Берлин Е. - Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких плёнок, страница 9

2), что подтверждено экспериментально [9 — 10]. Для достижения указанной цели применяются импульсные СЧ ИП [14], подающие иа мишень магиетроиа периодическое иапряжеиие питания с частотой в диапазоне 10 — 150 кГц, В каждом периоде имеется отрицательный импульс с электрическими параметрами, необходимыми для распыления мишени и длительностью, ие превышаюшей 1„,, и пауза или реверсиый положительный импульс для устранения заряда иа поверхности диэлектрика, образовавшегося на поверхности мишени.

Из-за высокой подвижности электронов для их извлечения из плазмы достаточен потенциач всего несколько десятков вольт. Даже если напряжение во время положительного импульса не подается, то есть имеет место пауза, то заряд на поверхности диэлектрика все равно удаляется за счет притягивания электронов из плазмы электрическим полем самого заряда [2[.

Наличие пробоев ие зависит от амплитуды положительных импульсов [3]. Обычно величина положительного импульса лежит в диапазоие 0 — 20% от величины отрицательного импульса [3, 1О, 14]. т т з)= = — =Гт т,+~ Т (5.5) где г — длительность отрицательного импульса, т, — длительность положительного импульса. В начале реверсного импульса иа поверхность мишени приходит большой электронный ток, амплитуда которого может в несколько раз превышать амплитуду основного импульса [31]. Такой ток длится всего 0,1 — 0,15 мкс. После чего ток спадает до нуля, а затем устанавливается величиной несколько десятых долей ампера и длится все оставшееся время реверсиого импульса. Чем больше длительность импульса, тем больше отрицательный заряд, аккумулируемый поверхностью мишени.

Это способствует снижению частоты пробоев. Решаюшим фактором для подавления пробоев является длительность положительных импульсов, которая должна быть больше некоторой минимальной. Последняя определяется достижением равновесия, при котором положительный заряд, накопленный во время отрицательного импульса, успевает компенсироваться во время положительного импульса [3, 9 — 10]. Из-за высокой подвижности электронов для процесса компенсации достаточно всего 2 — 10 мкс [10, 15]. Таким образом, длительность положительного импульса может ие превышать этой длительности.

Если же во время короткого положительного импульса ие весь накопленный иа поверхности диэлектрика заряд успеет компенсироваться электронами, то величина заряда будет увеличиваться с каждым периодом, и начнутся пробои. Чтобы предотвратить иакопление заряда из-за малой длительности положительного импульса, необходимо снижать и длительность отрицательного импульса [9— 10]. То есть снижать период, увеличивая частоту импульсов до величины, при которой пробоев иет. Таким образом, чем выше частота, тем меньше вероятность появления пробоев. Однако, повышение частоты, как мы увидим дальше, ведет к снижению скорости распыления. То есть частота не должна существенно превышать критическую. Таким образом, большое значение имеет соотношение между длительностями отрицательного и положительного импульсов.

Оио выражается так называемым коэффициентом нагрузки [3, 10]; С4В Часть 1. Глава 5. Процесс реактивногомагнеоьронногораснмления ьз.е~ вь ьь ь ь~~ь В работе [3] показано, что для устранения пробоев величина ц не должна превышать 0,65-0„7. В эксперименте получено, что при одинаковой длительности положительного импульса т, критическая частота ниже у сбалансированного магнетрона, чем у несбалансированного [10].

При прочих равных условиях, чем больше рабочее давление, тем ниже критическая частота [9]. Рекомендации по подбору режима реактивного распыления [10]: ° Установить наименьшую частоту, при которой пробои не видны в течение долгого времени ° Установить наименьшую допустимую длительность положительного импульса Подбор режима необходимо делать на наибольшем токе разряда.

Тогда и при меньших токах пробоев не будет. 5.3. Процессы в плазме среднечастотного разряда Процесс переключения с отрицательного на положительный импульс напряжения длится всего несколько сотых микросекунды [3, 9 — 10]. В это время ток на мишень тоже меняет полярность: вместо ионного становится электронным. Из-за значительно большей подвижности электронов их ток на мишень почти мгновенно подскакивает до довольно больших величин, намного превышающих величину тока ионов во время отрицательного импульса. Амплитуда электронного тока определяется амплитудой предыдущего тока ионов и величиной суммы сопротивлений ИП и плазмы разряда.

Последнее сопротивление составляет примерно 0,6 Ом [3]. Далее величина тока экспоненциально снижается из-за снижения плотности плазмы [3, 10, 20]. Объясняется это тем, что во время положительного импульса существование плазмы больше не поддерживается разрядом. Но она существует еще некоторое время, пока ее частицы обоих знаков благодаря диффузии не уйдут на стенки арматуры или вакуумной камеры. Величину времени рассасывания для плазмы, заполняющей первоначально сферу радиусом К, можно приблизительно рассчитать по формуле (5.6) [10]. Например, для ионов кислорода в сфере 10 см для двух электронных температур ЗО и 3 эВ постоянные времени рассасывания будут соответственно 7,5 и 26 мкс.

)г м, 1.11 1( 2. /с. Т, ' (5.6) где М вЂ” масса ионов, Т вЂ” электронная температура. Постоянная времени снижения тока электронов зависит от формы магнитного поля магнетрона (сбалансированный или не сбалансированный) и от химического состава плазмы. Она была оценена для несбалансированного магнетрона в работе [10] величиной! 5 мкс и в работе [20] величиной примерно 20-30 мкс.

Для сбалансированного магнетрона снижение плотности плазмы и тока электронов описывается двумя постоянными времени: 3-5 мкс (начальная быстрая стадия) и 30-40 мкс (последующая медленная стадия) [9 — 10]. Большая постоянная времени у несбалансированного магнетрона получается из-за большего объема, занимаемого его плазмой. Наличие двух значений постоянной времени объясняется, возможно, наличием в магнетронной плазме электронов с двумя различными температурами [10].

В работе [12] показано, что еще быстрее, чем ток, исчезает оптическая эмиссия плазмы во время положительного импульса [12]: за 5 мкс свечение плазмы практически исчезает. Это свидетельствует о том, что время жизни возбужденных молекул в плазме еще короче времени диффузии ионов на стенки камеры и не превышает нескольких микросекунд. Если промежуток времени между отрицательными импульсами не превышает двух-трех постоянных времени, то ток электронов не успевает снизиться до нуля, так как за это время не все носители заряда успевают уйти из плазмы на стенки камеры. Поэтому во время переключения напряжения с положительного на отрицательное в объеме еше существуют электроны и ионы, и специальный поджиг плазмы высоким напряжением не требуется.

Плотность плазмы в конце положительного импульса определяет величину возникающего с началом отрицательного импульса тока ионов. Затем ток ионов нарастает со временем. Время т, необходимое для возрастания тока ионов до установившегося уровня [1О, 20], зависит от длительности положительного импульса. Чем оно больше, тем труднее последующее восстановление плазмы: требуется большее т и большее напряжение в начале отрицательного импульса [9]. В работах [9 — 10] время т, не превышает 2 мкс, а в работе [12] — 15 мкс. (Ъ ЧЗГ 54 ц ~ ц р Аналогичные закономерности были замечены в поведении ВЧ- плазмы, созданной антенной (глава 16), к которой подводили ВЧ- мощность, модулированную частотой 12,5 кГц [28].

ВЧ-мошность включалась на 50 мкс. Это было минимальное время, необходимое для достижения установившегося уровня плотности плазмы. Затем питание антенны отключали на 30 мкс. Это максимальное время, за которое плазма еше не исчезнет. Если длительность положительного импульса постоянна, то увеличение тока разряда (а, соответственно, и увеличение исходной концентрации плазмы в районе мишени) сокрашает время восстановления плазмы [9, 20]. Изменение давления в диапазоне 0,4 — 1,3 Па и частоты в диапазоне 20 — 70 кГц не оказывает существенного влияния на восстановление плазмы [9]. Хотя в работе [20] отметили, что увеличение давления аргона до 1 Па сокращало время восстановления плазмы.

Если ИП используется в режиме стабилизированного тока, то наблюдается некоторое увеличение напряжения в начале отрицательного импульса [9, 20]. А так как форма ВАХ магнетронных источников такова, что ток резко возрастает при увеличении напряжения, то благодаря этому происходит более быстрое восстановление плотности плазмы, тока ионов и скорости распыления. Таким обраюм, скорость восстановления плазмы больше при применении ИП в режиме стабилизированного тока. Тем не менее, на практике используют среднечастотные ИП как в режиме стабилизированного тока, так и в режиме стабилизированного напряжения. Выбор режима определяется формой вольтамперной характеристики реактивного разряда (глава 9). При питании магнетрона переменным током синусоидальной формы осциллограмма тока повторяла бы осциллограмму напряжения, если бы плазма не была нелинейной системой, то есть свойства электронов и ионов были бы одинаковы [23].