Майсел Л. - Справочник - Технология тонких плёнок (1051257), страница 102
Текст из файла (страница 102)
3. Физический механизм ионного расйылення зываетсн очень малым, поскольку ббльшая часть материала распыляется в разных направлениях между конусами и не может покинуть поверхно. сти мишени (431. Часто возникают осложнения с такими материалами, как большинство редкоземельных металлов и их окислов, которые имеют высокие упругости паров и малые работы выхода электронов.
Для катодов из этих материалов характерна тенденция к образованию катодных пятен искрового нли дугового разрядов, Из материалов с высокой объемной электропроводностью получаются легко пробиваемые «конденсаторы»; в этом случае пе следует упускать нз вида того, что все напряжение прн распылении прикладывается к распыляемэчу диэлектрику. В случае распыления материалов с высокой диэлектрической пропицземостью важно, чтобы между мишенью н металлическим основанием нигде ие было зазоров; в противном случае локальное уменьшение емкости в этих местах приведет к снижению коэффициента распыления. Это особенно важно для трехзлектродной системы ВЧ распыления в низкочастотной области, поскольку участки с пониженной емкостью теряют отрицательный заряд под действием ионной бомбардировки значительно быстрее. В случае, котла распыляется сложный материал, такой как стекло пирекс, весьма удиви.
тельным, по крайней мере на первый взгляд, является то обстоятельство, что осажденным материалом оказывается тоже пирекс. Хотя известно, что после достижения равновесных условий материал мишени переводится в пврообразное состонние того же состава, однако следует допустить, что в процессе распыления ббльшая часть молекул диссоциирует и распыляемый материал поступает на подложку преимущественно в виде атомов. Остается определить источник, из которого берется энергия активации, необходимая для восстановления соответствующих молекул из отдельных атомов: пока не ясно, поставляется ли она за счет энергии атомарного кислорода, ультрафиолетового излучения плазмы, бомбардировки ионами инертных газов низких энергий или энергии распыленных атомов с высокими кинетическими энергиями.
Б. Ионные пучки Идеальным методом получения надежных результатов оказалось распыление вещества в высоком вакууме с помощью пучков ионов, в частности, с помощью пучков ионов, разделенных по массам. Однако для полу- ения тонких пленок такое распыление используется редко. Поэтому этой проблеме Чы пбсвятим всего лишь несколько коротких замечаний, связансых с особенностями осаждения пленок. Основными преимушествами метода ионных пучков являются воэиожность распыления в условиях высокого вакуума (с применением дифференциальной откачки), отсутствие электрических н магнитных палей в области между мишенью н подложкой и возможность облучения мишени иоиачи под малыми углами к ее поверхности Ло сих пор очень мало известно о влиянии внедренных атомов инертного газа на зародышеобразованне и рост пленок, получаемых ионным распылением (44].
Было бы очень странно, если бы атомы инертных газов, всегда попадающие, хотя н в небольшом количестве, в пленки в про. цессе нх получения методом ионно-плазменного распыления, ие оказыва. ли бы существенного влияния на определенные свойств пленок некоторых материалов. РаСпыление с помощъю ионных пучков дает возможность контролировать и детально исследовать содержание атомов газа в пленках (хотя иам н не известны работы по систематическим исследованиям е этой области).
2, Методы ионного распыления При ионно-плазменном распылении мишень всегда находится под отрицательным потенциалом относительно плазмы. Вследствие этого иа по. ложительные ионы, испускаемые мишенью, действует сила, возвращающая их на мишень, тогда как отрицательные ионы ускоряются в направлении от мишени. От этих эффектов разделения ионов, конечна, можно избавиться, если нз рабочего объема полностью исключить электрические поля, что можно сделать, используя распыление ионным пучком. Другое преимушество отсутствия электрического поля в области поверхности мишени заключается в том, что ноевым пучком можно распылять порошковые материалы без возмущающих сил, действ>ющих на частицы порошка Кроме того, можно избежать трудностей, связанных с искрением н возникновением дугового разряда на поверхности мишени при ионид-плазменном распылении некоторых материалов, таких, например, как РЬ, Еп и Са. При сравнительно низких энергиях пучка используют вспомогатель.
яый термозлектронный катод в качестве источника электронов для полной нейтрализации заряда иа поверхности мишени и для уменьшения эффектов пространственного заряда (ограничивающих плотность тока) в пучке. Охлаждение мишени оказывается сложной задачей, когда хотят полу. чить высокие скорости осаждения. Эта задача еще более усложняется при больших энергиях ионов, поскольку эффективность распылении уменьша ется с увеличением энергии бомбардирующих конов. С другой стороны.
охлаждение подложки вряд лн будет сложным, так как в этом методе не происходит облучения подложки ускоренными в поле мишени вторичными электронами. При наклонном падении ионов наблюдается существенное увеличение коэффициента распыления для многих материалов. Это обстоятельство может, по крайней мере частично, компенсировать малые плотности ион. ного тока, которые имеют место при распылении ионными пучками. Особый интерес должно представлять исследование более высоких энергий испускания атомов, распыляемых в «прямом» направлении при облучении мяшенн под малыми углами к ее поверхности.
В этом случае могут воз пикнуть проблемы, связанные с загрязнением пленок атомами, распыляс мыми с ускоряющих электродов (возможно, а результате перезарядки ионов и образования нейтральных атомов). В качестве источников ионов главным образом используются разлнч ные варианты дуоплазмотрона Арденне [451. Арденне с сотрудниками [48] установил, что скорости осаждения пленок Та или 8(Оз при облуче нин этих материалов пучком ионов аргона, при ускоряющем напряже иии 10 кэВ, токе пучка ! мА и расстоянии мншань-подложка 2 см состав.
лают 300 А/мин. Чопра н Рэндлетт [47( использовали ионный пучок дна. метром 0,8 см с током 50 мА и ускоряющим напряжением 2 кэВ и получили сиорость осаждения Ая-пленки 400 А/мнн пря расстоянии мишень — под ложка 8 см. Набло и Кинг [48) распыляли различные металлы, полупро водники и диэлектрики пучком ионов аргона с током 10 мА и ускоряющим напряжением 30 кэВ и па подложках площадью 5хб см' получили скорости осаждения пленок 30 — 150 А/мии.
Основные недостатки метода ионных пучков заключаются в том, что облучаемая площадь мишени ма ла и метод не позволяет получать высокие скорости осаждения одиород. ных по толщние пленок иа подложках большой площади. Однако в пос. ледние годы большое внимание привлекли к себе работы по использованию ионных пучков (Ня) большого диаметра, состоящих из большого чи ела пучков меньшего диаметра, в реактивнмх двигателях космических ап.
паратов. Вероятно, применение таких пучков для получения пленок позво пило бы отчасти преололеть указанные недостатки. В настоящее время проводятся исследования в этом направлении [49[. 871 Гл. 3. Физический ыеханизм вмнюгв распыления 3. КОЭФФИЦИЕНТЫ И ПОРОГОВЫЕ ЭНЕРГИИ РАСПЫЛЕНИЯ А. Коэффициенты распыления Экспериментальные данные яо коэффициентам распыления, особенно относящиеся к осажденню тонких пленок, подробно излагаются в гл. 4. Поэтому здесь мы ограничимся только несколькнмн замечаниями общего характера.
Коэффициент распыления, определяемый как отношение числа выбитых атомов к числу ионов, падающих на мишень, являешя наиболее важ. ным явраметром, характеризующим процесс ионного распыления. Первостепенная задача каждой теории иовпого распыления состоит в том, чтобы, не используя дополнительных подгоночных параметров. вычислять коэффициенты распыления на основании данных, характеризующих материал мишени и бомбардирующие ноны. Существует много способов экспериментального определения коэффициентов распыления. К ним относятся способ радяоактнвяых индикаторов, спектроскопические способы, способы, основанные на изменении резонансной частоты кварцевого кристалла, используемого либо в качестве мишени, либо в качестве подложки, н из изменении электрического сопротивления или работы выхода (термоэлектронной эмиссии) материала мишени.
Во всех способах калибровка осущаствлйется по непосредственному взвешиванию мишени. В следующем разделе будут предстаилены данные по коэффициентам распыления для очень низких энергий ионов (пороговых энергий распылепия) Для энергий распыления выше пороговой с увеличением энергии ионов коэффициент распыления растет сначала экспоиенциально, потом линейно, затем сублннейно п имеет пологий максимум; при дальнейшем увеличении энергии ионов коэффициент распыления уменьшается. Типичные кривые для поликристаллической меди, облучаемой ионами аргоиа, прнйрйены на рнс. 2, Большие расхождения данных у различных исследо.
ватвйей обусловлены различием в преимущественной ориентации крнстал. литов в поликрнсталлнческих образцах. Исследования ноинога распыления монокристаллов показали, что коэффициенты распыления, особенно пря высоких энергиях ионов, сильно зависят От ориентации кристалла отво. сительно пучка ионов (19). ионы проникают в решетку мишени наиболее глубоко тогда, когда направление пучка соответствует меньшей плотности проекций узлов кристаллической решетка на плоскость, перпендикулярнуЮ данному направлению. В результате увеличения глубины проникновений ионов эффективность пх захвата решеткой возрастает, а коэффицяенз распыления — уменьшается [20, 21) ..
При идентичных условиях коэффициенты распыления для рззличимх веществ имеют периодичность, обусловленную нх положением в перподи. чесмой системе элементов и являющуюся следствием периодичности В вй теплотах сублимации, строении атомных оболочек и кристаллической струцтуре, Масса атомов мишени ш входит в выражение для коэффициента распыления через коэффициент передачи энергии 4шМг(ш+М)з, где М— масса иона. Коэффициенты распыления металлов в твердом и жидком состояниих разлвчаются не очень сильно (60, б(). Коэффициенты распылвиня от температуры мишени зависят слабо.
Исключение составляет область высоких температур, при которых становится существенным терни. ческое испарение материала мишени; в этой области Томпсоном и Нельсоном 52) обнаружены некоторые аномалии. анболее полные данные по зависимости коэффициентов распыления от природы ионов были собраны Ааменом и Брюсом 120, 21) для области 3. Коэффмцнеиты н пороговые энергии распылении высоких энергий ионов (45 кэВ). Из рис.
3 следует, что козффикиенты распыления максимальны для яонов инертных газов и минимальны — для элементов, расположенных в центральных столбцах периодической системы (А1, Т1, Ег, Н1 и редкоземельные элементы). Весьма интересным и до сих пор не объясненным являетсн тот факт, что коэффициенты распыления изменяются значительно сильнее в зависимости от природы ионов (в 100 и более раз), чем в зависимости от природы атомов мишени (в 1О раз). Коэффициент распылении может достигать довольно высокях значений; так, для пары Ад — Нй он составляет 50 атом/ноя. ф а В б (г $ ° ьгг гг Ф гх Ю ю~ Ю юУ ОЮ Знерги я иаио6, ггзсг Рис. 3. Зависимости ковффивисита расиыисии» меди от овсргии иаков оргона даа оа. каста вамокик висргва, вовувсвиыс раваитвыми авторами. При бомбардировке мишени молекулами козффкцнент распыления оказывается таким же, как если бы зтомы, входящие в состав молекулы, приходили на мишень раадельно со скоростью, равной скорости молекулы, и распыляли материал мишени независимо друг от друга.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
