Оптимизация процесса напыления материала в магнетронной системе распыления
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 50 100 раз выше по сравнению с обычным ионно-плазменным распылением. Высокая скорость распыления материала в магнетронной системе распыления… Читать ещё >
Оптимизация процесса напыления материала в магнетронной системе распыления (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
1. Задание
2. Краткие теоретические сведения
3. 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
№ варианта | Материал | Толщина пленки, мкм | Диаметр пластины, мм | Неравно-мерность, % | Радиус распыления, см | Ток разряда, А | |
Cu | 0,3 | 6,5 | |||||
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 50 100 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:
1 — 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 Ми и Ма — атомные массы ионов и атомов мишени, г/моль;
Еи — энергия падающих ионов, эВ;
Есуб — энергия сублимации атомов мишени, эВ;
— безразмерный параметр, зависящий от Ми/Ма.
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.
Материал | Атомный номер Z | Атомная масса М, г/моль | Энергия сублимации Ес, эВ | Плотность, г/см3 | |
Cu | 63.5 | 3.56 | 8.96 | ||
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:
Ма /Мu=1.59, где Ми и Ма — атомные массы ионов и атомов мишени, г/моль.
Рис 3. Зависимость параметра от отношения Ма /Ми
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: jи=0.337 А/см2
Определим скорость распыления по формуле:
3.065Ч10-5 см/с,
где е — заряд электрона (1.6×10-19 Кл);
NА — число Авогадро (6.023×1023 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
Заданное значение характеристики (достигнутое значение характеристики) | Параметр достижения заданной характеристики | |||
Неравномерность | 3% (2.732%) | Расстояние от мишени до пластины | 5.2 см | |
Толщина напыляемой пленки | 0.3 мкм (0.274 мкм) | Время напыления | 2000 с | |
Даже при незначительном нарушении выполнения техпроцесса получения пленки (при изменении времени напыления на единицы секунд), значение толщины и неравномерности пленки останутся в заданных пределах.
Андреев В.В., Столяров А. А. Моделирование технологических процессов микроэлектроники. Методич. пособие. — КФ МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. — 44с.
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.
Никоненко В. А. Математическое моделирование технологических процессов: Моделирование в среде MathCAD. Практикум / Под ред. Г. Д. Кузнецова. — М: МИСиС, 2001. — 48с.