Майсел Л. - Справочник - Технология тонких плёнок (1051257), страница 100
Текст из файла (страница 100)
Причем болъшаи часть приложенного напряжения падает именно на этой ионной оболочке. После установления суационарного состояния толщина оболочки и' определяется уравнением Ленгмюра для области пространственного заряда (/ /з /+ п,з где /а — плотность тока ионов, поступающих нэ плазмы, на границе оболочки (зависящая от полного разрядного тока); () — разность потенциалов между мишенью н плазмой. Толщины ионных оболочек для разлнч. ных инертных газов можно определить непосредственно из графиков (36).
Так кзк в оболочке нет электронов из плазмы, которые моглн бы вызвать возбуждение атомов газа, эта область в основном темная н поэтаму хорошо видна. Возбуждение атомов газа в оболочке могли бы вызвать толыго вторичные электроны, выбиваемые нз мишени ионной бомбардировкой, по пути их следования нз мишени в плазму. Однако число вторичных электронов мало н к тому же они довольно быстро достигают скоростей, превышающих скорость в максимуме такого возбужденна. Величина сечения для нозбуждення ионами настолько мала, что ею можно пренебречь.
Ионный ток для плоского электрода (с охранным кольцом) ие зависит от приложенного напряжения, Прн увеличении приложенного напражения будет возрастать только толщина ионной оболочки, причем так, чтобы положительный пространственный заряд ионов в оболочке компенсировал увеличивающийся отрицательный заряд на электроде. Плотность ионного тока /ь определяется выражением где и+ — плотность ионов в плазме; и+ — средняя скорость хаотического дбйжания ионов в плазме; е — заряд электрона, Ток, намеренный прн отриййгельным потенциале па зонде, включает в себя не только ионный ток, но и ток вторичных электронов. При знергиях бомбардирующнх ионов, меньших одвого кнлоэлектрон-вольтэ, происходит в основном потенциальная эмиссии вторичных электронов.
Для ионов Аг+, падающих нэ чистую 2. Методы ионввго распыления поверхность вольфрама, коэффициент вторичной змиссии составляет примерно 10%. Следует отметить, что при постоянной плотности ионного тока в плазме (основноге тока разряда) толщина нонной 'оболочни не зависит ат давления газа. На плоскую мишень ионы падают в основном по нормали к поверхности. Энергия бомбардирующих ионов (с очень небольшими отклоиеннями вследствие того, что температура ионов ие намного превышает температуру газа) определяетсн напряжением, приложенным между электродом и плазмой.
При более высоких давлениях газа может стать важной перезарядка в ионной оболочке с образованием быстрых нейтральных атомов. В первом приближении условия на катоде в тлеющем разряде по. стоянного тона не очень сильно отличаются от условий на полобиом отрицательном электроде, помещенном в плазму, за тем исключением, что вторичные электроны. освобождаемые из катода, в случае тлеющего разряда играют определяющую роль з поддержании плазмы тлеющего разряда. Для понимания процессов, происходящих вблизи анода или при вы. сокочастотиом ионном распылении, необходимо рассмотреть участок вольтампериой харантеристики зонда Леигмюра, соответствующий коллектнровзиню зондом электронов.
По мере уменьшения отрицательного потенциала на зонде относительна плазмы толщина нонной оболочки уменьшается. Прн этом быстрые электроны плазмы смогут проникать сквозь оболочку и достигать зонда. В плазме низкого давления иет термического равнове. сня между электронами и газом (плохой обмен энергией вследствие большого различия в массах).
Электроны имеют широкий спектр скоростей, соответствующий температуре з десятки тысяч градусов, По мере прнблнженкя потенциала зонда к потенциалу плазмы ток зонда, состоящий из тока собираемых электровоз (и положительных иоиоя), будет зкспоненцнально увеличиваться. Наконец, электронная составляющая полного тока зонда более чем на два порядка превысит ионную составляющую, поскольку плотность электронного тока 1 (-= — п-о-е, 4 з прн и+ = л- отношение где гИ вЂ” масса иона; т — масса электрона.
Когда потенциал зонда становится равным потенциалу плазмы, на зольт-амперной характеристике зонда понвляется хараятеряый перегиб, соотвегствующий изменению роли носителей заряда равного знака. При положительных потенциалах на зонде положительные ионы отталкищ(ются, вокруг зонда образуется электронная оболочка, а электронный ток имеет тенденцию к насыщению. Однако при больших положительных по. тенциалах на зонде его характеристика существенно отличается от характеристики, когда на зонд подан отрицательный потенциал.
Как тож ко электроны станут ускоритьсв до зиергвй, превышающих энергию ионвзацни атомов газа, вокруг зонда появится область с повышенной плотностью плазмы, а при дальнейшем увеличении потенциала. ток зонда будет очень круто нарастать. В целом характеристика зонда похожа ва характеристику выпрямителя. В призлектродиой области большое падение напряжения можно получить только при отрицательном потенциале 3. Физический механизм ионного распыления иэ электроде. Если учесть, что электронная составляющая тока много больше нонной, а сИорости электронов имеют большой разброс, то стаиеу ясно, что нулевой ток зоида (равенство ионного и электронного токов) имеет место при некотором отрицательном напряжении на зонде относи. тельно плазмы. Следовательно, поверхность любого диэлектрика вли чила.
вающнй электрод» (или стенка трубки) заряжаются в плазме отрицатель. но, чтобы отталкивать большую часть приходящих к зокду электронов. г(з вольт-амперной характеристики зокда следует, что на электрод мож()а подать сколь угодно большое отрицательное смешение (пока ионная оболочка не расширится настолько, что займет всю трубку и погасит а ней плазму), а положительное смещение, превышающее потенциал ионизации газа, подавать нельзя; в этом случае электрод станет новым анодом, на который потекут большие электронные токи и он сильно разогреется.
Теперь рассмотрим трехэлектродную систему высокочастотного ионного распыления диэлектриков. В плазму постоянного тока (между тер. моэлектронным катодом и анодом) введем металлический электрол и меж. ду этим электродом н анодом приложим напряжеаие высокой частоты (порядка нескольких мегагерц). Как было сказано ранее, область электрод — плазма функционирует подобно выпрямляющечу переходу. Поэтому если в цепь высокой частоты ввести разделительный конденсатор, го в результате зарядки этого конденсатора электрод большую часть времени будет отрицательным относительно плазмы. Далее можно внешний конденсатор заменить внутренним, покрыв диэлектриком металлический электрод, При этом поверхность диэлектрика, обращенная к плазме, относи.
тельно плазмы (и относительно металлического электрода) зарядится от. рицательно и будет распыляться. Поверхности диэлектрика достигают только короткие всплески электронного тона, а большую часть периода ВЧ напряжения к этой поверхности ускоряются положительные ионы. Величина отрицательного заряда, локализованного иа поверхности диэлектрика, такова, ~то полный ток ионов за один период в точности ра. вен тону электронов, т.
е. суммарный ток равен нулю, что и должно быть в случае диэлектрика. При частотах 1О' Гц и выше ион аргонэ на пути из плазмы к мишени не может пройти всю ионную оболочку за один период, и на короткое время в каждый период он оказывается в не(юральной плазме. Таким образом, этот ион в течение следующих один за другим периодов многократно ускоряется и никогда не испытывает замедления, поскольку в электронной оболочке с ее высокой электропроводнпстью пе могут поддерживаться высокие градиенты электрического поля. Для оценки наиболее приемлемого частотного диапазона в трехэлектродной системе ВЧ распыления руководствуются следующими соображеиййми. Если внешний или внутреппий конденсатор имеет очеяь мэлщо Д е кость, то он в результате ионной бомбардировки мишени очень быстро ряег свой заряд.
Так, при смкости такого конденсатора 1О пф/см' н плотности ионного тока 1О мА/смз скорость изменения напряжения иа конденсаторе составляет 10з В/с. Если изменения напра!кения на конлеисаторе за период не превышают !00 В, то следует рйботать на частотах выше 10 МГц Для чеиьших плотностей ионного тока и ббльших емкостей можно использовать более низине частоты. Верхний предел частотного диапазона определяется временами пролета электронов. В последние годы для ионного распыления стала использоваться простая двухэлектродная ВЧ системз, прячем несколько промышленнмх установок такого типа имеется в продаже.
В них возбуждение плазмы псу. ществляется с помощью высокочастотных полей. Этот способ возбуждения плазмы становится весьма эффективным на высоких частотах, так как плаз. му с ВЧ возбуждением можно поддерживать при меньших давлениях га- 2. Методы ионного распыления за, чем плазму тлеющего разряда на постоянном токе. Для более эффективного возбуждения плазмы следует использовать более высокие частоты (порядка )0 — 50 МГц). Поскольку в двухэлектродиой ВЧ системе аторичные электроны не играют решающей роли в установлении ВЧ разряда, то последний является более простым для понимания, чем тлеющий разряд на постоянном токе. Рассмотрим жйй одинаковых электрода, помещенных в атмосферу инертного газа с давлением и несколько микрон рт, ст.
Если к этим электродам приложить симметричное ВЧ напряжение с частотой порядка нескольких мегагерц, то после установления разряда можно увидеть, что оба электрода окружены темной оболочкой, Вто свидетельствует о том, что происходит нх ионное распыление. В первом приближении можем предположить, что ноны неподвижны (в дальней. шем мы изменим это предположение) и что все процессы происходят так, как если бы в один полупериод переменного напряжения столб электронов плазмы частично вдвигался н положительный электрод, оставляя у другого электрода обедненную элентроиами ионную оболочку, на которой падает все приложенное к электродам напряжение. В следующий полупериод электроды меняются ролями. При высокой частоте переменного напряжении времени для деионизации плазмы недостаточно. Большую часть аремеии потенциал плазмы относительно электродов положителен, причем измеряемое постоянное напряжение между плазмой и любым нз даух электродов близко к амплитуде ВЧ напряжения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
