01 (Электронные лекции в формате DOC), страница 2

подложка

пар

Конструкций испарителей с квазизамкнутым объемом

придумано великое множество. В самом простейшем

случае его конструкция имеет следующий вид:

В испарителе имеются две зоны нагрева: нижняя часть

испарителя, в который помещается испаряемое вещество,

нагревается до температуры Т₁, достаточной для

необходимой скорости испарения вещества, но

недостаточной для сообщения испаряемым частицам

необходимой кинетической энергии (обеспечивающей

хорошую адгезию растущей пленки к подложке).

Пар выходит из испарителя через капиллярное отверстие. Благодаря этому в объеме испарителя над расплавом создается повышенное давление пара. Этот объем разогревается вторым испарителем до температуры Т₂ > Т₁. Соответственно и частицы пара, находящиеся в этом объеме, повышают свою кинетическую энергию до величины, соответствующей температуре Т₂

и обеспечивающей хорошую адгезию пленки к подложке.

1. Метод соиспарения из разных источников

Любую задачу всегда полезно попытаться решить, подходя к проблеме с противоположной стороны. Вы видели, сколько усилий потрачено на разработку методов, призванных подавить разложение многокомпонентных материалов в процессе их испарения. Так может быть, если материалы склонны к разложению при испарении, их вообще не синтезировать?

Пусть нам надо получить пленку некого состава A_xB_y. Обычно мы синтезируем объёмный материал того же состава, а затем предпринимаем героические усилия чтобы он при испарении не разложился на компоненты.

A_xB_y

Поступим иначе: разместим рядом два

испарителя, в один загрузим материал А, в

другой – материал В. Температуры испарителей

Т_А и Т_В подберем таким образом, скорости

испарения веществ соотносились также, как

концентрации компонентов, которые нам

необходимо получить в пленке:

V_A(Т_А) / V_B(Т_В) = x / y.

Тогда на подложке получим пленку состава A_xB_y. В этом и заключается метод соиспарения из разных источников.

Отметим, что изменяя температуру одного или обоих испарителей в процессе напыления, мы можем получать пленку с заданным изменением химического состава по толщине.

В целом, методы термического испарения в вакууме обладают рядом существенных недостатков:

• изменение соотношения компонентов при испарении веществ сложного состава;

• трудность испарения тугоплавких материалов;

• высокая инерционность процесса при использовании резистивных испарителей;

• невысокая адгезия пленок к подложке;

• сложность получения равномерных по толщине пленок на больших площадях.

Все эти проблемы в той или иной мере решаются и в рамках метода термического испарения. Однако это ведет к существенному усложнению оборудования.

В значительной мере свободными от этих недостатков являются методы ионно-плазменного распыления.

МЕТОДЫ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

Они включают в себя:

• ионно-плазменное распыление на постоянном токе (катодное распыление);

• магнетронное распыление;

• высокочастотное ионно-плазменное распыление;

• реактивное ионно-плазменное распыление.

Коротко рассмотрим сущность этих методов. Начнем с простейшей диодной установки ионно-плазменного распыления на постоянном токе.

к атод-мишень

экран

тлеющий разряд

Ar

подложки

анод

Она состоит из:

- рабочей камеры

- катода-мишени, который выполняет две

функции:

• является источником электронов

за счет автоэлектронной эмиссии

• является мишенью распыляемого

материала;

- анода с расположенными на нём

подложками.

Сначала система откачивается до предельного вакуума (давление (5-10)·10^-7 Торр). После этого в неё напускается инертный газ (аргон) до давления 10^-1 – 10^-2 Торр. При подаче высокого напряжения на электроды катод эмитирует электроны, которые ионизируют газ. В пространстве между катодом и анодом зажигается тлеющий разряд. Положительные ионы образовавшейся плазмы ускоряются электрическим полем в области темного катодного пространства разряда. В результате они бомбардируют катод и распыляют его поверхность.

Распыленные атомы мишени двигаются преимущественно перпендикулярно её поверхности и осаждаются на подложки, расположенные на аноде.

Отметим следующие особенности данного метода:

1. Поскольку энергия бомбардирующих ионов (килоэлектронвольты) существенно выше энергии химической связи атомов в распыляемом материале, различные металлы (например, тантал и алюминий) распыляются с очень близкими скоростями. Скорость роста пленок в диодной системе составляет 100 – 300 Ả/мин или 0,6 – 1,8 мкм/час.

2. По той же причине распыляемые частицы материала имеют высокую кинетическую энергию, что обеспечивает высокую адгезию пленок к подложке.

3. Поскольку распыление происходит при низкой температуре и имеет место послойный перенос материала мишени на подложку, то обеспечивается малое изменение химического состава пленки по отношению к составу мишени.

4. Проще (по сравнению с термическим испарением) решается проблема получения равномерных по толщине пленок, так как источник является не точечным или линейным, а плоским.

5. При введении в рабочую камеру, наряду с аргоном, химически активных газов (кислорода, азота, углерода) можно при распылении элементарного материала получать пленки его соединений с этими газами (оксидов, нитридов, карбидов). Этот метод называется методом реактивного распыления.

Рассмотренная диодная система обладает рядом недостатков. Так, скорость распыления мишени определяется концентрацией ионов газа, бомбардирующих мишень. Последняя, в свою очередь, зависит от количества электронов, испускаемых катодом-мишенью, и от давления газа в камере. Поскольку эмиссия электронов из холодного катода не велика, приходится создавать достаточно высокое давление газа (10^-1 – 10^-2 Торр). А это, за счет увеличения столкновений распыляемых частиц с атомами газа, ведет к снижению скорости роста пленки и её загрязнению атомами газа. Таким образом, в данных системах не удается получить скорость роста более 100 – 300 А/мин.

Для решения этой проблемы были созданы триодные системы ионно-плазменного распыления. Они отличаются от диодных систем тем, что в них разделены функции катода и мишени. То есть добавляется третий электрод – обычный термоэмиссионный катод (как в вакуумных лампах). Благодаря этому увеличивается концентрация электронов, а следовательно, для обеспечений той же концентрации ионов давление газа в камере можно сделать меньшим (≈10^-3 Торр). Кроме того, разделение функций катода и мишени дает возможность приблизить мишень к подложкам и увеличить скорость роста пленки. (Так как расстояние катод – анод всегда должно быть больше ширины темного катодного пространства тлеющего разряда). В результате скорость роста пленок в триодной системе составляет примерно 1000 А/мин.

Однако, количество ионов газа (плотность плазмы) можно повысить и не увеличивая концентрацию электронов. Для этого надо увеличить путь электронов от катода к аноду (больше столкновений – больше актов ионизации!). Надо наложить на разрядный промежуток магнитное поле. Электроны в аксиальном магнитном поле двигаются по спирали. Благодаря этому их путь до анода увеличивается в несколько раз, что ведет к соответствующему увеличению актов ионизации атомов газа. На этом основан метод магнетронного распыления.

Метод магнетронного распыления основан на использовании скрещенных магнитного и электрического полей для повышения эффективности ионизации рабочего газа и создания над поверхностью мишени области с высокой плотностью плазмы.

Рассмотренные системы распыления на постоянном токе эффективны при получении металлических и других электропроводящих пленок. Однако они не позволяют распылять диэлектрики и высокоомные полупроводники. Дело в том, что положительные ионы газа бомбардирующие мишень быстро накапливаются на поверхности высокоомной мишени и создают на ней положительный заряд. Этот заряд компенсирует приложенное электрическое поле. В результате процесс распыления прекращается.

Поэтому для распыления высокоомных материалов используется метод высокочастотного ионно-плазменного распыления. В данном методе к мишени распыляемого материала подводится не постоянное, а переменное напряжение частотой 10 – 13 МГц.

t

u

u

Таким образом, в течение, грубо говоря, полупериода мишень бомбардируется положительными ионами газа, а в течение второго полупериода, когда мишень находится под положительным потенциалом, она бомбардируется электронами, которые нейтрализуют заряд положительных ионов газа. Фактически, из-за эффекта отрицательного самосмещения бомбардировка ионами газа происходит более длительное время, чем половина периода приложенного напряжения. Это объясняется большей подвижностью электронов, по сравнению с подвижностью ионов.

Метод высокочастотного ионно-плазменного распыления позволяет получать качественные пленки высокоомных многокомпонентных полупроводников, диоксида и нитрида кремния, гидрогенизировонного аморфного кремния. Скорости роста пленок – доли мкм/мин.

Итак, мы с Вами рассмотрели методы, обеспечивающие получение пленок некристаллического полупроводника заданного химического состава. Причем с помощью этих методов можно обеспечить как постоянный заданный химический состав по толщине пленки, так и заданное изменение химического состава по толщине. Казалось бы, задача получения пленок с воспроизводимыми свойствами решена. Однако, в случае некристаллических полупроводников это далеко не так.