Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Значительное повышение производительности нанесения покрытий при использовании магнетронных распылительных систем (МРС) может быть достигнуто, если создать условия, при которых энергия плазмы эффективно расходуется на нагрев вещества мишени. Тогда к распылительной компоненте осаждаемых частиц добавляется поток сублимированных либо испаренных атомов [1]. В этом случае скорость осаждения пленки равна
где и – составляющие скорости осаждения за счет испарения и распыления соответственно.
Для выяснения особенностей формирования структурных свойств металлических покрытий, наблюдаемых экспериментально при реализации этого метода, было решено привлечь математическое моделирование процессов на поверхности растущей пленки. Исходными данными для решения поставленной задачи были характеристики плотности потока осаждаемых частиц и их энергетический спектр.
В качестве инструмента моделирования использовался пакет NASCAM [3]. В программном коде NASCAM реализован метод статистического моделирования, что позволяет рассчитывать системы, численность которых достигает сотен тысяч атомов [4].
Входные параметры программы подбирали на основе эксперимента [2] с жидкофазной магнетронной распылительной системой. Данные эксперимента представлены ниже:
режим работы… МРС со среднечастотным источником питания
осаждаемое вещество… Al
мощность МРС, Вт… 3500
рабочее напряжение U, В… 558
температура мишени T, K… 1493
рабочий газ… самораспыление
рабочее давление, Па… 0,18–0,2
скорость осаждения пленки , нм/c… 50,6
скорость испарения , нм/c… 42,8
скорость распыления , нм/c… 7,8
Расчет скорости осаждения, а также величин потоков распыляемых и испаряемых частиц, происходил на основе моделей, представленных в [5].
Важной входной характеристикой, влияющей на свойства покрытий, является энергетическое распределение осаждаемых частиц. В исследуемом случае, когда поток осаждаемых частиц складывается из испарннных и распыленных атомов, оно складывается из энергетического спектра Максвелла со средней температурой на поверхности мишени и спектра распыленных атомов, описываемого выражением Томсона [6].
Результат расчета энергетического спектра представлен на рис. 1.
На рис. 1 видно, что энергетический спектр испаренных атомов имеет более выраженный максимум по сравнению со спектром распыленных частиц, имеющим высокоэнергетический «хвост». Поэтому при интенсивном испарении на поверхности мишени основная доля осаждаемых частиц в суммарном энергетическом спектре имеет энергию ниже 1 эВ.
При магнетронном осаждении для уплотнения структуры пленок для улучшения их функциональных характеристик используют ионную бомбардировку растущей пленки. Для реализации этого приема на подложку подается отрицательный потенциал , называемый потенциалом смещения, в результате чего часть ионов из плазмы магнетронного разряда вытягивается из плазмы и ускоряется в сторону подложки. Доля таких ионов в общем потоке, согласно экспериментальным наблюдениям, варьируется в пределах:
Этот эффект также был учтен при моделировании. Доля ионов в общем потоке была задана, равная , где — суммарная плотность потока осаждаемых частиц. Энергия ионов по абсолютному значению в эВ примерно равна напряжению смещения , выраженному в В.
Для оценки влияния скорости осаждения и энергетических спектров частиц на свойства получаемых покрытий были получены результаты для четырех режимов работы МРС:
Характеристики потоков частиц, осаждаемых в этих режимах, задавались исходя из экспериментальных данных, представленных выше. Данные для моделирования режимов А–Г содержатся в таблице.
Входные данные для моделирования режимов А–Г
Режим | vdep, нм/с | vdep, МС/c | Доля испаряемой компоненты в общем потоке wev |
А | 50,6 | 224,6 | 0,846 |
Б | 7,8 | 34,7 | 0 |
В | 42,8 | 189,9 | 1 |
Г | 7,8 | 34,7 | 1 |
Монослоем [МС] называется один плотноупакованный слой атомов. Зная атомную плотность вещества n [шт./м3] и толщину покрытия [м], можно рассчитать количество плотноупакованных слоев в этом покрытии:
Поскольку vdep состоит из двух компонент, эти компоненты можно представить только значением и долей одной из компонент в общем потоке . Таким образом
При исследовании влияния напряжения смещения на свойства тонких пленок сравнивались показатели шероховатости и пористости покрытий в двух режимах осаждения:
Осаждаемый поток для режимов 2.А и 2.Б был выбран на основе режима А.
Другие входные данные для моделирования в NASCAM были заданы следующими:
На рис. 2 представлена зависимость шероховатости покрытия от количества осажденных атомов для режимов осаждения А–Г.
Шероховатость выше при более низкой скорости осаждения. Режимы, при которых средняя энергия осаждаемых частиц выше, т. е. режимы А и Б, характеризуются более высокими значениями шероховатости. Рассчитанная шероховатость коррелирует с экспериментальными значениями [7].
Самый маленький характерный размер микроструктур на поверхности соответствует низкоскоростному термическому осаждению. Наибольший размер микроструктур получен для МРС с холодной мишенью.
Изменение шероховатости образцов в течение процесса осаждения покрытия при наличии потенциала смещения (режимы 2.А–2.Б) представлено на рис. 4.
Наименьшей шероховатостью, согласно данным рис. 4, обладает покрытие, полученное при конфигурации (2.Б). Поток высокоэнергетических ионов на подложку в этой конфигурации максимален. При отсутствии потенциала смещения на подложке (2.А) наблюдается максимальное значение шероховатости поверхности. На рис. 5 изображены поверхности полученных покрытий.
Количество микроструктур отрицательно коррелирует с шероховатостью поверхности. В режиме (2.Б) наблюдается их наибольшее количество. Распределение пор по размерам представлено на рис. 6.
Режим (2.Б) отличается плотноупакованной структурой и малым количеством пор больших размеров. С увеличением доли высокоэнергетических ионов, попадающих на подложку, граница образования открытых пор смещается в сторону поверхности покрытия. Численные значения плотности покрытия в относительных единицах представлены на рис. 7.
С помощью статистического моделирования удалось получить закономерности формирования шероховатости тонких пленок в зависимости от скорости и энергии осаждения частиц. Было уделено внимание влиянию потенциала смещения на плотность и шероховатость покрытий.
Для систем осаждения с высокой скоростью осаждения и широким спектром энергетического распределения частиц характерны значения шероховатости ниже по сравнению со стандартными МРС с холодными мишенями.
Подача отрицательного смещения на подложку при работе жидкофазной МРС в режиме самораспыления приводит к уменьшению числа открытых пор в объеме плёнки, что свидетельствует о формировании более плотной структуры.
