Оптимизация процесса напыления материала в магнетронной системе распыления
3. Расчеты
Согласно варианту распыляемый материал - титан. В таблице 3.1 приведены дополнительные характеристики этого материала, необходимые для расчета кольцевого испарителя.
Таблица 2. Характеристики материала, необходимые для расчета.
Материал |
Атомный номер Z |
Атомная масса М, г/моль |
Энергия сублимации Ес, эВ |
Плотность , г/см3 |
|
Cu |
29 |
63.5 |
3.56 |
8.96 |
Для расчета также необходимы характеристики рабочего газа (аргона):
- Атомный номер иона = 18;
- Атомная масса иона = 40 г/моль;
- Энергия иона = 350 эВ.
Определяю значение безразмерного коэффициента . Для этого нахожу численное значение отношения атомной массы материала мишени к атомной массе рабочего газа:
Ма /Мu=1.59, где Ми и Ма - атомные массы ионов и атомов мишени, г/моль.
Рис 3. Зависимость параметра от отношения Ма /Ми
По графику на рис. 3 находим = 0.33, затем находим коэффициент распыления из следующего выражения:
Плотность ионного тока вычисляется по формуле:
,
Где - плотность ионного тока в сечении, перпендикулярном направлению падения ионов, А/см2;
- ток разряда, равен 6А (по условию);
- площадь кольца распыления. Она определяется следующим выражением:
=19.633см2.
Здесь - радиус распыления (по условию 5 см), - ширина кольца распыления (по условию 0.5 см).
Таким образом, плотность ионного тока будет равна: jи=0.337 А/см2
Определим скорость распыления по формуле:
3.065Ч10-5 см/с,
где е - заряд электрона (1.6х10-19 Кл);
NА - число Авогадро (6.023х1023 атом/моль).
С помощью программы MathCAD построим контурный график распределения толщины напыляемой пленки от радиуса пластины и расстояния до испарителя. Контурный график будем строить для радиуса пластины чуть больше заданного (r меняется в диапазоне от минус 5 до плюс 5 см) и для расстояния между пластиной и испарителем Н от 1 до 16 см.
Первоначально зададим время испарения равным 2500 секунд:
Рис. 4. Контурный график распределения толщины напыляемой пленки от радиуса пластины и расстояния до испарителя при = 2500с.
Из графика на этом рисунке видно, что наиболее равномерную пленку напыляемого материала на пластине радиусом 50 мм можно получить при расстоянии Н, лежащем в пределах от 3 до 12.5 см.
При этом толщина пленки будет принимать значения от 0.1 до 0.4 мкм, а требуется получить пленку толщиной 0.3 мкм. Поэтому следует уменьшить время напыления.
Методом подбора определим, что при времени напыления = 2000с можно получить пленку заданной толщины.
Рис. 5. Контурный график распределения толщины напыляемой пленки от радиуса пластины и расстояния до испарителя при = 2000с.
Выберем расстояние Н равное 5.5 см. Для него построим двумерный график зависимости толщины напыляемой пленки h от расстояния от центра пластины r.
Рис.6. График зависимости толщины напыляемой пленки h от расстояния от центра пластины r при Н = 5.5 см.
На графике определим точки, соответствующие максимальной и минимальной толщине пленки в пределах пластины (-5…5). Максимальное значение достигается при r равном 3 см, а минимальное - при r равном 5 см.
Напишем участок программы, выполняющий вычисление средней толщины пленки и ее неравномерности.
Таким образом, если выбрать время напыления = 2000 с и расстояние между пластиной и распылителем Н =5.5 см, то мы получим пленку толщиной 0.258 мкм с неравномерностью 4.078 %. Необходимо подогнать величину Н.
Рис. 7. График зависимости толщины напыляемой пленки h от расстояния от центра пластины r при Н = 5.2 см.
Таким образом, если выбрать время напыления = 2000 с и расстояние между пластиной и распылителем Н =5.2 см, то мы получим пленку толщиной 0.274 мкм с неравномерностью 2.732 %.