Данилин Б.С. - Вакуумное нанесение тонких плёнок (1051250), страница 5
Текст из файла (страница 5)
С увеличением парциального давления кислорода удельное сопротивление пленки возрастает на несколько порядков, а температурный коэффициент сопротивления плавно уменьшается и при давлении 2 !О-' м.и Рг. сг. становится отрицательным. Характерно, что большинство пленок нитридов и карбидов тугоплавких металлов, полученных при катодном распылении, становится сверхпроводящим при более высоких температурах, чем чистые металлы, что, по-видимому, объясняется изменением их структуры в процессе катодного распыления. 1-4. ИОННО-ПЛАЗлаЕННОЕ РАСПЫЛЕНИЕ За последние годы была разработана ионно-плазменная технология получения тонких пленок, На рис. 1-7 показана принципиальная схема установки для распыления материалов в плазме газового разряда низкого давления с искусственным катодом. В верхней части вакуумного колпака помещается анод !, в нижней — вольфрамовый катод 2.
Третьим электродом нли зондом Ленгмюра служит мишень 3, используемая в качестве источника распыляемого материала. Подложка 4 является электродом, на поверхности которого конденсируется распыляемый материал. Печь б служит для подогрена подложки. Перед подложкой установлен подвижный экран б, а рядом с мишенью Рис. 1-7. Установка дла ионнонаходится неподвижный эк- плаз"енного распыле""".
ран 7. Камеру с поу1ощыо паромасляпого диффузионного насоса откачивают до давления 10 ' мм рт. ст., подогревают подложку и вкл1очают ток накала на катод. Катод разогревается до температуры, достаточной для получения термоэлектроиного тока высокой плотности (порядка неско.лькнх ампер на квадратный сантиметр), и между накаленным катодом и анодом прикладывают напряжение. После этого в камеру поступает инертный газ при давлении 10-4 — 10-' мм рг. сг. Зажигание разряда осуществляется с помощью высокочастотного трансформатора Тесла, а при достаточно большом термоэлектронном токе разряд зажигается сам или же требуется лишь небольшое дополнительное повы- 23 шение анодного напряжения. После возникновения разряда разрядный ток достигает нескольких ампер, а напряжение па аноде падает до 60 — 40 в, т.
е. для разряда характерна падающая вольт-амперная характеристика. Возникающие в разряде положительные ионы с низкой энергией бомбардируют подложку и удаляют с ее поверхности большую часть слабо связанных загрязнений путем нагрева и «ионного травления». После этого на источник распыляемого материала (мишень) подается отрицательный потенциал. Вытягиваемь2е из п.чаэмы разряда положительные ионы бомбардируют мишень с энергией, достаточной для распыления атомов материала мишени. При больших энергиях бомбардирующих ионов выбитые из мишени атомы двигаются преимущественно в направлении, перпендикулярном к се поверхносп2, и могут оыть сконденсированы на поверхности подложки, находящейся напротив мишени.
Подвижный экран позволяет одновременно или последовательно производить предварительную очистку поверхности подложки и мишени распылением поверхностных загрязненных слоев. Качество очистки поверхности мишени и тем более подложки является одним из решающих факторов в процессе формирования пленки из конденсирующегося распыленного материала. Большим достоинством ионно-плазменного распыления является его универсальность. С одинаковым успехом могут быть распылены металлы с различными свойствами, например вольфрам и золото. Такие сплавы, как нихром, пермаллой и нержавеющая сталь, распыляются без изменения состава распыленного материала. Сложные (сплавные) пленки, состоящие из двух или нескольких металлов, могут изготовляться также одновременным распылением нескольких независимых мишеней. При этом скорость распыления каждой из мишеней может устанавливаться и регулироваться независимо от других мишеней.
Распыляться могут как чистые полупроводниковые материалы (кремний и др.), так и полупроводниковые соединения (сульфид кадмия и др.). Для распыления непроводящих материалов, ферритов и диэлектриков требуется применение высокочастотных электрических полей. Высокочастотное напряжение в этом случае прикладывается к металлической пластине, расположенной непосредственно за непроводящей мишенью. Рнс. 68. установка для высокочастотного распыления днзлектрнков. à — высокочастотный водоохлаждаемый ввод; 2 — злектромагннты нлн по.
стокнные магвнты; г — керамическое уплотнение; Ч вЂ” заземленный зкраи; б — высокочастотный злектрад; б — мишень нз дизлектрнка; 7 — держатель паплажки с системой подогрева и охлаждении На рис. 1-8 показана основная часть установки для высокочастотного распыления диэлектриков. На этой установке диэлектрик бомбардируется поочередно ионами и электронами тлеющего разряда, возникающего в газе при воздействии на него высокочастотного поля.
Ионы выбивают из диэлектрика молекулы, которые затем осаждаются па подложке. Электроны .-! предотвращают образование на под.ложке положительных зарядов. Образование электронов н ионов происходит в за- к-л к л ~к~ и ~ полненном аргоном пространстве, окружающем -Е диэлектрик, который слу- 7 жит материалом для оса- к ~, -=-и к;н г- — --з ждения. иЪ ~ н.
Диэлектрик укрепляется на электроде, соеди- Яргал пенном с генератором мощностью 5 квт, работающим на частоте 13,6 Мгг!. Подложки установлены на расстоянии 25 лглч от электрода. Разрядный промежуток помещен в магнитное поле. В результате электроны двигаются по спиральным траекториям вокруг силовых линий магнитного поля в пределах области тлеющего разряда, что существенно увеличивает концентрацию ионов. Благодаря использованию магнитного поля скорость осаждения возрастает примерно в 2 раза. Скорость осаждения можно регулировать, изменяя мощность высокочастотного генератора, напряженность магнитного поля и температуру подложки (скорость осаждения увеличивается почти линейно с уменьшением температуры подложки).
Получаемые при этом пленки обладают большой прочностью и однородностью и не выкрашиваются при разрезании подложки на пластинки. 25 Это позволяет одновременно напылять большое число элементов. Прп высокочастотном распылении нет необходимости нагревать подложки, так как наивысшая скорость осаждения при высокочастотном распылении достигается при температуре подложки, равной +40' С. Большим преимуществом ионно-плазменного метода перед другими является его безынерционность. Распыление материала происходит лишь тогда, когда на мишень подается напряжение, и оно сразу же прекращается после выключения напряжения. При получении же пленок путем термического распыления в вакууме при выключении нагрева испарителя процесс конденсации пленки на подложке не прекращается. Для его прекращения применяют специальные заслонки, препятствующие прохождению пара от испарителя к подложке.
Плотность напыляемого ионного пучка можно регулировать изменением тока эмиссии вольфрамового катода, давления инертного газа, а также напряженности магнитного поля соленоида, с помощью которого легко повысить концентрацию плазмы п увеличить скорость распыления при неизменном потенциале мишени. Скорость осаждения может изменяться в очень широких пределах: от нескольких ангстрем до нескольких тысяч ангстрем в минуту. Количество распыленного материала линейно зависит от времени, а толщина пленки при постоянном режиме разряда определяется соотношением между током мишени, напряжением на ней и временем распыления. Для получения очень тонких пленок нужно подавать на мишень небольшое напряжение (около 200 в), при котором получаются очень малые и хорошо регулируемые скорости осаждения.
Равномерность толщины пленки при ионно-плазменном распылении достигает 1 — 2аго, что значительно выше, чем при распылении в тлеющем разряде, где искажения вносятся непроводящей подложкон, расположенной между катодом н анодом. Рабочее давление при ионно.плазменном распылении лежит в диапазоне 1 10-' — 5 10-' жж рг. ст., что в 50— 100 раз меньше, чем при распылении в тлеющем разряде. Длина свободного пробега при этом составляет от 5 до 25 сж. Расстояние между источником распыления и подложкой может быть установлено меньшим длины свободного пробега. Благодаря этому распыляемые атомы почти не соударяются с молекулами газа и ионами в пространстве между мишенью ц подлогккой„что га резко уменьшает загрязнение пленки остаточными газами.
Состав и свойства пленок, полученных методом ионно-плазменного распыления, ближе к составу и свойствам исходного распыляемого материала по сравнению с пленками, полученными путем распыления в тлеющем разряде. Материал мишени распыляется медленно, н его обычно хватает на несколько тысяч циклов распыления, чем достигается хорошая повторяемость состава пленок. Прочность сцепления с подложкой (адгезия) пленки, полученной ионно-плазменным методом, очень высока, что объясняется высокой энергией попадающих на подложку распыленных атомов.
Эта энергия примерно в 20 раз больше энергии атомов, попадающих па подложку при термическом испарении в вакууме. Высокая адгезия пленки объясняется еще и тем, что при ионноплазменном методе удается предварительно хорошо очистить поверхность подложки тлеющим разрядом до напыления на нее материала мишени. При катодном распылении, где распыление начинается сразу же после возбуждения разряда, такую очистку осуществить трудно. 1-5, ОСАЖДЕНИЕ ПЛЕНОК ИЗ ПАРОВОЙ И ГАЗОВОЙ ФАЗ Помимо получения тонких пленок путем термического испарения в вакууме, катодного и ионно-плазменного распыления, все шире применяются различные термохимические процессы ориентированного нарастания вещества на кристаллической поверхности (эпитаксия) или на своем монокристалле (автоэпитаксия).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
