Depozícia tenkých vrstiev magnetrónovým naprašovaním F8542 Experimentální metody a speciální praktikum Literatúra •R. F. Bunshah, “Handbook of deposition technologies for films and coatings”, Noyes Publications, Los Angeles, California (1994) ISBN: 0-8155-1337-2 •R. A. Powel, S. M. Rossnagel, “PVD for Microelectronics”, Academic Press, Inc., Boston (1998) ISBN: 9780125330268 •D. Depla, S. Mahieu, Editors, “Reactive Sputter Deposition”, Springer, (2008) ISBN: 978-3-540-76664-3 •S. Berg, T. Nyberg, “Fundamental understanding and modeling of reactive sputtering processes”, Thin Solid Films 476 (2005) 215–230 •T. Nyberg, S. Berg, U. Helmersson, K. Hartig, ”Eliminating hysteresis effect for reactive sputtering processes”, Applied Physics Letters 86 (2005) 164106. • Naprašovanie – motivácia •Naprašovanie spolu s naparovaním, depozíciou katódovým oblúkom a laserovou depozíciou patrí do skupiny PVD (Physical Vapour Deposition) techník, ktorými je možné pripraviť tenké vrstvy •Použitie tenkých vrstiev: priemysel, mikroelektronika, optické a dekoratívne povlaky • Obrázok, na ktorom je objekt, motor, lietadlo, vonkajšie Automaticky generovaný popis Obrázok, na ktorom je vnútri, stôl, počítač, písací stôl Automaticky generovaný popis Obrázok, na ktorom je biele Automaticky generovaný popis Naprašovanie – základné princípy Obrázok, na ktorom je hodiny Automaticky generovaný popis Naprašovanie – základné princípy Naprašovanie – základné princípy Naprašovanie – základné princípy Magnetrón – základný princíp •Pridaním magnetického poľa sa predĺži dráha elektrónov → viac zrážok → efektívnejšia ionizácia •Násobne sa zníži zápalné napätie a zvýši sa prúd •Odprašuje sa však nehomogénne, najviac v miestach kde je najvačší dopad iónov, vytvára sa erózna priekopa (racetrack) •Bežne sa spotrebuje len 30-60% terča • • • Obrázok, na ktorom je text, mapa, kreslenie, hodiny Automaticky generovaný popis Obrázok, na ktorom je vnútri, objekt, hra, vzdialené Automaticky generovaný popis Magnetrón – základný princíp •Sú charakteristické dve konfigurácie magnetického poľa: •Vyvážené – uzavreté magnetické pole, vytvára plazmu s vyššou hustotou, lepšie sa využíva terč •Nevyvážené – magnetické pole je otvorené, vytvára sa vodivý kanál až k substrátu – vyšší bombard iónov a elektrónov na substrát, nižšia efektivita rozprašovania • • • • Obrázok, na ktorom je kreslenie Automaticky generovaný popis Vyvážené magnetické pole Nevyvážené magnetické pole Reaktívne magnetrónové naprašovanie Reaktívne magnetrónové naprašovanie Obrázok, na ktorom je fotografia, pestrofarebné, červené, stojaci Automaticky generovaný popis Obrázok, na ktorom je mapa, červené, visiaci, svetlo Automaticky generovaný popis I II I II Reaktívne magnetrónové naprašovanie •Podmienky medzi oboma kritickými bodmi sú nestabilné a pri stabilnom prietoku nedosiahnuteľné •V tejto oblasti sa však tvoria stechiometrické vrstvy s relatívne vysokou depozičnou rýchlosťou •Preto sa používa spätnoväzobné riadenie ktoré prietok plynu vhodne pulzuje a tým je možné dosiahnuť aj body v prechodovej oblasti • • • • • Obrázok, na ktorom je fotografia, visiaci, pestrofarebné, rôzne Automaticky generovaný popis Obrázok, na ktorom je text, mapa, červené Automaticky generovaný popis Reaktívne magnetrónové naprašovanie •Bergov model zjednodušene popisuje hysterézne správanie •Uvažuje rovnovážny stav procesov prebiehajúcich na terči a substráte •Uvažuje rovnomerné rozloženie odprašovania z celého povrchu terča, na povrchu terča sa tvorí len monovrstva zložených molekúl, zanedbáva sa uhlová distribúciu odprašovania a transport častíc na substrát • • Reaktívne magnetrónové naprašovanie •Terč sa odprašuje ale zároveň otravuje. Pre daný parciálny tlak reaktívneho plynu existuje rovnovážny stav kedy Θt označuje časť terča pokrytú zloženými molekulami, a (1-Θt) nezreagovanú metalickú časť •Podobne na substráte je definovaná časť pokrytá zloženými molekulami Θs a metalickými atómami (1-Θs) • • • Reaktívne magnetrónové naprašovanie Reaktívne magnetrónové naprašovanie Reaktívne magnetrónové naprašovanie Reaktívne magnetrónové naprašovanie •Možnosti potlačenia hysterézneho správania: •Zmenšenie terča - neefektívne •Zvýšenie prúdu – problém so zahrievaním terča •Zvýšenie čerpacej rýchlosti – veľká spotreba reaktívneho plynu •HiPIMS – pulzy veľkého výkonu • • • • Úloha: •Namerajte hysteréznu závislosť reaktívneho magnetrónového naprašovania v depozičnom procese kedy odprašujeme z Ti terča a pripúšťame N2. Monitorujte závislosť napätia a parciálneho tlaku dusíku na prietoku reaktívneho plynu pri zvyšovaní a znižovaní prietoku dusíku. Simulujte tento proces pomocou Bergovho modelu tak, aby čo najlepšie sedeli kritické body hysterézneho správania. • • • •