8215-1 (Технологические основы электроники), страница 4

w=k(u-u_НК)J/(pL) (5)

где и—напряжение «анод—катод»; и_НК—нормальное катодное падение напряжения, при котором распыление пренебрежимо мало;

J—плотность разрядного тока; р—давление рабочего газа; L— расстояние «катод—подложка»; k—постоянная, зависящая от рода газа и материала катода.

Из проведенного анализа ясно, что все технологические параметры распыления (и, и_НК, J и р) функционально связаны друг с другом и выбор одного из них однозначно определяет значения других. Это положение иллюстрируется рис. 14, на котором представлены рабочие участки вольт-амперных характеристик разряда при различных давлениях рабочего газа, а также нагрузочная выходная характеристика блока питания. Точка пересечения нагрузочной характеристики с ВАХ определяет режим распыления.

Рис. 14 Семейство ВАХ аномально тлеющего разряда при различных давлениях газовой

смеси (р₁> р₂> р₃> р₄> р₅) и нагрузочная характеристика (N) блока питания

При распылении сплавов скорость процесса для разных компонентов в общем случае различна. Обеспечить заданный состав пленок при ионном распылении в большинстве случаев проще, чем при термическом вакуумном напылении. Один из приемов заключается в использовании составных (мозаичных) мишеней, причем соотношение площадей компонентов мишени рассчитывают, исходя из заданного состава пленки и коэффициентов распыления.

Условия конденсации распыленных атомов. При ионном распылении (в отличие от термического вакуумного напыления) поток атомов вещества на подложку имеет следующие особенности:

1) энергия и направление удара атомов о поверхность подложки носят случайный характер по поверхности и во времени;

2) плотность потока атомов на подложку приблизительно на порядок ниже, что обусловливает более низкие скорости роста пленок (~0,5 нм/с);

3) средняя энергия атомов, подлетающих к подложке, на 1—2 порядка более высокая;

4) наряду с нейтральными атомами в потоке присутствуют ионы распыляемого вещества и электроны;

5) относительное содержание молекул остаточного газа в потоке и на подложке более высокое.

Эти особенности придают специфический характер процессу конденсации при ионном распылении. Важным при этом является наличие на поверхности подложки распределенного отрицательного заряда: направляясь к аноду, часть потока электронов остается на поверхности диэлектрической подложки (а затем и пленки), образуя статический заряд, потенциал которого может достигать 100 В (и более) относительно заземленного анода. Под влиянием отрицательного заряда возникают поток положительных ионов остаточного газа, загрязняющего пленку, поток ионов рабочего газа, способствующий десорбции газов, и поток ионов распыленного материала катода, который, двигаясь вдоль подложки к «ямам» потенциального рельефа, приводит к быстрому образованию крупных кристаллов. Рост таких кристаллов приводит к раннему образованию сплошной пленки, т.е. снижает значение критической толщины. Кроме того, зарядовый механизм конденсации объясняет, почему для пленок не существуют критическое значение температуры подложки и критическая плотность пучка.

Образованию крупных кристаллов способствуют также высокие энергии нейтральных атомов распыленного вещества и нагрев подложки из-за бомбардировки. Оба эти фактора обеспечивают высокую миграционную способность атомов.

При катодном распылении легче, чем при термическом вакуумном испарении, достигнуть равномерного распределения конденсата по толщине, так как плоский источник атомов — катод может по размерам быть больше расстояния до подложки (30—80 мм). Так, при диаметре катода 300—350 мм достигается равномерность конденсата по толщине ±2% на площади анода диаметром 150 мм. При планетарном движении подложек на вращающемся аноде равномерность в распределении конденсата улучшается до ±1%.

Ранее были отмечены некоторые побочные явления, способствующие десорбции остаточных газов из пленки. Тем не менее содержание газов в пленке обычно остается высоким. Например, при парциальном давлении остаточных газов 10^-4 Па осажденная пленка тантала содержит до 10 ат. % кислорода. Причина повышенного содержания газа в осажденной пленке состоит в низкой плотности потока распыленных атомов на подложку, в то время как плотность потока остаточных газов на подложку имеет примерно тот же порядок, что и при термическом вакуумном напылении. Кроме того, эффективность работы диффузионного насоса (скорость откачки) при давлениях выше 0,1 Па заметно снижается, и несмотря на то, что напуск рабочего газа производят только после откачки до глубокого вакуума (10^-4 Па), в присутствии рабочего газа остаточный газ удаляется менее эффективно, и его парциальное давление повышается.