Диссертация (Воздействие высокотемпературной импульсной плазмы на физико-механические свойства композиционных структур), страница 6

Для получения нитридов тугоплавких металлов применяется разряд всмеси аргона с азотом, для получения карбидов – смесь аргона с метаном илиаргона с окисью углерода. Поскольку такие металлы, как титан, тантал,цирконий и ниобий, являются хорошими газопоглотителями, то даже прираспылении в атмосфере аргона без специальной добавки реактивного газаобразуются пленки, удельное электрическое сопротивление которых больше,чем удельное сопротивление распыляемого металла. Эти пленки имеют такуюже структуру, как и сам распыляемый металл, а растворенные в них атомыгазов, не вытесняя атомов металла из кристаллической решетки, располагаютсяв промежутках между ее узлами» [30].«При распылении тантала небольшая добавка азота к аргону приводит кобразованию в пленке между узлами кристаллической решетки атомов азота.При увеличении примеси азота образуются нитриды тантала.

Добавление косновному газу небольшой порции реактивного газа (азота, кислорода, окисиуглерода или метана) резко меняет электрические свойства напыляемыхпленок. На Рис. 1.3 показаны зависимости удельного сопротивления пленок,полученных катодным распылением тантала в атмосфере аргона (давление1,5·10-2 Торр) в зависимости от парциального давления реактивного газа» [30].«Припарциальномкоэффициент сопротивлениядавленииазота3·10-5Торртемпературныйстановится отрицательным и при дальнейшемувеличении парциального давления азота практически не изменяется» [30].«Добавка азота к инертному газу значительно повышает стабильностьпленочных сопротивлений.

Например, после 100 часов работы танталоваяпленка изменяет свое сопротивление на 1 ÷ 2 %, а пленка из нитрида тантала –лишь на 0,01 ÷ 0,05 %» [30].35Рис. 1.3. Зависимость удельного сопротивления пленок, полученных катоднымраспылением тантала в аргоне, от парциального давления кислорода, азота,окиси углерода и метана [30]«Еще большее влияние на изменение электрических свойств пленококазывает кислород. Зависимость удельного сопротивления от парциальногодавлениякислородаимеетэкспоненциальныйхарактер(Рис.1.3).Сувеличением парциального давления кислорода удельное сопротивлениепленки возрастает на несколько порядков, а температурный коэффициентсопротивления плавно уменьшается и при давлении 2·10-5 Торр становитсяотрицательным» [30].«Как и в случае азота, первоначальное изменение электрических свойствтанталовых пленок объясняется [30] растворением кислорода между узламикристаллической решетки.

Резкое возрастание удельного сопротивления ипадение температурного коэффициента сопротивления при высоких давленияхкислорода происходят вследствие образования изоляционных слоев пятиокиситантала, которые обволакивают отдельные частицы тантала. В результате помере окисления пленки ее сопротивление резко возрастает, и она приобретаетсвойства пятиокиси тантала (изолятора)» [30].36«Характерно, что большинство пленок нитридов и карбидов тугоплавкихметаллов,полученныхприкатодномраспылении,становятсясверхпроводящими при более высоких температурах, чем чистые металлы, что,по-видимому, объясняется изменением их структуры в процессе катодногораспыления» [30].Метод вакуумно-дугового осаждения используется в установке типаУВНИПА [33], действующей на принципах плазменных ускорителей.

В нейиспользуется «вакуумная дуга» – сильноточный низковольтный разряд,формируемый в глубоком вакууме и развивающийся в парах материалаэлектрода, подвергающегося эрозии.В плазменных ускорителях формируются потоки частиц со скоростями до105 м/с, энергиями до 10 ÷ 100 эВ, степенью ионизации потока (долей ионов вобщем потоке) до 60 ÷ 95 % и коэффициентом использования материала,могущим приближаться к 100 %. Вследствие того, что процесс осуществляетсяв высоком вакууме (10-3 ÷ 10-4 Па), можно наносить чистые пленки из всехтокопроводящих веществ, включая тугоплавкие металлы, а также углерод.Высокий вакуум не только предотвращает окисление частиц наносимыхвеществ, но и снижает количество загрязняющих примесей в них за счет ихдегазации при пролете от источника к подложке.

Использование составныхкатодов дает возможность формировать пленки из многокомпонентныхкомпозиций,например,твердыхрастворовметаллов,стребуемымсоотношением компонентов. С другой стороны, ионы различных металловмогут вступать в активное химическое взаимодействие с рабочими газами,специально вводимыми в рабочую камеру – такими, как кислород, азот,углеводороды и другие – и это дает возможность получать оксидные,нитридные, карбидные и иные покрытия.Таким образом, описываемый метод дает возможность получать в одномпроцессе слои разных типов – проводящие и изолирующие, однокомпонентныеи многокомпонентные, включая пленки сложных составов типа керметов.37Достаточно большая энергия частиц, бомбардирующих подложку принанесении пленки, позволяет им проникать в приповерхностные слоиматериала подложки и обеспечивать прочную адгезию покрытия.

Конструкцииустановок включают устройства, обеспечивающие равномерность толщиныслоя покрытия.Магнетронное распыление. «До середины 70-х годов прошлого столетиятонкие слои наносились на подложки в вакууме в основном методомтермического испарения исходного материала. Ионное (катодное) распыление,осуществляемое с помощью газоразрядных диодных и триодных систем, играломеньшую роль из-за низкой производительности [34, 35]. Кроме того, пленки,получаемые катодным распылением в аномальном тлеющем разряде приотносительно большом давлении, имели высокий уровень газовых примесей, иэтот метод применяли главным образом для нанесения слоев тугоплавкихматериалов.Однакопослесозданияпромышленныхмагнетронныхраспылительных систем (МРС) ситуация в технологии тонких пленокизменилась [36-40].

Благодаря использованию в этих системах скрещенныхэлектрического и магнитного полей повысилась эффективность ионизации газа,а плотность плазмы стала на порядок(и) больше, чем в безмагнитныхустройствах катодного распыления. В результате значительно возрослиплотность ионного тока на катод и скорость ионного распыления, удалосьснизить давление рабочего газа и улучшить многие характеристики наносимыхслоев. МРС заняли лидирующее положение в технологии тонкослойныхпокрытий из различных материалов для микроэлектроники, устройств записиинформации и дисплеев. […] Размер изделий может составлять от несколькихмиллиметров до нескольких метров. По своей форме они могут представлятьсобой пластины, проволоку, трубки, гибкие полимерные пленки, полотно избумаги и ткани, а также разнообразные объемные конфигурации.

При этомважной особенностью магнетронного распыления является отсутствие в потокеосаждаемого на подложке вещества капельной фазы и микрочастиц в отличиеот термического испарения с использованием вакуумно-дугового и электронно-38лучевого нагрева. […] МРС позволяют распылять практически все видыматериалов, включая металлы и сплавы, простые и сложные диэлектрики,полупроводники и керамику. Осаждаемые материалы могут сочетаться вразличных комбинациях и в виде многослойных покрытий.

Толщина покрытийможет составлять от десятков нанометров до десятков микрометров» [41].Для повышения равномерности распыления катода-мишени ранееприменяли длинные соленоиды с однородным магнитным полем, кроме того,использовали специальные стальные магнитопроводы [42], охватывающиетехнологическую камеру. Все это увеличивало размеры и массу установок, аполучить абсолютную однородность распыления все равно не удавалось из-заухода ионов на торцы системы и снижения их концентрации на краях системы.Использованиевместосоленоидовпостоянныхмагнитовупростилоконструкцию МРС.

Магниты создают локализованное около катода поле сдугообразными силовыми линиями, образующими туннельные своды. Плазмапри этом локализуется около катода в области «магнитных туннелей», гдемаксимальна напряженность магнитного поля, параллельного катоднойповерхности. Последнее подавляет диффузию плазменных частиц к подложкам,но часть катодных электронов, эмитируемых из мест с нормальнойсоставляющей магнитного поля, может попасть на них, приводя к локальномутепловому и радиационному воздействию.

Туннельная форма магнитного поляпрепятствует уходу электронов на торцы МРС, и отпадает надобность вторцевых отражателях. Системы с постоянными магнитами обеспечиваютдостаточно высокую однородность напыляемых пленок по толщине, несмотряна некоторую локальную неравномерность распыления катода.Магнетронный разряд может возникать и поддерживаться практическипри любой форме анода, но при выполнении нескольких условий [41]:- анод должен быть удален от катода на расстояние, при которомобеспечивается режим отсечки катодных электронов (катодные электроныдолжны находиться в межэлектродном промежутке до почти полногоиспользования своей энергии на ионизацию газа);39- анод не должен пересекать силовые линии магнитного поля, создающие⃗⃗ ⃗⃗ ] дрейфа;эффект магнитной ловушки, и не нарушать замкнутость [- анод не должен быть удален от катода на слишком большое расстояние,при котором напряженность электрического поля будет мала для получениякатодными электронами на высоте циклоиды энергии, необходимой дляионизации газа; при увеличении межэлектродного расстояния возрастаетнапряжение возникновения разряда.Влияние формы анода на движение электронов существенно ослабеваетпосле формирования в магнетронном разряде катодного слоя и плазмыотрицательного свечения, поскольку именно плазменная граница будет игратьроль анода (точнее, прозрачного анода) для катодных электронов.