Автор работы: Пользователь скрыл имя, 06 Марта 2014 в 16:31, курсовая работа
Цель работы:
Провести теоретические и экспериментальные исследования работы магнетронной распылительной системы с ионным ассистированием. Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи:
1. Изучить теоретические основы магнетронного распыления и ионного ассистирования.
2. Ознакомиться с устройством и принципами работы установки для нанесения покрытий магнетронным методом с ионным ассистированием.
Введение. 3
1. Физические основы метода. 5
1.1. Метод магнетронного напыления покрытий с ионным ассистированием. 5
1.2.Ионная очистка. 9
2. Расчет распределения толщины покрытия по поверхности образцов. 12
3. Методика эксперимента. 17
3.1. Описание установки. 17
3.2. Технологический цикл нанесения покрытий. 20
3.3. Результаты и их обсуждение. 22
Заключение. 26
Список используемой литературы. 27
При расчёте распределения толщины плёнки, формируемой методом осаждения распыленного материала из кольцевого испарителя, сделаем следующие допущения:
В общем случае толщина пленки на единицу площади в произвольной точке подложки описывается выражением [5]:
где V - скорость распыления мишени;
φ - угол между нормалью к поверхности распыления и направлением распыления;
ψ- угол между нормалью к поверхности подложки и направлением осаждения;
r - расстояние от элемента распыления до точки осаждения;
t - время распыления.
Модель процесса напыления плёнки будем строить для случая, показанного на рис. 4, когда мишень 1 и подложка 2 параллельны и соосны. В этом случае угол распыления равен углу конденсации, т.е. φ = ψ.
.
Рис.4. 1-мишень; 2-подложка;
Распределение распыленного материала по подложке является центрально-симметричным, и описываться одной переменной - расстоянием от центра l. Угол φ = ψ можно выразить через расстояние от мишени до подложки H и расстояние от точки распыления атома до точки осаждения r: cosφ=H/r. Подставляя в исходное уравнение (1), получим:
Выразим расстояние r через элементы l, R, d, H:
l=R+d;
d=l-R;
r2=H2+d2;
r2=H2+l2+R2-2lR;
подставим в уравнение (2) и получим конечное выражение для толщины покрытия:
h=Vt H2/π(H2+l2+R2-2lR)2.
Выразим h в относительных единицах:
h/h0=(Vt H2/πh0(H2+l2+R2-2lR)2,
где h0 – толщина покрытия в центре подложки (l=0), при H=20мм.
Рис.5. Распределение толщины покрытия, при H=20мм; R=10мм; V=1мм/ч; t=1ч.
Примем за максимально допустимую степень неравномерности толщины покрытия на подложке Dmax=20%. Как видно из рис.5, область равномерного распределения составляет L=14мм. Таким образом, для нанесения покрытия с равномерным распределением по толщине на изделия протяжённостью более 14 мм необходимо использовать несколько распылителей. Из соображений, что на установке будут обрабатываться образцы длиной не более Lобр=120мм, рассчитаем такое положение двух магнетронов относительно образцов и друг друга, при котором обеспечивается приемлемая степень однородности распределения толщины покрытия. Т.к. радиус распыляемых мишеней составляет R=20мм, следовательно, минимальное расстояние, на которое можно поместить магнетроны, Δlmin=40мм, а максимальное Δlmax =120мм.
Результаты расчётов представлены на рис. 6, 7, 8.
Рис.6. Распределения толщины покрытия при Δl=40мм (DH=20=96%, DH=40=76%, DH=60=62%).
Рис.7. Распределения толщины покрытия при Δl=80мм (DH=20=92%, DH=40=52%, DH=60=23%).
Рис.8. Распределения толщины покрытия при Δl=120мм (DH=20=98%, DH=40=81%, DH=60=52%).
Рис.9. Оптимальное распределение, Н=60мм, Δ l=83мм.
При Н=60мм, Δl=83мм получим D=20%, L=120мм, следовательно, распределение с данным набором параметров Н и Δl (рис.9) является оптимальным, т.к. результаты удовлетворяют условиям задачи (D≤Dmax; L≥Lобр; Δlmin≤ Δl≤ Δlmax).
Эксперименты были проведены на установке для нанесения покрытий (рис.11), состоящей из вакуумной камеры 1, шести плоских магнетронов 2, двух ионных источников холловского типа 3, манипулятора 4 и экрана 5.
Образцы закрепляются на электрически изолированные держатели манипулятора, на которые можно подавать отрицательный потенциала до 1 кВ относительно заземлённой камеры. Манипулятор обеспечивает вращение образцов со скорость 2об/мин относительно оси вакуумной камеры, причём вокруг своей оси держатели совершают полный оборот в пределах сектора с наиболее интенсивным потоком распылённых атомов мишени. Камера помещена на вакуумный стенд 6 с безмаслянной откачкой. Для форвакуумной откачки используется пластинчато-роторный насос 2НВР-90Д (быстродействие 25л/с), для достижения предельного давления (4,27·10-7 Торр) - турбомолекулярный насос ТМН-500 (быстродействие 500л/с). Рабочий газ напускается в объем камеры через ионные источники, газовый поток контролируется многоканальной электронной системой Bronkherst HIT-TECH. Для электрического питания магнетронов используется шестиканальный блок с возможностью электронного документирования параметров разряда магнетронов и автоматической блокировки работы устройств в случае нештатной ситуации. Он размещается совместно с двумя блоками питания источников ионов и блоком смещения напряжения в стойке управления.
В магнетронах используются постоянные Sa-Co магниты с напряженностью поля на полюсах 0,4 Тл. Распыляемые мишени представляют собой диски диаметром 40мм и толщиной 3-4мм. Технологический цикл обработки изделий включает в себя этап чистки мишеней. Для того чтобы распылённый при этом материал не осаждался на образцы используется экран 5. Фланцы камеры, магнетроны и источники ионов охлаждаются проточной водой.
Технические характеристики газоразрядных устройств, используемых в данной установке представлены в табл.2.
Табл.2. Технические характеристики магнетрона и источника ионов.
Ток разряда, А |
Напряжение горения разряда, В |
Минимальное рабочее давление, Торр | |
Магнетрон |
0-0,3 |
150-450 |
2·10-3 |
Исочник Холла |
0-0,5 |
300-500 |
10-3 |
Рис.10. Внешний вид установки.
В качестве образцов для данного эксперимента использовали 12 трубок из конструкторской стали со средней длиной l=10 мм, внешним диаметром Dобр=6мм и внутренним dобр=3,7мм, закреплены на шпильке диаметром Dш=3мм и зажаты гайками с двух сторон.
Технологический цикл эксперимента:
1. Очистка образцов в ультразвуковой ванне (t=30мин).
2. Измерение массы образцов.
3. Ионная чистка образцов (t=20мин).
Устанавливаем образцы в вакуумную камеру и откачиваем до предельного давления P=2·10-5 Торр. Задаём поток аргона QAr=20 мл/мин, давление 10-3 Торр. Включаем ионные источники с током Ii=0,4А и задаем напряжение смещения U=1кВ. Экран закрывает мишени.
4. Чистка мишеней (t=2мин).
Устанавливаем поток аргона QAr=45 мл/мин, давление P=2,2·10-3 Торр. Включаем магнетроны с током Im=200 мА. Экран закрывает мишени.
5. Охлаждение образцов в вакууме (t=20 мин).
Давление остаточного газа P=2×10-5 Торр.
6. Контрольное измерение массы образцов для определения количества распылённого материала. После чего повторяем предыдущие этапы цикла (ионную чистку образцов и чистку мишеней).
7. Нанесение покрытия (t=60мин).
Устанавливаем потоки газов: QAr=28,8 мл/мин, QN2=6,2 мл/мин. Напряжение смещение задаем U=100В. Открываем экран. Ток магнетронов и источников ионов 0,4 200.
8. Охлаждение образцов в вакууме (t=40 мин).
Давление остаточного газа P=2×10-5 Торр.
9. Контрольное измерение массы образцов для определения массы напыленного материала.
Результаты эксперимента представлены в таблице 3.
Табл.3. Результаты эксперимента.
№обр. |
lср, мм |
m1, г |
m2, г |
Δ m, г |
m3, г |
m4, г |
m5, г |
1 |
9,25 |
1,255 |
1,253 |
0,002 |
1,251 |
1,2529 |
0,0019 |
2 |
10,05 |
1,3622 |
1,36 |
0,0022 |
1,3578 |
1,3596 |
0,0018 |
3 |
10,175 |
1,3707 |
1,3684 |
0,0023 |
1,3661 |
1,368 |
0,0019 |
4 |
9,85 |
1,3508 |
1,348 |
0,0028 |
1,3452 |
1,3473 |
0,0021 |
5 |
10,05 |
1,3607 |
1,3581 |
0,0026 |
1,3555 |
1,3573 |
0,0018 |
6 |
10,325 |
1,4037 |
1,4008 |
0,0029 |
1,3979 |
1,4001 |
0,0022 |
7 |
10,05 |
1,3782 |
1,3752 |
0,003 |
1,3722 |
1,3747 |
0,0025 |
8 |
9,9 |
1,3485 |
1,3457 |
0,0028 |
1,3429 |
1,3453 |
0,0024 |
9 |
10,075 |
1,3698 |
1,3669 |
0,0029 |
1,364 |
1,3664 |
0,0024 |
10 |
10 |
1,3458 |
1,3429 |
0,0029 |
1,34 |
1,342 |
0,002 |
11 |
9,35 |
1,2681 |
1,2655 |
0,0026 |
1,2629 |
1,2647 |
0,0018 |
12 |
9,9 |
1,3273 |
1,3245 |
0,0028 |
1,3217 |
1,3236 |
0,0019 |
где lср– средняя длина образца,
m1 – масса образцов после чистки в УЗ-ванне,
m2 – масса образцов после ионной чистки,
Δm – масса распыленного материала при ионной чистке (Δm=m1-m2)
m3 – масса образцов после второй ионной чистки (m3=m2-Δm)
m4 – масса образцов после нанесения покрытия,
m5 – масса нанесенного покрытия.
Используя измеренные нами длину l и внешний R радиусы каждого из образцов, найдем их площадь:
Sпов=2πR l.
Зная плотность нитрида титана ρTiN=5,1 г/см3 и массу покрытия, найдем его толщину:
h=
Погрешность Δh в определинии толщины покрытия, состоит из погрешностей измерительных приборов (весы Δm и штангенциркуль Δl) и погрешности определения площади ΔS.
Погрешность приборов определяем по их тех. паспортам:
Δm=5·10-5 г ; Δl=5·10-2 мм.
Погрешность определения площади связана с неидентичностью образцов. Кроме того, торцевая поверхность образцов не строго перпендикулярна боковой поверхности, что приводит к осаждению на неё распыленных атомов мишени. Следовательно, максимальная площадь, на которой может быть сформировано покрытие, равна сумме площадей боковой и двух торцевых поверхностей.
Smax=Sбок+2Sторц;
а минимальная:
Smin=Sбок.
Согласно методу Корнфельда [10]:
Результаты приведенных выше расчетов для каждого из образцов представлены в таблице 4.
Табл.4. Результаты расчетов.
№обр. |
lср, мм |
m5, г |
Sпов, мм2 |
V, мм3 |
h, мм |
Δ l, % |
Δ m,% |
Δ S,% |
Δ h, % |
1 |
9.250 |
0.0019 |
174.270 |
0.3725 |
0.0021 |
0.5405 |
2.6316 |
11.0090 |
11.3321 |
2 |
10.050 |
0.0018 |
189.342 |
0.3529 |
0.0019 |
0.4975 |
2.7778 |
10.1327 |
10.5183 |
3 |
10.175 |
0.0019 |
191.697 |
0.3725 |
0.0019 |
0.4914 |
2.6316 |
10.0082 |
10.3600 |
4 |
9.850 |
0.0021 |
185.574 |
0.4118 |
0.0022 |
0.5076 |
2.3810 |
10.3384 |
10.6212 |
5 |
10.050 |
0.0018 |
189.342 |
0.3529 |
0.0019 |
0.4975 |
2.7778 |
10.1327 |
10.5183 |
6 |
10.325 |
0.0022 |
194.523 |
0.4314 |
0.0022 |
0.4843 |
2.2727 |
9.86279 |
10.1328 |
7 |
10.050 |
0.0025 |
189.342 |
0.4902 |
0.0023 |
0.4975 |
2,0000 |
10.1327 |
10.3401 |
8 |
9.900 |
0.0024 |
186.516 |
0.4706 |
0.0023 |
0.5051 |
2.0833 |
10.2862 |
10.5072 |
9 |
10.075 |
0.0024 |
189.813 |
0.4706 |
0.0022 |
0.4963 |
2.0833 |
10.1075 |
10.3319 |
10 |
10,000 |
0.0020 |
188.400 |
0.3922 |
0.0021 |
0.5000 |
2.5000 |
10.1833 |
10.4976 |
11 |
9.350 |
0.0018 |
176.154 |
0.3529 |
0.0020 |
0.5348 |
2.7778 |
10.8913 |
11.2526 |
12 |
9.900 |
0.0019 |
186.516 |
0.3725 |
0.0020 |
0.5051 |
2.6316 |
10.2862 |
10.6295 |
Среднее |
9.915 |
0.0021 |
186.791 |
0.4036 |
0.0021 |
0.5048 |
2.4624 |
10.2809 |
10.5868 |
Рис.12. Теоретическое и эксперементальное распределение толщины покрытия.
Полученные распределения имеют степени неоднородности Dэксп=20% и Dтеор=32%. Причиной различия является то, что в установке используется не два, а система из шести попарно расположенных магнетронов. Таким образом, при напылении одной парой магнетронов, потоки от двух других, в меньшей степени, но воздействуют на образец, чем делают распределение более равномерным.
В ходе данной работы были изучены физические принципы, лежащие в основе работы установки для нанесения покрытий магнетронным методом с ионным ассистированием, его внутреннее устройство и основные узлы.
Информация о работе Метод магнетронного напыления покрытий с ионным ассистированием