DOUTNAVÝ VÝBOJ. Magnetronové naprašování

Transkript

1 DOUTNAVÝ VÝBOJ Magnetronové naprašování

2 Efektivním způsobem jak získat částice vhodné k růstu povlaku je nahrazení teploty používané u odpařování ekvivalentem energie dodané dopadem těžkéčástice přenosem hybnosti při srážce. Iont urychlený elektrickým polem dopadající na povrch pevné látky může vyrazit z povrchu terče (targetu) částice jeho materiálu. Ty pak obdobně jako u vakuového napařování doletí k substrátu a tam kondenzují. Další vyraženéčástice mohou být sekundární elektrony (rychlé důležité pro udržení výboje) a i dopadající ionty se mohou odrazit. Takto popsaný proces probíhá při diodovém rozprašování a je málo účinný, pro zvýšení proudu bombardujících iontů je třeba zvýšit ionizaci a toho lze dosáhnou vložením magnetického pole, které zakřiví a tím prodlouží dráhy letu nabitých částic. Rozprašovací zařízení zvané magnetron se objevilo až kolem roku 1970 a nerovnovážný magnetron až 1984.

3 Obecně lze rozprašovat všechny materiály, které mají dostatečně nízkou tenzi par aby je bylo možné vložit do vakua. Nicméně některé slitinové materiály se rozprašují preferenčně - tedy nejsou pro rozprašování příliš vhodné. Běžně naprašované kovy (Cu, Ti, Al, W, Mo, Cr, Si atd.) SELFSPUTTERING sputtering yield 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Cr Nb V Ti C ion energy [ev]

4 Co se děje na terči při DC rozprašování kovového (tj. elektricky vodivého) terče inertním plynem např. Cu a Ar? V doutnavém výboji jsou ionty inertního plynu urychlovány katodovým spádem na terč (U m + U p ). Na katodě jsou těmito dopady rozprašovány atomy terče nebo adsorbované atomy pracovního plynu. Tedy ve výboji máme pouze dva prvky a to z rozprášeného terče a výbojového plynu v různých stavu (ionty, neutrály, rychlé neutrály, exitovanéčástice) a elektrony. Um Up Ar + Ar + odražený e - Sekundární elektron M nebo M + rozprášené Ar nebo Ar + Ionty z plazmatu Us Uf 0

5 V závislosti na podmínkách na rostoucí vrstvě (dodatečný ohřev, elektrické předpětí) je možné řídit strukturu a stechiometrii rostoucí vrstvy. Typické pracovní podmínky v magnetronovém výboji jsou: Magnetické pole: 200 až 500G Pracovní tlak:0,1 až 10 Pa Katodový spád: 300 až 700V Tloušťka terče:3 až 20mm Rozprašovací výtěžek je úměrný výkonové hustotě na terči a je omezený možností chlazení terče aby nedocházelo k jeho odpařování, a roste s hmotností bombardujících iontů. Pro různé materiály terčů jsou výtěžky rozdílné viz grafy.

6 Rozprášenéčástice mají za výše uvedených podmínek mají při dopadu na substrát obvykle energii od 1 do 10 ev, což je podstatně více než je obvyklé např. při vakuovém napařování, kde jsou obvyklé energie odpařených částic přibližně kt (0.1 až 0.3 ev). Právě vysoká energie rozprášených částic je důvodem výrazně lepší adheze naprašovaných vrstev k substrátu. a možností ovlivňovat strukturu povlaků několika faktory: tlakem pracovního plynu, předpětím na substrátu apod.

7 Reaktivní naprašování Reaktivní naprašování můžeme popsat jako proces při kterém rozprašujeme (kovový) terč za přítomnosti chemicky aktivního plynu, který reaguje jak s rozprášeným materiálem, tak i s terčem samotným. Reaktivní magnetronové naprašování je velice populární technika při vytváření nových materiálů se specifickými vlastnostmi ze široké skupiny komponent a slitin jako jsou oxidy, nitridy, karbidy, fluoridy a arsenidy. Pokud dále budeme hovořit o oxidech, tak tím rozumíme všechny tyto skupiny produktů. V průmyslové praxy jsou nejběžněji reaktivně naprašované oxidy (ITO, A12O3, In2O3, SnO2, SiO2, Ta2O5), nitridy (TaN, TIN, A1N, Si3N4, CNX), karbidy (TiC, WC, SiC), sulfidy (CdS, CuS, ZnS) a oxidonitridy a oxidokarbidy Ti, Ta, Al, a Si.

8 Výhody reaktivního naprašování Možnosti vytváření povlaků sřízenou stechiometrií a složením s vysokou rychlostí růstu a to vše v průmyslovém měřítku. Terče ze základních prvků jsou obvykle čistší a levnější a tedy výsledné povlaky mohou být také vysoce čisté. Terče ze základních prvků se obvykle snadněji opracovávají a připevňují k nosné desce (je-li to vůbec potřeba) na rozdíl od keramických terčů. Základní prvky (často v praxi kovy) jsou často mnohem lepšími vodiči tepla, tedy chlazení terče je jednodušší a můžeme používat vysoký rozprašovací výkon na jednotku plochy. Vyhneme se složitějším RF zdrojů a nákladným RF přizpůsobením protože většina základních prvků používaných k rozprašování jsou elektricky vodivé. Kompozitní vrstvy můžeme deponovat i pod teplotou substrátů 300 o C.

9 Technologicky je ale reaktivní naprašování komplikované. Do procesu vstupuje mnoho nezávislých parametrů. Komplikací je, že reaktivní plyn nepůsobí pouze na rostoucí naprašovanou vrstvu, ale působí i na samotný rozprašovaný terč. Dochází k tzv. otravě terče. Tím dochází k ovlivnění samotného rozprašování přítomností reaktivního plynu a vzniku hysterezního jevu jako nežádoucích efektů. Jako příklad sledujme reaktivní naprašování SiO 2 naprašováním Si v atmosféře Ar + O 2.

10 Začíná se odprašovat křemík a při pomalém připouštění kyslíku tlak neroste, kyslík je spotřebováván rostoucí vrstvou SiO 2. V bodu A je všechen potřebný O 2 spotřebováván. Další nárůst parciálního tlaku O 2 vede k vytváření oxidové vrstvy na terči (A-B). Následkem je prudký pokles naprašovací rychlosti (B-C) a tlak kyslíku roste. Snížení průtoku O 2 (D- C)nemá okamžitý efekt musí se odprášit oxid z terče. Pak přejde proces opět do odprašování Si (D-A). Proces prochází hysterezní křivkou (ABCDA). To znamená, že není možné rozprašovat terč v intervalu parciálních tlaků p RG odpovídajících přechodu mezi body B-C hysterezní křivky a proto nazýváme tento interval zakázaným.

11 Hysterezní jev je nežádoucí, protože vede k nestabilitě procesu naprašování a proto se ho snažíme eliminovat. Podstatné je, že pro jedno složení výbojové směsi (tok reaktivního plynu) mohou být deponovány vrstvy s dvěmi různými fyzikálními vlastnostmi podle toho, je-li proces v kovovém či oxidovém (nitridovém apod.) módu. Hysterezní jev v přechodové oblasti lze omezit následujícími postupy: Omezení toku reaktivního plynu na terč Pulzní napouštění plynu Řízení čerpací rychlosti Optimalizace vzdálenosti terč-substrát Existence zakázaného intervalu parciálních tlaků reaktivního plynu znamená, že bez dalších opatření nelze realizovat naprašování v určitém intervalu stechiometrií.

12 Proto je nutné pracovat právě za depozičních podmínek těsně před vznikem hysterezní křivky v přechodové oblasti, tj. tok reaktivního plynu fr1, což je obtížné z hlediska udržení stability. Každá větší odchylka v toku nebo tlaku reaktivního plynu povede k přechodu do oxidačního režimu rozprašování a posléze při regulaci systému zpět do kovového modu procesu rozprašování. A tímto cyklem bude rostoucí vrstva znehodnocena. Je nutné zavést řízení procesu pomocí rychlé zpětné vazby vázané na sledování některého z parametrů reprezentujícího stav terče (resp. stupeň jeho otrávení). Takový parametrů je několik, evidentně je to parciální tlak reaktivního plynu a celkový tlak v systému, také ale katodové napětí, výbojový proud a depoziční rychlost. Můžeme využít i sledování některé vlastnosti deponované vrstvy nebo sledovat vybranou optickou emisníčáru citlivou na změnu výbojových podmínek odpovídajících změnám na terči.

13 Konstrukce magnetického obvodu magnetronu vytváří v oblasti několika cm nad povrchem terče pole dostatečně silné k vyvolání cykloidních drah elektronů. Výška oblasti plazmatu nad terčem je přibližně rovna Larmorovu poloměru. Maximální hodnota B je přibližně v polovině poloměru (kruhového) terče. Výsledkem je, že z terče se nejintenzivněji odprašuje tomu odpovídajícíčást povrchu erozní zóna. A tomu také odpovídá rozložení tloušťky naprášeného povlaku :

14 Eroded magnetron target.

15 Až doposud jsme popisovali proces depozice s vyváženým magnetronem (vlevo). Jeho magnetický obvod je navržen tak, že nedochází k přesycení jádra. Podstatné zlepšení přinesl vynález nevyváženého magnetronu (1984), u něhož je část magnetického pole uzavřena přes oblast plazmatu včetně substrátu. Tím je zesílen iontový tok na substrát a zvyšuje se účinek dopadu iontů na strukturu povlaků.

16 Magnetronové naprašování umožňuje vytváření povlaků s řízenou strukturou, reaktivní naprašování také s různými stechiometriemi, které v mnoha případech nelze jinými metodami vůbec vytvořit. Důvodem je to, že lze řídit energii iontů vytvářejících povlak a ten může růst za silně nerovnovážných podmínek. K dispozici máme tyto parametry : - tlak pracovního plynu určuje hustotu Ar iontů bombardujících povrch rostoucí vrstvy, - předpětí na substrátu rovněžřídí energii iontů, - teplota substrátu určuje mobilitu částic na povrchu

17 Jako příklad uvádíme změnu struktury povlaku z čistého titanu na ocelové podložce v závislosti na předpětí U S na substrátu. Při napětí - 50 V roste polykrystalický povlak s různými orientacemi zrn. Při V vymizí fáze s orientací (010), (002) i (011) a zvýší se podíl fáze (110). Povlak deponovaný při 1300 V obsahuje jen fázi (110). Čáry železa jsou důsledkem prosvítání signálu ze substrátu vzhledem k menší tloušťce povlaku.

18 Požadujeme-li naprášení povlaku s určitou strukturou a stechiometrií, musíme podle toho volit parametry depozičního procesu: tlak pracovního plynu p Ar, tlak reaktivního plynu p rg, napětí na magnetronu U m, předpětí na substrátu U b, teplotu substrátu T S. Za účelem zjednodušení této volby byly vytvořeny různé modely. Nejznámější je model Messiera a Movchana & Demchishina:

19 Teplota substrátu: rozhodující je poměr teploty substrátu T S a teploty tání materiálu povlaku T m. Zhruba lze rozlišit interval tohoto poměru 0 až 0,3 (nízká pohyblivost deponovaných částic), 0,3 až 0,7 (vysoká pohyblivost částic umožňuje přesun částic do míst s optimální vazební energií a vytvoření jemné struktury) a interval 0,7 až 1,0 v němž dochází k rekrystalizaci povlaku a zhrubnutí jeho struktury.