Берлин Е. - Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких плёнок (1051243), страница 19
Текст из файла (страница 19)
9.5 изображены ВАХ разряда в магнетроне с ниобиевой мишенью в смеси аргона и азота. При использовании источника питания со стабилизированным током напряжение разряда плавно растет с ростом потока азота, что позволяет его уверенно контролировать. На состав получаемых пленок и скорость их нанесения кроме парциального давления реактивного газа существенное влияние оказывает давление аргона в вакуумной камере, что отражается во влиянии его на ВАХ разряда (рис. 9.6) (4). На рис. 9.6 приведены ВАХ разряла в магнетроне с кремниевой мишенью, полученные при постоянном потоке азота и различных давлениях аргона.
Особенностью их является слабое влияние давления аргона на ток разряда в области минимума тока и значительное влияние в области максимума тока. Это позволяет по величине максимума тока регулировать количество аргона, делая это, конечно, после регулировки потока азота. Для достижения большей точности «подгонки» формы ВАХ регулировки потоков газов можно повторить. ~ИО т 1.гас г у~ Приведенные выше ВАХ реактивного разряда получены в планарных магнетронах с круглой мишенью диаметром 150 мм.
Но указанные зависимости имеют место и в протяженном магнетроне с размером мишени 1400х)20 мм'. В таком магнетроне распыляли алюминиевую мишень в смеси аргона и азота. Полученная в этом процессе ВАХ приведена на рис. 9.7. Описанный способ регулировки потоков газов по ВАХ разряда обеспечивают высокую воспроизводимость (не хуже +5%) состава и толщины получаемых пленок. Его достоинства и преимушества по сравнению с другими методами состоят в том, что с его помощью контролируется ситуация непосредственно в разряде. Кроме того, автоматически учитываются обычно слабо контролируемые параметры процесса, такие как быстрота откачки вакуумных насосов, износ мишени, скорость газоотделения от поверхностей арматуры и подложки, и т.
п. Литература к главе 9 1. Ееи!в М.А., С1окег 13.А. Меаапгешеп!а оГ хесопдагу е!ее!гоп еппаяоп 1л геас!1ае арщ!еппа оГ а1ппппшп апд Шапшш пнпаб — 1. Час. Бсь Тесйпо!.А, 1989, ч7, !Ч!3, р. 1019-1024. 2. Иоьпхе Гз.к, бсьшаш 13.1. апд нпг1еу м.!3. Квасите хрппег берса!г!оп: а чпап1йабте апа1уях.— Тып во1Ы ГЧ!пм, ! 984, к 118, р.
301-3! О. 3. Колесов Е.И., Сейдман Л.А. Способ плазменного реактивного нанесения пленок в вакууме. — Авт. саид. 1163656. 4. Колесов Е.И. и Сейдман Л.А. Способ получения пленок химического соединения. — Авт. санд. 1297504.
5. Сейдман Л.А. Получение пленок ингрида кремния реактивным распылением на постоянном токе. — Электронная промышленность, 1984, вып. 4(132), 15-20 с. 6. Будянский М.Я. и Сейдман Л.А. Получение сверхпроводящих пленок ингрида ннобия.
— Электронная промышленность, 1992, вып. 2, 21-24 с. ГЛАВА 10 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕАКТИВНОГО НАНЕСЕНИЯ Моделирование сложных процессов позволяет лучше понять моделируемый процесс и сократить количество экспериментов, необходимых для поиска оптимального режима. Это особенно актуально для такого процесса как реактивное распыление, параметры которого сложным образом зависят друг от друга. Как известно, для реактивного магнетронного нанесения уже существует хорошо разработанная модель Берга и др. [1 — 3[. Она достаточно хорошо опробована на многих реактивных процессах [4 — 7]. Однако ей присущ существенный недостаток: она охватывает не все реактивные процессы, а только такие, в которых газ взаимодействует с металлом без какой-либо дополнительной активации, например, ионизацией.
Характер взаимодействия различных металлов и газов хорошо изучен, в частности, разработчиками гетгерных насосов. В работе [8] приведена таблица 1О.1, классифицирующая пары металл — газ по интенсивности их взаимодействия. Из таблицы видно, что с кислородом все металлы интенсивно взаимодействуют без дополнительной ионизации, а с азотом только часть металлов. Остальные металлы (третья строка таблицы 10.1) взаимодействуют только с активированным (ионизированным) азотом. Среди них алюминий и кремний, используемые в таких важных для практики случаях как получение пленок их нитридов.
Этот вывод о необходимости ионизации азота был подтвержден в работах [9 — 12], где ингриды алюминия или кремния получали реакцией растущей пленки металла с падающим на нее пучком частиц азота, и в работах [13 — 14], где пленки нитридов получали реактивным ионным распьглением. Во всех случаях нитрид получался только тогда, когда азот был ионизирован.
Когда же это был поток молекул, нитрид не образовывался. Это значит, что при построении модели должно учитываться действие ионов реактивного газа, а не его молекул. Однако, как мы уже говорили, в известной модели в основе расчета лежит учет удельного потока атомов реактивного газа в виле нейтральных молекул к мишени и подложке. Он пропорционален парциальному давлению реактивного газа в камере Р и определяется выражением и =О.Р, где Π— коэффициент пропорциональности, учитывающий двухатомность молекулы реактивного газа.
Это не верно в случае синтеза нитридов кремния или алюминия, при котором взаимодействие материала мишени осуществляется только с ионизированными молекулами азота. Именно для этого случая нами разработана новая модель, пригодная для таких пар металл — газ, в которых для реакции между ними необходима ионизация молекул газа. Главное отличие новой модели в том, что учитывается поток только ионизированных частиц реактивного газа к мишени и подложке. Плотность такого потока л,= —— 2! Р (10.1) е Р+Р„ здесь | — плотность ионного тока, е — заряд электрона, Є— парциальное давление аргона.
Двойка в формуле (10.1) учитывает двухатомность молекулы реактивного газа. Последний сомножнтель это доля ионов реактивного газа в совокупном ионном токе. Плотность потока ионизированных частиц реактивного газа это новый элемент предлагаемой модели. Введение этого элемента позволило построить новую модель реактивного распыления, пригодную для веществ, не охватываемых известной моделью. Разработанная нами новая модель, также как н известная, прелставляет собой совокупность нескольких уравнений, описывающих отдельные реакции и явления, имеющие место в реактивном процессе.
Первые два уравнения показывают скорость распыления из мишени атомов металла йГ (10.2) и молекул его химического соединения М, (10.3) в Ф,= е (!0.3) 2 ! Р— (1-в ) = — 'в е Р+Р„„е (10.4) 2.1 Р Ф о.Р .— ' (1-В,)+га Ф, (1-0,) = — В, (!0,5) е Р+Р, где и — коэффициент прнлнпания ионизированных частиц реактивного газа, как правило, равный единице,  — степень покрытия по- У верхностн пленки молекулами соединения, Р— площадь поверхнос/ ти пленки, Р— предельное отношение числа атомов металла к числу атомов газа в соединении сверхстехиометрического состава, и — количество атомов газа в молекуле соединения стехиометрнческого состава. В следующем уравнении (10.6) подсчитывается количество атомов реактивного газа, поглощенных растущей пленкой ЬХ. 21 Р И ( 1 В г ) + е Р+Р,, Р (!0.6) где з) и !), — коэффициенты распыления соответственно металла и соединения, Р— гпошадьмишени, „— степень покрытия поверхности мишени молекулами соединения.
Коэффициент распыления металла, в том числе и кремния, зависит от напряжения распыления и лежит в пределах 0,3-1,0. Коэффициент распыления соединения всегда значительно ниже и для нитридов лежит в пределах 0,03 — 0,1. Слелуюшие уравнения (10.4) и (10.5) описывают равновесные состояния поверхностей мишени и растущей пленки при наличии реактивного газа в газовом разряде. Они получены приравниванием скоростей увеличения н уменьшения степени покрытия этих поверхностей молекулами соединения в стационарном процессе.
У=" "(1-0 ), е (10.2) Выражение (10.7) определяет состав пленки через величину й, равную отношению количества атомов металла в пленке к количеству атомов газа. )н'+1. Аг, АЧ (1О. 7) (10.8) Д = Р (5 + 7'), (10.9) ~~~~~~1(И %кев 1. Глава 10. Моделирование процесса реяаннвноео нанесение где 1 — количество атомов металла в молекуле соединения стехиометрического состава. Например, для стехиометрического нитрида кремния 1=3, т=4 и )с =0.75.
В то же время известен предельный сверхстехиометрический / нитрид кремния, для которого 2)=0,65. Для стехиометрического ингрида алюминия 1=1, а=1 и /с =1, а известный предельный сверхстехиометрический состав: Р=0,85. Следующие уравнения (10.8) и (10.9) описывают скорость поглощения реактивного газа растущей пленкой — 7'и поток реактивного газа в вакуумную камеру — (2. где Ю вЂ” скорость откачки реактивного газа вакуумным насосом, 8 — коэффициент пересчета количества атомов в поток газа, Коэффициент пересчета количества атомов в количество газа подсчитаем следующим образом. При атмосферном давлении Р =10! 10' Па грамм-моль занимает объем 1'=22,4 10' м'. Количество газа, заключенного в этом объеме, равно Р У=101 10'22,4 10 '=2263 Дж. Количество молекул в этом объеме (число Авогадро) равно М,=6,02.10". Количество атомов двухатомного газа в этом объеме равно 2 Х .
В результате коэффициент пересчета количества атомов в количество газа: 8 — Р;У/2 14 =1,9.10 " Дж. Этот же коэффициент используется для пересчета изменения количества атомов газа Ь)у в его поток, выраженный в ваттах. И„наконец, последние выражения позволяют вычислить полный ток разряда — Г (10.10) и скорость нанесения пленки — Я (!0.И). Г = Р..( 11+7„+(7,-7.) 0.1 (10.10) где 7 и 7, — коэффициенты электронно-ионной эмиссии соответственно для металла и соединения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
