8215-1 (707127), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Атомарный (молекулярный) поток вещества можно получить, бомбардируя поверхность твердого образца ионами с энергией порядка сотен и тысяч электрон-вольт. Энергия ионов при этом в несколько раз превышает теплоту сублимации поверхностных атомов и образец (мишень) интенсивно распыляется. В процессе бомбардировки мишень активно охлаждают. Это исключает протекание в ней диффузионных процессов. В условиях повышенного по сравнению с термическим вакуумным напылением давления значительная часть распыленных атомов рассеивается, что, с одной стороны, уменьшает скорость осаждения, а с другой — повышает равномерность осаждения пленки по площади подложки. Этому же способствует и большая площадь мишени.

Таким образом, по сравнению с термическим испарением в вакууме распыление ионной бомбардировкой позволяет:

1) получать пленки из тугоплавких металлов, перспективных для микроэлектроники;

2) наносить на подложку соединения и сплавы без диссоциации и фракционирования, т. е. без изменения исходного состава;

3) осаждать окисные, нитридные и другие пленки за счет химического взаимодействия распыляемого материала с вводимыми в камеру химически активными газами (реактивное катодное распыление);

4) получать равномерные по толщине пленки на большой площади, в частности, при наличии поверхностного рельефа;

5) многократно использовать мишень в качестве источника материала, что повышает однородность процесса и облегчает его автоматизацию (например, в установках непрерывного действия);

6) обеспечивать высокую адгезию пленок к подложке благодаря специфическим условиям на подложке и высокой энергии осаждающихся атомов (частичное внедрение в решетку материала подложки);

7) обеспечивать малую инерционность процесса.

Для распыления мишени используют ионы инертных газов (обычно аргон высокой чистоты). Источником ионов служит либо самостоятельный тлеющий разряд, либо плазма несамостоятельного разряда (дугового или высокочастотного). В настоящее время в производстве применяют различные процессы распыления, отличающиеся характером питающего напряжения (постоянное, переменное, высокочастотное), способом возбуждения и поддержания разряда (автоэлектронная эмиссия, термоэмиссия, магнитное поле, электрическое ВЧ-поле и т.д.), числом электродов. Такое разнообразие процессов и их модификаций обусловлено стремлением улучшить основные технологические показатели — скорость осаждения, чистоту и однородность по толщине получаемой пленки, а также стремлением расширить круг материалов, используемых для получения пленок этим методом.

Физические основы процесса целесообразно рассмотреть на примере простейшей его разновидности — катодного распыления на постоянном токе самостоятельного тлеющего разряда.

Рис. 12 Схема катодного распыления (двухэлектродная система) и характер распределения потенциала в пространстве между катодом и анодом:

1—анод; 2—подложка; 3 — изолятор;4—экран; 5 — катод-мишень

Физические основы катодного распыления. При катодном распылении используют простейшую двухэлектродную схему (рис.12), называемую также диодной схемой распыления, которая состоит из катода (распыляемой мишени) и анода. Подложки размещают на аноде. Тлеющий разряд создается в разреженном аргоне при давлении 1—10 Па. В процессе распыления непрерывно работает система откачки, а аргон с определенным расходом поступает в камеру через натекатель, что и обеспечивает заданное давление газа. Катод-мишень наводится под отрицательным потенциалом относительно заземленного анода.

Возможные режимы самостоятельного тлеющего разряда можно описать с помощью вольт-амперной характеристики (рис. 13)

Рис. 13 Вольт-амперная характеристика самостоятельного газового разряда

В исходном газовом промежутке «катод — анод» вследствие фотоэмиссии катода, воздействия космического излучения и других причин всегда присутствуют электроны. Кроме того, при высоких напряжениях имеет место автоэлектронная эмиссия с холодного катода. Поэтому пробивная напряженность электрического поля в таком промежутке при давлениях 1—10 Па составляет около 0,5 кВ/см. Для расстояний между анодом и катодом L=3 8 см напряжение необходимое для электрического пробоя и зажигания разряда (напряжение зажигания) порядка 1,5—4 кВ. Приобретая в электрическом поле энергию, электроны движутся к аноду, ионизируя по пути атомы газа, в результате чего происходит лавинообразное нарастание потока электронов к аноду и (встречного) ионов к катоду. Вследствие этого резко повышается проводимость газового промежутка, возрастает ток и снижается напряжение [до нескольких сотен вольт (участок 1 на рис. 13)]. Возникающий при этом разряд может стать стационарным лишь при условии, если с катода в разрядный промежуток будут поступать электроны в количестве, достаточном для поддержания концентрации электронов и ионов в разряде. По достижении катода ионы рекомбинируют (нейтрализуются) с электронами, поступающими на катод из внешней цепи. Освобождающаяся энергия достаточна (с определенной вероятностью ), чтобы вызвать эмиссию электрона с поверхности катода (вторичная ионно-электронная эмиссия), а при определенной кинетической энергии ионы могут выбивать также атомы из материала катода (распыление). Вторичные электроны в результате столкновений должны создавать такое количество ионов (в среднем 1/ на один электрон), которое, с одной стороны, компенсирует их убыль в результате нейтрализации, а с другой — обеспечивает постоянный приток вторичных электронов с катода. В этом случае разряд поддерживает сам себя и называется самостоятельным тлеющим разрядом.

Для тлеющего разряда характерно определенное распределение потенциала, обусловленное расположением пространственных зарядов. Не рассматривая тонкой структуры разряда, можно выделить в нем две основные области: темное катодное пространство и положительный светящийся столб (см. рис. 12). Толщина d_к темного катодного пространства (ТКП) приблизительно равна среднему расстоянию, которое проходит вторичный электрон от катода до первого ионизирующего столкновения. В дальнейшем электрон еще способен многократно ионизировать молекулы газа, поскольку его энергия в момент первого столкновения составляет сотни электрон-вольт и существенно превышает энергию, необходимую для ионизации атома, например, аргона (15,7 эВ). Поэтому непосредственно за ТКП образуется область ионизированного газа, в которой число электронов и положительных ионов примерно одинаково. Эта область (область положительного столба) характеризуется высокой проводимостью и малым падением напряжения. Свечение положительного столба объясняется возбуждением нейтральных молекул при их столкновении с электронами, а также рекомбинацией ионов. Благодаря экранирующему действию электронов положительные ионы перемещаются в направлении к катоду главным образом за счет диффузии, так как их дрейф в таких условиях незначителен. Достигая границы ТКП, ионы ускоряются сильным полем и бомбардируют катод. Из-за различия в скорости ионов и электронов в ТКП образуется положительный пространственный заряд, который и обусловливает значительное падение напряжения и высокую напряженность поля. Таким образом, ТКП, в котором практически сосредоточено все поле, играет решающую роль как в обеспечении разряда, так и в процессе распыления. Оно обеспечивает энергию электронов, необходимую для поддержания разряда, и энергию ионов, необходимую для эффективной бомбардировки катода-мишени.

В установившемся режиме (участок 2 ВАХ) падение напряжения в области ТКП принимает определенное значение u_нк, называемое нормальным катодным напряжением. Оно зависит от рода газа, его давления р, материала мишени и до определенного значения не зависит от разрядного тока. Последнее объясняется условиями существования нормального тлеющего разряда: при увеличении разрядного тока (за счет увеличения подводимой мощности) площадь катода, покрытая разрядом, увеличивается таким образом, что плотность тока остается неизменной и минимально необходимой для эмиссии вторичных электронов, поддерживающих самостоятельный разряд. Из-за низкой плотности тока распыление мишени в режиме нормального тлеющего разряда незначительно.

Когда вся площадь катода покроется разрядом, дальнейшее увеличение тока приводит к возрастанию его плотности. Это ведет к повышению катодного падения напряжения и повышению коэффициента вторичной электронной эмиссии , обеспечивающих самостоятельный разряд. Участок 3 ВАХ соответствует аномальному тлеющему разряду и используется для распыления в производственных условиях.

С повышением тока увеличиваются плотность тока и интенсивность распыления. При некотором значении плотности тока, зависящем от условий охлаждения мишени, катод сильно разогревается и начинает заметно проявляться термоэлектронная эмиссия. Ток в разряде возрастает, а напряжение падает, поскольку разряд становится несамостоятельным и имеет характер дугового разряда (участок 4 ВАХ). Для предотвращения перехода тлеющего разряда в дуговой высоковольтный источник питания должен иметь ограничения по мощности, а мишень интенсивно охлаждаться.

Основной характеристикой, определяющей эффективность распыления, является коэффициент распыления k_p, представляющий собой среднее число атомов мишени, распыленных одним ионом. Коэффициент распыления зависит от энергии иона Е_И, его массы (рода рабочего газа), материала мишени и в некоторой степени от ее температуры и состояния поверхности, а также от угла падения иона. В табл. 1 приведены значения коэффициентов распыления для некоторых металлов.

Таблица 1 Значения коэффициента распыления

Коэффициент распыления необходимо рассматривать как случайную величину, обладающую определенными статистическими характеристиками. Как следует из таблицы, увеличение коэффициента распыления возможно за счет увеличения как энергии ионов, так и молекулярной массы газа, в среде которого происходит распыление (Аг, Кг).

Увеличение давления рабочего газа повышает вероятность столкновения распыленных атомов с молекулами газа, в результате чего часть атомов не приходит на подложку, а рассеивается в объеме камеры или возвращается на мишень. При этом скорости распыления и осаждения падают. Таким же образом влияет на эти параметры увеличение расстояния L от катода до подложки. Минимально допустимое значение L должно несколько превышать ширину темного катодного пространства d_К, иначе вероятность ионизирующих столкновений вторичных электронов резко уменьшится и разряд станет нестабильным. В то же время высокая энергия электронов вблизи границы ТКП приводит к тому, что интенсивность бомбардировки поверхности подложки повышается и она разогревается, результатом чего является снижение скорости осаждения, а в ряде случаев - возникновение нежелатель-ных радиационных нарушений поверхностного слоя. На практике расстояние L подбирают экспериментально.

Из сказанного следует, что массовая скорость распыления вещества катода, т.е. количество вещества в граммах, распыленного с 1 см² катода в 1 с, определяется для аномально тлеющего разряда выражением

Характеристики

Список файлов реферата