-плазмениое распыление.

Среди широкого класса устройств для генерации потоки
осаждаемых частиц на основе эрозии электродов в вакуум-
ном разряде особое место занимают магнетронные распыли-
тельные устройства. В настоящее время они становятся ос-
новным технологическим инструментом для осаждения тонких
пленок метолом распыления материалов ионной бомбарди-
ровкой.

Дело в том, что наиболее распространенные и освоенные
в тонкопленочной технологии микроэлектроники диодные си-
стемы ионного распыления (катодное распыление) характе-
ризуются серьезными ограничивающими факторами, основны-
ми из которых являются: низкие скорости осаждения пленок
(до 20 -100 нм/с); бомбардировка подложек (структур) вы-
сокоэнергегическими вторичными электронами (до 3—5 кэВ);
сравнительно высокое давление рабочих газов в процессе
распыления (1 —10 Па).

Появившиеся в последние годы магнетронные распыли-
тельные устройства, представляющие собой развитие диодной
системы ионного распыления, устранили вышеперечисленные
ограничения и подтвердили перспективность ионного распы-
ления как промышленного и шнрокоуннверсального метода
нанесения тонких пленок.

Физической основой принципа действия магнетронного
распылительного устройства, как и диодной системы, являет-
ся разновидность классического самостоятельного аномаль-
ного тлеющего разряда в разреженном газе. Отличительная
особенность магиетронных распылительных устройств состо-
ит в наличии кольцеобразной замкнутой зоны скрещенных
неоднородных электрических и магнитных полей, локализую-
щих разрядную плазму в прикатодной области. Это принци-
пиальное нововведение привело, по существу, к созданию
нового типа устройств ионного распыления и позволило зна-
чительно превзойти технические параметры и расширить тех-
нологические возможности обычных диодных и других разно-
видностей распылительных систем, а именно:

— повысить в несколько десятков раз скорость осаждения
материалов, приблизив ее к скорости термовакуумного осаж-
дения;

— понизить на порядок рабочее давление, что резко
уменьшает загрязнение пленок газовыми включениями;

— исключить интенсивную бомбардировку подложек
высокоэнергетическнми электронами, т. е. устранить некон-
тролируемый нагрев подложек и повреждение структур;

обеспечить нанесение пленок алюминия и его сплавов
с большими скоростями распыления.

Кроме того, такие устройства, обеспечивающие длитель-
ный ресурс работы, дают возможность создания установок
полунепрерывного и непрерывного действия, удобных для
эксплуатации в промышленных условиях.

Все это делает актуальным вопрос о внедрении и дальней-
шем развитии техники и технология нанесения пленок в про-
изводстве ИС с использованием магиетронных распылитель-
ных устройств.

Многие ведущие зарубежные фирмы создали и выпускают
широкую гамму оборудования на основе магиетронных рас-
пылительных систем.

Магнетронные распылительные устройства по существу
являются автономными источниками распыления материалов,
и многие новые замечательные качества этого класса ионных
распылительных устройств служат основательным поводом
присвоить им особое название. В настоящее время в отечест-
венной и зарубежной литературе наряду с наименованием их
как «магнетронные распылительные устройства» используют-
ся менее удачные, по нашему мнению, наименования: «распы-
лительные пушки», «плазмотроны», «магнетроны», «магне-
тронные источники», «системы с катодом Пеннинга». «источ-
ники высокоскоростного распыления», «распыление с дрей-
фующими электронами», «магнетронные системы ионного
распыления .

 

 

1. Методы распыления тонкопленочных материалов:

1.1 Термическое испарение из жидкой фазы

Термическое испарение - самый старый и известный способ получения тонких пленок силицидов. Метод состоит в том. что напыляемый материал нагревается в вакууме до температуры, при которой он расплавляется и начинает интенсивно испаряться. В вакууме МО"*110 ⁵ мм рт. ст. длина свободного пробега испаренных молекул намного больше расстояния между подложкой и источником, поэтому испарившиеся частицы образуют направленный молекулярный поток. На размешенной на их пути подложке происходит осаждение материала в виде тонкой пленки.

Для испарения резистивных материалов из силицидов металлов
используют обычно косвенный подогрев. В этом случае электрическим током разогревается вольфрамовый испаритель, на котором находится испаряемый материал.

Главное достоинство описанного метода - его простота. Недостатков у него, к сожалению, больше. К ним относятся:

• Невозможность испарения тугоплавких металлов

• Трудность испарения сплавов (к ним относятся и силициды)
ввиду различия скоростей испарения отдельных их компонентов, что обусловлено различием в значении упругости их паров.

• Химическое взаимодействие расплава напыляемого материала

с материалом подогревателя.
В результате характеристики полученных пленок отличаются от
соответствующих характеристик исходного материала. Причиной
этого является изменение структуры пленок и загрязнение их мате-
риалом нагреватели.

 

1.2. Термическое « взрывное» испарение

В метоле термического «взрывною» испарения порошкообразный
испаряемый материал сложного состава из вибробункерного устройства непрерывно подается на испаритель, предварительно нагретый
до температуры, превышающей температуру испарения наиболее тугоплавкого компонента. В результате происходит мгновенное «взрывообразное» испарение порции материала. Температура испарителя
должна быть выбрана очень тщательным образом, так как при слишком высокой температуре испарителя частицы материала могут отражаться от испарителя, не расплавляясь и не испаряясь.

Подача материала на испаритель тоже должна осуществляться
со строго определенной постоянной скоростью, равной скорости ею
испарения. Только тогда состав пленки будет соответствовать составу исходного материала

Применение метода «взрывного* испарения позволяет получать
высококачественные резистивные пленки из металлосилицилных
сплавов, но технологически метод сравнительно сложен.

1. 3. Ионное распыление

Ионное распыление металлосилицилных сплавов имеет ряд принципиальных технологических преимуществ:

• Многокомпонентные материалы не фракционируют, и состав
пленки примерно соответствует составу исходного материала

• Мишень используется многократно, что обеспечивает высокую
чистоту и воспроизводимость состава пленки

• Поддерживая постоянным ток разряда, можно строго контролировать скорость осаждения

• Высокая энергия распыленных атомов и ионов рабочею газа способствуют повышению адгезии пленки к подложке и выбиванию
из пленки атомов загрязнений.

Несмотря на перечисленные принципиальные преимущества,
метол ионного распыления сначала ограниченно использовался в
электронной промышленности для получения резистивных слоев.
Объясняется это тем, что из-за сравнительно низких скоростей рас-
пыления пленки загрязнялись молекулами остаточных газов. Этот
недостаток удалось преодолеть только при использовании магнетронных источников распыления.

 

1. 4. Магнетронное распыление

С появлением и развитием магнетронного распыления ионное рас-
пыление прочно вошло в практику современного производства гибридных интегральных схем. Магнетронное распыление применяется
в двух вариантах. Первый предусматривает применение двух источников распыления, один из которых распыляет кремний, а другой - тугоплавкий металл. Преимущества данного метода заключаются в том, что мишени для него сравнительно легче изготовить и они дешевле. Кроме того, возможно гибкое регулирование состава получаемых пленок за счет изменения режима одного из магнетронов. Недостатки этого варианта вытекают из его достоинств. Он характеризуется сложностью оборудования (два магнетрона и источника питания), а для получения воспроизводимого состава пленок необходимо применять специальные устройства стабилизации скоростей распыления каждого источника. Поэтому данный вариант используется только в исследовательских работах, когда важно изучить поведение пленок различного состава.

В промышленных масштабах используется обычно второй вари-
ант. Во втором варианте используется один источник распыления,
мишень которого выполнена из силицидов тугоплавкого металла (5).
Мишени нужного состава изготавливаются методами порошковой
металлургии.

 

 

2. Детальное рассмотрение магнетронного распыления

К ограничениям и недостаткам процесса катодного распыления относятся:

- возможность распыления только проводящих материалов, способных эмитировать в разряд электроны, ионизирующие молекулы аргона и поддерживающие горение разряда;

- малая скорость роста плёнки (единицы нм/с) из-за значительного рассеивания распыляемых атомов материала в объёме рабочей камеры.

Разновидность методов на основе тлеющего разряда является магнетронное распыление. Магнетронные системы ионного распыления относятся к системам распыления диодного типа, в которых атомы распыляемого материала удаляются с поверхности мишени при ее бомбардировке ионами рабочего газа (обычно аргона), образующимися в плазме аномального тлеющего разряда. Для увеличения скорости распыления необходимо увеличить интенсивность ионной бомбардировки мишени, т. е. плотность ионного тока на поверхности мишени. С этой целью используют магнитное поле В, силовые линии которого параллельны распыляемой поверхности и перпендикулярны силовым линиям электрического поля Е.

Катод (мишень) помещен в скрещенное электрическое (между катодом и анодом) и магнитное поле, создаваемое магнитной системой. Наличие магнитного поля у распыляемой поверхности мишени позволяет локализовать плазму аномального тлеющего разряда непосредственно у мишени. Дуги силовых линий В замыкаются между полюсами магнитной системы. Поверхность мишени, расположенная между местами входа и выхода силовых линий В и интенсивно распыляемая, имеет вид замкнутой дорожки, геометрия которой определяется формой полюсов магнитной системы. При подаче постоянного напряжения между мишенью (отрицательный потенциал) и анодом (положительный или нулевой потенциал) возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий разряд. Эмиттированные с катода под действием ионной бомбардировки электроны захватываются магнитным полем и оказываются как бы в ловушке, создаваемой, с одной стороны, магнитным полем, возвращающим электроны на катод, а с другой стороны – поверхность мишени, отталкивающей электроны. В результате электроны совершают сложное циклоидальное движение у поверхности катода. В процессе этого движения электроны претерпевают многочисленные столкновения с атомами аргона, обеспечивая высокую степень ионизации, что приводит к увеличению интенсивности ионной бомбардировки мишени и соответственно значительному возрастанию скорости распыления.

Основные параметры магнетронных систем ионного распыления:

- удельная скорость распыления – (4-40)·10^-5 г/(см²·с);

- эффективность процесса генерации (по меди) - 3·10^-6 г/Дж;

- энергия генерируемых частиц – 10-20 эВ;

- энергия осаждаемых частиц – 0,2-10,0 эВ;

- скорость осаждения 10-60 нм/c;

- рабочее давление – (5-50)·10^-2 Па.

К основным достоинствам магнетронных распылительных систем следует отнести:

- высокие скорости распыления при низких рабочих напряжениях (≈500 В) и небольших давлениях рабочего газа;

- низкие радиационные дефекты и отсутствие перегрева подложек;

- малую степень загрязненности пленок посторонними газовыми включениями;

- возможность получения равномерных по толщине пленок на большой площади подложек.

 

 

3. Конструкция магнетрона

Магнетроны обеспечивают высокую скорость нанесения покрытия и макисмальное использование материала мишени.

Можно установить до трех источников с диаметром мишени 75 мм или 100 мм для увеличения зоны распыления. Также возможно использование магнетронов с меньшей площадью мишени.

Продуманная конструкция магнетрона позволяет быстро и просто производить смену мишени. Использование мишеней в виде диска минимизирует расход распыляемого материала.

Магнетрон состоит из: