42373

ПОЛУЧЕНИЕ ПЛЕНОК КАТОДНЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ

Лабораторная работа

Физика

Изучение катодного распыления привело к широкому использованию этого явления для создания весьма чистых поверхностей всевозможных тонких пленок металлов и сплавов полупроводников и диэлектриков для травления указанных выше материалов многие из которых не поддаются травлению другими способами. Поэтому в круксовом темном пространстве создается положительный пространственный заряд что приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала. С точки зрения физики разряда наиболее важной является...

Русский

2013-10-29

107.5 KB

29 чел.

Лабораторная работа №2

ПОЛУЧЕНИЕ ПЛЕНОК КАТОДНЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ

(4 часа)

Цель работы:

Ознакомиться с процессом получения тонких металлических пленок катодным распылением мишени.

Введение

Катодным распылением называют разрушение катода в газовом разряде под влиянием бомбардировки положительными ионами.

Изучение катодного распыления привело к широкому использованию этого явления для создания весьма чистых поверхностей всевозможных тонких пленок металлов и сплавов, полупроводников и диэлектриков, для травления указанных выше материалов, многие из которых не поддаются травлению другими способами. Иногда катодное распыление называют диодным — по числу электродов.

             Принципиальная схема установки приведена на рисунке 11.

             

Рис.1    Схема установки для нанесения покрытий катодным распылением:

1 – вакуумная камера;

2 – катод;

3 – заземленный экран;

4 – заслонка;

5 – подложка;

6 – заземленный анод;

7 – нагреватель подложки.

              Метод осуществляется следующим образом.  Вакуумную камеру, содержащую анод и катод, откачивают до давления 10-4 Па, после чего в нее производят напуск инертного газа (обычно это Ar при давлении 1 Па). Для зажигания тлеющего разряда между катодом и анодом прикладывается напряжение 1-10 кВ. Форма установившегося разряда зависит от

  •  величины давления газа,
  •  длины разрядного промежутка,
  •  геометрии электродов,
  •  величины приложенного напряжения
  •  плотности разрядного тока.

При сравнительно небольших плотностях тока между электродами возникает разряд под названием тлеющий. При других параметрах тока и давления могут возникнуть разряды, именуемые лавинными и дуговыми.

Положительные ионы инертного газа, источником которого является плазма тлеющего разряда, ускоряются в электрическом поле и бомбардируют катод, вызывая его распыление. Распыленные атомы попадают на подложку и оседают в виде тонкой пленки2.

При атмосферном давлении ток между анодом и катодом не возникает. Если понижать давление в трубке, то примерно при 5.3 кПа (40 мм рт. ст.) возникает разряд в виде светящегося извилистого тонкого шнура, соединяющего анод с катодом. По мере понижения давления шнур утолщается и приблизительно при 600 Па (5 мм рт. ст.) заполняет все сечение трубки — устанавливается тлеющий разряд.

Тлеющнй разряд - самостоятельный электрический разряд в газе при токах 10-6—1А, имеющий харакгерную структуру в виде чередующихся светящихся участков различного цвета и различной интенсивности свечения. Его основные части показаны на рис. 2. Происхождение этих участков объясняется особенностями элементарных процессов ионизации и возбуждения атомов и молекул.

У катода располагается светящаяся область, называемая катодным свечением или катодной светящейся пленкой. Между катодом и светящейся пленкой находится астоново темное пространство.

По другую сторону катодной светящейся пленки находится темное катодное пространство (круксово темное пространство), которое характеризуется наибольшим изменением потенциала.

Затем следует область отрицательного свечения (тлеющего свечения).

Все перечисленные выше слои образуют катодную часть тлеющего разряда, за которой наблюдается темная, с нечеткими размытыми краями область фарадеева темного пространства. 

Вся остальная  область вплоть до примыкающей к аноду называется положительным столбом.

При понижении давления катодная часть разряда и фарадеево темное пространство расширяются, а положительный столб укорачивается. При давлении порядка 133 Па (1 мм рт. ст.) положительный столб распадается на ряд чередующихся темных и светлых изогнутых слоев — страт.

Рис 2. Внешний вид (а) и распределение параметров в тлеющем разряде (б-д) при относительно низком давлении:

  1.   катод,
  2.  астоново темное пространство,
  3.   катодное свечение,
  4.   катодное (круксово) темное пространство,
  5.  катодное (отрицателое, тлеющее) свечение,
  6.  фарадеово темное пространство,
  7.  положительный столб,
  8.  анодное свечение,
  9.  анодное темное пространство,
  10.   анод;

б) распределение интенсивности свечения по длине разрядной трубки;

в) распределение потенциала по длине разрядной трубки;

г) распределение напряженности поля по длине разрядной трубки,

д) ионный (I) и электронный (II) токи по длине разрядкой трубки

Процессы, необходимые для поддержания тлеющего разряда, происходят в его катодной части. Остальные части разряда не существенны, они могут даже отсутствовать (при малом расстоянии между электродами или при низком давлении).

Основных процессов два. Это

  1.  эмиссия электронов из катода, обусловленная бомбардировкой его положительными ионами,
  2.  ударная ионизация молекул газа электронами .

Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. Вторичные электроны вылетают из катода с небольшой скоростью. В астоновом темном пространстве они ускоряются электрическим полем. Приобретя достаточную энергию, электроны начинают возбуждать молекулы газа, в результате чего возникает тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой.

Электроны, пролетевшие без столкновений в область круксова темного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают. Таким образом, интенсивность свечения газа уменьшается, но зато в  круксовом темном  пространстве образуется  много электронов и положительных ионов. Образовавшиеся ионы вначале имеют очень малую скорость. Поэтому в круксовом темном пространстве создается положительный пространственный заряд, что приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала.

Электроны, возникшие при ионизации в круксовом темном пространстве, вместе с первоначальными электронами проникают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов и суммарным пространственным зарядом, близким к нулю (плазма). Поэтому напряженность поля здесь очень мала — поле не ускоряет электроны и ионы. Благодаря высокой концентрации электронов и ионов в области тлеющего свечения идет интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Таким образом, тлеющее свечение есть в основном свечение рекомбинации.

Из области тлеющего свечения в фарадеево темное пространство электроны и положительные ионы проникают за счет диффузии (на границе между этими областями поле отсутствует, но зато имеется большой градиент концентрации электронов и ионов). Вследствие меньшей концентрации заряженных частиц вероятность рекомбинации в фарадеевом темном пространстве сильно падает. Поэтому фарадеево пространство и является темным.

В фарадеевом темном пространстве уже имеется поле. Увлекаемые этим полем электроны постепенно накапливают энергию, так что в конце концов возникают условия, необходимые для существования плазмы.

Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями разряда.

Свечение положительного столба вызвано переходом возбужденных молекул в основное состояние. Молекулы разных газов испускают при этом излучение разной длины волны. Поэтому свечение положительного столба имеет характерный для каждого газа цвет. Это обстоятельство используется в газосветных трубках для изготовления светящихся надписей и реклам. Эти надписи представляют собой не что иное, как положительный столб тлеющего разряда. Неоновые газоразрядные трубки дают красное свечение, аргоновые — синевато-зеленое и т. д.

Если постепенно уменьшать расстояние между электродами, катодная часть разряда остается без изменений, длина же положительного столба уменьшается, пока этот столб не исчезает совсем. В дальнейшем исчезает фарадеево темное пространство и начинает сокращаться длина тлеющего свечения, причем положение границы этого свечения с круксовым темным пространством остается неизменным. Когда расстояние анода до этой границы делается очень малым, разряд прекращается.

При понижении давления катодная часть разряда занимает все большую долю межэлектродного пространства. При достаточно низком давлении круксово темное пространство распространяется- почти на всю камеру. Свечение газа в этом случае перестает быть заметным, зато стенки трубки начинают светиться зеленоватым свечением Большинство электронов, выбитых из катода и ускоренных катодным падением потенциала, долетает без столкновений с молекулами газа до стенок трубки и, ударяясь о них, вызывает свечение. По историческим причинам поток электронов, испускаемый катодом газоразрядной трубки при очень низких давлениях, получил название катодных лучей. Свечение, вызываемое бомбардировкой быстрыми электронами, называется катодолюминесценцией.

С точки зрения физики разряда наиболее важной является область темного катодного пространства.  Процессы ионизации в области темного катодного пространства являются определяющими для поддержания разряда. Почти все приложенное к разрядному промежутку напряжение падает на темном катодном пространстве, и в этой области электроны и положительно заряженные ионы достигают своих наивысших скоростей.

В других частях разрядного промежутка электроны и ионы движутся не под действием электрического поля, а вследствие диффузии. Положительный столб фактически выполняет функцию проводника между анодом и областью отрицательного свечения.

Ионы, доходящие вследствие диффузии до границы темного катодного пространства, быстро ускоряются в нем и ударяются о катод.

Ширина темного катодного пространства обратно пропорциональна давлению газа. Это объясняется тем, что ширина этой области разряда соответствует определенному числу столкновений электрона, проходящего через это пространство. Число столкновений обратно пропорционально средней длине свободного пробега молекул и, следовательно, величине давления.

Произведение ширины темного катодного пространства и давления при прочих равных условиях является величиной постоянной для каждого газа.

Энергия ионов, ударяющихся о катод, зависит от величины падения напряжения на темном катодном пространстве и от ширины последнего.

Бомбардировка ионами катода вызывает два эффекта:

  •  катодное распыление
  •  эмиссия электронов с катода.

Эмиссия электронов необходима для поддержания тлеющего разряда.

Эффективность катодного распыления характеризуется коэффициентом катодного распыления, который равен числу атомов, распыляемых под воздействием одного иона.

Если разрядное напряжение близко к начальному (пробивному), то в этом случае величина поверхности катодного свечения пропорциональна величине тока и при изменении величины тока плотность тока остается постоянной, так же как и величина напряжения между электродами. Такой разряд называется нормальным тлеющим разрядом.

При увеличении разрядного тока вся поверхность катода покрывается свечением и ток начинает зависеть от приложенного напряжения. В этом случае разряд называют аномальным тлеющим  разрядом.

При нормальном тлеющем разряде коэффициент катодного распыления невелик. Для увеличения эффективности катодного распыления нужно увеличивать энергию ионов и число ионов, падающих на катод в единицу времени. Этого можно добиться проведением катодного распыления в аномальном тлеющем разряде.

Существует несколько теорий, объясняющих явление катодного распыления. Из них наиболее полной и хорошо объясняющей экспериментальные данные является импульсная теория, разработанная Венером. Согласно этой теории, ионы, ударяющиеся о катод, неспособны выбить атомы с его поверхности, а только вызывают в них колебания. Эти колебания передаются более эффективно по направлению наиболее плотно упакованных атомных рядов кристаллической решетки, в том числе и по направлению поверхности катода. Вследствие этого поверхностный атом может получить энергию, достаточную для отрыва от поверхности, и покинуть катод.

Для монокристаллических металлических мишеней распределение атомов по углам вылета происходит преимущественно вдоль нескольких кристаллографических направлений. В результате на подложках образуются характерные картины из напыленного вещества - пятна Венера. Чем меньше масса ионов, тем глубже они проникают в мишень, и тем меньше необходима энергия ионов для выбивания атомов в направлении нормали. Поэтому формы напыленных пятен Венера для различных ионов с одинаковой энергией отличаются друг от друга.

Температура бомбардируемого ионами кристалла является еще одним фактором, оказывающим существенное влияние на угловое распределение выбиваемых ич мишени частиц. Повышение температуры приводит к размытию пятен, Иногда возникают дополнительные пятна.

Большое влияние на процесс катодного распыления оказывает давление газа в разрядной камере. Повышение давления приводит к возрастанию обратной диффузии распыленных частиц на мишень из-за столкновений с молекулами газа. Увеличение числа этих столкновений ионов с атомами газе вызывает разброс углов падения ионов на мишень и уменьшение их энергии. Это приводит к уменьшению коэффициента распыления.

             Преимущества метода катодного распыления в следующем:

  •  безынерционность процесса
  •  низкие температуры процесса
  •  возможность получения пленок тугоплавких металлов и сплавов (в том числе и многокомпонентных)
  •  сохранение стехиометрического исходного материала при напылении
  •  возможность получения равномерных по толщине пленок

             Метод имеет недостатки:

  •  низкая скорость осаждения (0.3-1 нм/с)
  •  загрязнение пленок рабочим газом вследствие проведения процесса при высоких давлениях
  •  низкая степень ионизации осаждаемого вещества.

Практическая часть

  1.  Установить в приборе ВУП-5 элементы подколпачного устройства для получения тонких пленок методом катодного распыления.
  2.  Выполнить вакуумирование и откачку рабочего объема.
  3.  Произвести напыление пленки под руководством преподавателя, обратив внимание на форму тлеющего разряда и зафиксировав параметры напыления – температуру подложки, давление в вакуумной камере, напряжение и ток разряда.
  4.  После напыления сохранить подложку с пленкой для дальнейших исследований.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Что называется реактивным катодным распылением?
  2.  Кикая физическая модель катодного распыления?
  3.  Что называется коэффициентом распыления?
  4.  Почему существует пороговая энергия ионов дли распыления?
  5.  Основные преимпцесгва метода катодного распыления перед термическим испарением,
  6.  Чем определяется энергия ионов, бомбардирующих распыляемую мишень?
  7.  Чем определяется плотность потока ионов па распыляемую мишень?
  8.  Зависит ли скорость распыления материала от угла падения ионов на кристлллографическую плоскость бомбардируемой мишени?
  9.  Как возникает электрический разряд при катодном распылении?

. ЛИТЕРАТУРА

1. Аброян И.А., Андронов А.Н.', Титов А.И- Фнэижтасмс основы тглсоронной к ионной технологии, - М.: Высшая школа, 1984.

I. Распыление твердых тел конной бомбардировкой. / Под ред. Бериш Р. Пер. с англ. Под ред. В.А. Молчанова - М.: Мир, 1988, • С. № - 218.

3. Плешивцев Н.В. Катодное распыление. - М.; Атомнтдат, 1968. - С. 34 - 42.

1 Белый А.В., Карпенко Г.Д., Мышкин Н.К.   Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев. – Москва: Машиностроение, 1991.

2 Никитин М.М.   Технология и оборудование вакуумного напыления.  Москва: Металлургия, 1992


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

44060. Психологізм творчості Михайла Коцюбинського 475 KB
  Зображення процесів внутрішнього життя героїв у дитячих оповіданнях письменника За об’єкт дослідження обрано дитячу та малу прозу Михайла Коцюбинського Цвіт яблуні Сон Що записано в книгу життя В дорозі Дорогою ціною Дебют Лялечка Ft morgn Харитя Ялинка Маленький грішник Intermezzo як найпоказовішу з погляду психологічного зображення зрілості авторської концепції. Із метою ширшого обґрунтування останньої комплексного розгляду художнього психологізму залучено інформацію про особисте життя...
44061. Расчет преобразовательного агрегата 2.27 MB
  Совместно с американскими специалистами были проанализированы достоинства и недостатки электроэнергетики России и США. Специалисты отрасли умели управлять ЕЭС и знали как её оптимально приспособить к рынку.
44062. Податковий контроль 290 KB
  Визначення поняття методика податкового контролю Податковий контроль властивий будь якій державі. Податковий контроль як один із елементів державного регулювання особливо в умовах нестабільної економічної ситуації має стати об’єктивною передумовою подальшого розвитку підприємств сприяти удосконаленню податкового механізму через вияв економіко організаційного механізму оподаткування. У здійсненні податкового процесу чільне місце посідає саме контроль за формуванням і практичною реалізацією системи оподаткування в...
44063. Вплив соціально-психологічних факторів на мотивації поведінки неформальної молоді 588.5 KB
  В даній роботі виконано завдання щодо виявлення на основі тестування впливу соціальнопсихологічних факторів на мотивації поведінки неформальної молоді. Об’єкт дослідження – поведінка неформальної молоді Предмет дослідження – вплив соціально-психологічних факторів на мотивації поведінки неформальної молоді Мета дослідження – виявити соціальнопсихологічні фактори що впливають на мотивацію поведінки неформ молоді Завдання дослідження: аналіз сучасних досліджень впливу соцпсихол фактор на мотивац повед неформальн молодівизначення...
44064. Конкурентоспособность торговой организации ООО «Первая компьютерная компания» 727 KB
  Организационно-экономическая характеристика предприятия Оценка конкурентоспособности предприятия Предмет исследования – конкурентоспособность торгового предприятия. Исходя из поставленных целей можно сформировать следующие задачи: исследование теоретических и методологических основ оценки конкурентоспособности фирмы; обоснование комплексного подхода к обеспечению конкурентоспособности товара; анализ деятельности сети магазинов Первая компьютерная компания; разработка мероприятий по повышению...
44065. АНАЛИЗ БУХГАЛТЕРСКОЙ ОТЧЕТНОСТИ И ФИНАНСОВЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 629 KB
  Анализ финансовых результатов деятельности предприятия Оценка имущественного положения предприятия Оценка ликвидности и платежеспособности вероятности банкротства предприятия Анализ деловой активности и рентабельности предприятия ООО Компания Альянс.
44066. Реалізація засобів моделювання обєкту для MMOPRG засобами Javascript 4.04 MB
  JavaScript - об'єктно-орієнтована скрипкова мова програмування. Являється діалектом мови ECMAScript. JavaScript частіше за все використовується в браузерах як мова сценаріїв для надання інтерактивності веб сторінкам. Тобто за допомогою JavaScript можливо міняти сторінку після того як вона повністю завантажилась у браузер.
44068. Североуральское месторождение бокситов не является исключением ОАО «Севуралбокситруда» 502.5 KB
  Североуральское месторождение бокситов не является исключением ОАО «Севуралбокситруда» - основной поставщик боксита для уральских алюминиевых заводов. В связи с этим развитие ОАО «Севуралбокситруда» придается исключительное знание. Поэтому главным в работе управления «Шахтострой» должно быть максимальное применение высокоиндустриальных и экономических методов строительства, использование новейших достижений науки и техники, применение прогрессивных строительных материалов.