Диссертация (1025103), страница 7
Текст из файла (страница 7)
В этомслучае плазма в силу своей хорошей электрической проводимости будет как быпереносить эквипотенциаль анода на линию границы катодный слой-плазма.В связи с разработкой и применением длинномерных магнетроноввозникла проблема обеспечения равномерности распыления длинных мишеней.Одним из возможных способов решения этой проблемы является применениеанода однородной формы, симметрично охватывающей планарный магнетрон[43].«Все модели, описывающие конденсацию атомарного или молекулярногопучка с тепловой энергией, подразделяют процесс на несколько стадий. Напервой стадии частица взаимодействует с поверхностью, передает ей своюкинетическую энергию и с определенной вероятностью переходит вадсорбированное (предсорбционное) состояние.
На второй стадии частицымигрируют вдоль поверхности в адсорбированном состоянии. Эта миграцияможетзавершитьсялибообразованиемустойчивыхкомплексовизадсорбированных частиц (типа зародышей), либо встраиванием частицы вактивный центр роста покрытий, либо ее десорбцией с поверхности.Собственно, необратимый процесс встраивания адсорбированных атомов вактивные центры и определяет процесс образования новой фазы вещества ирост покрытия.
Свойства образованного конденсата определяются видом40материалов основы и конденсирующихся частиц, величиной энергии связиатомов в адсорбированном состоянии и в активном центре, температуройсистемы, плотностью падающего потока, плотностью активных центров наповерхности и рядом других факторов.
При этом в зависимости отсоотношения между перечисленными параметрами выделяют следующиемеханизмы формирования конденсата» [28].«На нейтральной или инородной подложке (энергия адсорбции мала),находящейся при не слишком низкой температуре, атомы в адсорбированномсостоянии можно рассматривать как «двумерный пар» [35]. При определеннойперенасыщенности этого пара атомы в результате столкновений образуюткомплексы, благодаря которым резко уменьшается вероятность десорбцииатомов. Рост размеров этих комплексов до некоторых критических значенийстановится необратимым и их последующее разрастание вплоть до слиянияприводит к образованию конденсата. Причем разрастание комплексов попрежнему происходит из-за встраивания адсорбированных атомов в активныецентры роста этих комплексов, которыми являются в основном изломы наатомных ступенях» [28].«Такой «зародышевый» механизм не является универсальным и неотражает ряд предельных случаев.
В случае сильного взаимодействияконденсирующих атомов с подложкой, например при осаждении атомовметалла на чистую поверхность родственного материала, не требуетсяобразование устойчивых комплексов адсорбированных атомов (зародышей).Устойчивыми положениями атомов будут места их закрепления в изломах наступенях, на атомных ступенях, на точечных и иных дефектах поверхностии т.
д., в общем, в тех местах, где энергия связи такова, что за время жизниатома в этом положении он с большей вероятностью будет застроен другимиатомами, а не мигрирует в другое атомное положение или десорбируется» [28].«В этом случае при низких температурах подложки и высокойинтенсивности потока осаждаемых частиц атом, пришедший из газовой фазы,может замуровываться в поверхностный слой, не успев переместиться путем41диффузии по поверхности.
Такая ситуация характерна для нормального (ростпо нормали к поверхности) механизма роста пленки, а условия еговозникновения определяются соотношением» [28]: > = /,(1.3)где: – среднее время между переходами атома из данного центра сорбции всоседний; – время формирования монослоя; – ратикулярная плотность атомов; – плотность потока нейтральных атомов металла, падающих на поверхность1.«В этом случае осаждаемый атом не только не успевает за счет диффузиипопасть на активный центр роста покрытия, но и, более того, может не успетьза счет энтропийных ограничений подстроить свои электронные связи такимобразом, чтобы максимально провзаимодействовать с рядом расположеннымиатомами поверхности» [28].«Однаконаиболеевысокиекачествапленок,получаемыхизмолекулярных пучков, достигаются в случае роста пленки по слоевому(тангенциальному) механизму движения ступеней. В этом случае соотношениямежду параметрами процесса и системы таковы, что за время формированияслоя адсорбированный атом диффундирует с террасы на ступень и затем,диффундируя вдоль ступени, встраивается в излом.Такой механизмреализуется при высоких температурах, очень малых скоростях наращивания ивысокой чистоте вакуумной атмосферы.
Между этими двумя крайнимислучаями располагается ряд промежуточных механизмов, допускающих1 = + Н ,(1.4)где и Н – плотности потоков ионов и атомов металла, подлетающих к поверхности конденсации.Несмотря на то, что на поверхность конденсации все частицы попадают в нейтральной (атомарной)фазе, та их часть, которая получена из ионов ( ), имеет кинетическую энергию ,[28, 117 с.] существеннопревышающую тепловую энергию нейтральных атомов металла (Н ) и молекул газовой атмосферы в камере. = ,0 + ̅ ,(1.5)где ,0 – начальная средняя энергия иона металла, ̅ – средняя кратность ионизации ионов, – зарядэлектрона, – потенциал поверхности.42возникновение на активных центрах на террасах двумерных и трехмерныхзародышей, разрастающихся по слоевому механизму» [28].«Рост покрытия по своей сути является релаксационным процессомперехода атомов из газовой фазы в стабильную твердую фазу через рядпромежуточных стадий.
Каждая из этих стадий характеризуется определеннымсредним временем релаксации. Среднее время релаксации для стадий,описывающих элементарные физические и химические явления, существенно(через фактор Больцмана) зависит от температуры, снижаясь до значений10-4 ÷ 10-11 при температурах выше 800 К. Этим обстоятельством собственно иопределяется возможность получения высококачественных покрытий изатомарных потоков неускоренных атомов только при высоких температурах»[28].«Параметрыпроцессавакуумногоионно-плазменногонапыления(плотность потока атомов, температура системы и энергии связи вадсорбированномсостоянии)таковы,что,казалосьбы,долженреализовываться нормальный механизм роста или близкий к нему, однакокачество покрытия по адгезионным и когезионным свойствам не хуже, чем притангенциальноммеханизме.Существеннойособенностьюпокрытий,наносимых таким методом, является мелкозернистая или столбчатая структура»[28].«Понятно,чтовысокиеадгезионныесвойстваионно-плазменныхпокрытий достигаются за счет предварительного процесса ионного травленияповерхности, обеспечивающего ее атомную чистоту, создание большого числаточечных дефектов, в том числе из внедренных в поверхностный слой атомовтого материала, из которого будет получено покрытие.
В процессе ростапокрытия ускоренные частицы частично распыляют поверхность и создают нанейбольшоечислоактивныхцентровдлязакреплениянанихконденсирующихся атомов (условие динамической очистки при конденсации).Крометого,выделеннаякинетическаяповерхностных процессов» [28].энергияионаактивируетряд43«Таким образом, в случае получения покрытий из ускоренных потоковатомов возникает новый технологический параметр управления – высокаякинетическаяэнергиянаправленногодвиженияосаждаемыхчастиц,–обеспечивающий существенное снижение времени релаксации при низкихтемпературах системы, и возникновение ряда новых физических явлений.Физическая природа ряда явлений в этом диапазоне энергий понятна не доконца, ряд явлений получил адекватное математическое описание, однакоцелый ряд явлений является предметом активных обсуждений» [28].«Наиболее изученным явлением в диапазоне энергий Wi = 10 ÷ 3·103 эВявляется явление распыления поверхности твердых тел.
Причем хорошееколичественное совпадение теории и эксперимента наблюдается, в основном,начиная со значений, близких к верхним значениям энергий в рассматриваемомдиапазоне [44, 45]. Однако качественное описание этого явления являетсядостоверным для всего диапазона энергий. Суть его сводится к следующему[45]. Атомы с высокой кинетической энергией падают на поверхность твердоготела. Взаимодействие быстрого атома и атома твердого тела рассматриваетсякак индивидуальный акт упругого рассеивания одного атома на втором собменом между ними импульсами и кинетическими энергиями. Если энергия,полученная атомом твердого тела, больше энергии смещения (20 ÷ 30 эВ), тоатом твердого тела покидает свое положение в кристаллической решетке ивступает во взаимодействие с другим атомом твердого тела. В результатепервоначальный атом рождает каскад последовательных столкновений атомовв твердом теле.
Часть из атомов, вовлеченных в каскад столкновений, получаетимпульс в направлении поверхности. Если энергия таких атомов, оказавшихсяоколо поверхности, достаточна для преодоления сил поверхностной связи, топроисходитэмиссияэтихатомовизповерхности,собственно,ихарактеризующая процесс распыления. В частности, из данной физическойкартины следует экспериментально подтвержденный факт, что роль первогостолкновения с атомом поверхности или атомом в глубине материаланезначительно влияет на коэффициент распыления, а определяет только долю44переданной энергии и направление рассеивания. Само же распылениепроисходит через несколько последовательных столкновений за счет изменениянаправления передачи импульса в сторону поверхности. В целом в такихкаскадах только малая часть энергии, введенной в объем кристалла, выводитсяна поверхность» [28].«Анализразличныхкоэффициентарасчетныхраспылениярассматриваемоговсоотношенийповерхностиданнойтехнологииαpдлявычисленияпоказывает,диапазонаэнергийчтодлянаиболееприемлемой является эмпирическая формула, предложенная в [46]» [28]:⁄ (′) ⁄ ( = , · − − (′)− )⁄,(1.6)где ′ = /′ ,(−), при′ = {⁄ ( ) , при = ( + )≤ , > , ,; – теплота сублимации (элемента) или теплота возгонки(соединения); и – атомные массы налетающего атома и атома твердоготела, соответственно.«Соотношением (1.6) можно пользоваться при ′ < .
Оно учитываетотражение ионов от поверхности и проведено для 250 комбинаций ион-мишень,в том числе при распылении карбидов. Необходимо отметить, что частопредлагаемая для расчетов в этом диапазоне формула Зигмунда даетколичественное отличие от экспериментальных данных в области малыхэнергий ′ < , однако за счет подгоночных параметров может обеспечиватьнеобходимую точность результата» [28].«Изложенная физическая картинка протекания процесса взаимодействиябыстрого атома с твердым телом в принципе характерна для очень широкогодиапазона энергий, однако в области малых энергий (W = 100 ÷ 400 эВ),типичных для процессов конденсации покрытий, она требует существенных45уточнений, так как не может объяснить даже качественно целый ряд важныхэкспериментальных результатов» [28].«Изтакихрезультатовнаиболееяркимилегкопроверяемымэкспериментально является высокая скорость образования нитридов металла наповерхностиприсущественноболеенизкихтемпературах,чемпредсказываемые равновесной термодинамикой» [28].«Скорость роста покрытия зависит от плотности падающего потока,степенизаполненияповерхности,относительнойскоростипереходаадсорбированных атомов в активные центры роста покрытия, коэффициентовраспыления нитридной фазы и адсорбированных атомов титана и степениионизации плазменного потока.
Величина скорости роста покрытия можетсущественно лимитироваться высокой степенью заполнения поверхностиадсорбированными молекулами газа (ограничения в доступности местадсорбции), скоростью встраивания адсорбированных атомов в активныецентры роста покрытия (ограничения в доступности активных центров ростапокрытия), большой скоростью десорбции атомов из адсорбированногосостояния и высокой скоростью распыления нитридной фазы. Причем приопределенном соотношении между параметрами возможна ситуация υ ≤ 0.Точка инверсии скорости υ = 0 существенно зависит от поведения частицметалла в адсорбционном состоянии. Точка инверсии будет достигаться применьших энергиях, чем в случае распыления поверхности ионами газа. Приэтом возможна ситуация, когда кристаллическая фаза основы можетпрактически не распыляться, а будет распыляться только динамическиобразуемое покрытие.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
