В. И. Смирнов (987304), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Таким образом, газовыйразряд поддерживает сам себя и поэтому называется самостоятельным тлеющим разрядом.С повышением тока, протекающего через газоразрядную плазму, увеличивается плотность ионного потока и интенсивность распыления мишени. Принекоторой плотности потока, зависящей от условий охлаждения мишени, начинает проявляться термоэлектронная эмиссия. Ток в разряде возрастает, а самразряд становится несамостоятельным, приобретая характер дугового разряда.Для предотвращения перехода самостоятельного тлеющего разряда в дуговойвысоковольтный источник питания должен иметь ограничения по мощности, амишень интенсивно охлаждаться.Для описания процессов катодного распыления мишени используют модели, основанные на двух механизмах.
Согласно первому механизму распыленные атомы возникают в результате сильного локального разогрева поверхностимишени самим падающим ионом (модель «горячего пятна») или быстрой вторичной частицей (модель «теплового клина»). Второй механизм состоит в передаче импульса падающего иона атомам решетки материала мишени, которые,в свою очередь, могут передать импульс другим атомам решетки, вызвав темсамым каскад столкновений (модель столкновений).Основной характеристикой эффективности процесса распыления является коэффициент распыления Кр, определяемый отношением количества выбитых атомов Nат к количеству бомбардирующих мишень ионов Nион:Кр =N ат.N ионПо существу коэффициент распыления представляет собой среднее число атомов мишени, выбитых одним ионом.
Коэффициент распыления зависитот энергии ионов Еи, его массы (рода рабочего газа), материала мишени ив некоторой степени от ее температуры и состояния поверхности, угла бомбар81дировки, давления газа (при условии, что давление не выходит за пределы, прикоторых газоразрядная плазма гаснет).Зависимость коэффициента распыления от энергии ионов, изображеннаяна рис. 4.5, носит немонотонный характер. Вначале при относительно небольших энергиях (менее 100 кэВ) с ростом энергии ионов Кр увеличивается, причем зависимость эта практически линейная. Затем рост Кр замедляется, криваяКр = f(Eи) достигает насыщения, и для некоторых материалов наблюдается дажеуменьшение коэффициента распыления.Качественно характер такой зависимости можно объяснить следующимобразом.
При небольших энергияхэффективность процесса распыления, характеризующаяся коэффициентом распыления, увеличивается сростом энергии ионов, поскольку этоприводит к увеличению импульса,передаваемого ионом атому мишени,Рис. 4.5. Зависимость коэффициентаа значит, и к увеличению вероятнораспыления Кр от энергии ионов Еисти выбивания его из своего узла.Если энергия иона превышает некоторое значение Eи max, то более вероятнымстановится процесс ионной имплантации. Это означает, что ускоренные добольших энергий ионы быстро проникают в приповерхностный слой мишени,теряя свою энергию за счет выбивания атомов мишени из своих узлов. Однакопроцесс выбивания атомов происходит уже на некоторой глубине от поверхности мишени, поэтому значительная часть выбитых атомов не может перейти измишени в паровую фазу.
В результате коэффициент распыления падает с ростом энергии ионов (или остается постоянным).Зависимость Кр = f(Eи), изображенная на рис. 4.5, достаточно хорошоописывается выражениемEи2К N πaE и maxКр = 0 2⋅,(4.8)EFE sи1+E и maxгде коэффициент К0 зависит от зарядов ядер бомбардирующего иона Z1 и атомамишени Z2 и периодически изменяется с изменением Z2; N2 – концентрацияатомов мишени; Es – энергия сублимации материала мишени. Нормировочныйкоэффициент F определяется значением Eи max:0,3F=.E и maxВеличина а в формуле (4.8) представляет собой радиус экранирования зарядаядра электронами атомной оболочки:82a=(4,7 ⋅ 10 −9)1/2Z 2/3 + Z 2/312(см).Зависимость коэффициента распыления от массы ионов рабочего газа m1и атомов мишени m2 описывается выражениемm m1 2 E ,Кр = kиλm +m12где k – коэффициент, характеризующий физическое состояние мишении определяемый экспериментально; λ − длина свободного пробега ионовв мишени, зависящая от концентрации атомов мишени.Увеличение давления рабочего газа в камере повышает вероятностьстолкновения распыленных атомов с молекулами рабочего газа, в результатечего часть атомов рассеивается в объеме или, отразившись от молекул рабочегогаза, возвращается обратно на мишень.
Поэтому увеличение давления приводитк уменьшению коэффициента распыления. Обратное рассеяние особенно существенно влияетна величину Кр, если масса распыленных атомовменьше массы молекул рабочего газа. На рис. 4.6показана зависимость коэффициента распылениямишени из никеля от давления аргона в газоразрядной камере. Видно, что при небольших давлениях (на уровне 1 − 2 Па) коэффициент распыления изменяется слабо.
Однако, начиная с давлеРис.4.6. Зависимость Кр отний примерно равных 6 − 8 Па, коэффициентдавления аргона в камерераспыления с увеличением давления начинаетрезко падать.Зависимость коэффициента распыления от температуры, как правило, невелика и носит сложный характер. Она определяется процессами, изменяющими структуру мишени при ее нагреве. Если при нагреве мишени происходиттермический отжиг дефектов, восстанавливающий структуру кристаллическойрешетки, то коэффициент распыления незначительно уменьшается. Коэффициент распыления может заметно измениться, если нагрев мишени сопровождается фазовыми превращениями (например, α-Fe с объемоцентрированной кубической решеткой при температурах выше 910 °С переходит в γ-Fe, имеющее гранецентрированную кубическую решетку).
Если структурных или фазовых изменений не происходит, то коэффициент распыления остается постоянным илиможет незначительно увеличиваться при повышении температуры.Зависимость коэффициента распыления от угла падения носит немонотонный характер с максимумом в диапазоне углов от 30˚ до 60˚. На рис. 4.7 а вкачестве примера приведена зависимость Kр(α) для мишени из алюминия, рас-()83пыляемая ионами аргона с энергией 105 кэВ (коэффициент распыления выражен в относительных единицах). При нормальном падении Kр пропорционаленэнергии, рассеиваемой ионом в приповерхностном слое вещества, в пределахкоторого упругие столкновения с атомами приводят к распылению. При этомнеобходимо учитывать тот факт, что часть атомов мишени, выбитых из своихузлов на достаточно большом расстоянии от поверхности, покидать мишень небудет.
С увеличением угла падения число смещенных атомов, достигающихповерхности и могущих покинуть кристалл, увеличивается, так как областьсмещений располагается под малым углом к поверхности (рис. 4.7б). Количество атомов мишени, выбитых из своих узлов, но остающихся в мишени, приэтом уменьшается. Из геометрических расчетов следует, что число распыленных атомов возрастает в 1/cosα раз.
Увеличение угла от 60˚ до 90˚ приводитк падению коэффициента распыления практически до нуля, поскольку в этомслучае преобладающим становится отражение ионов от поверхности мишени.Рис. 4.7. Зависимость коэффициента распыленияот угла падения ионов (а) и модель, объясняющая эту зависимость (б)Важной особенностью катодного распыления является то, что в случаеслабопроводящих подложек или при плохом контакте подложки с анодомна ее поверхности может образовываться распределенный отрицательный заряд электронов. Потенциал подложки относительно заземленного анода можетдостигать величины −100 В. Под влиянием электрического поля, созданногоэтим зарядом, возникает поток ионов остаточного газа, загрязняющий растущую на подложке пленку, а также поток ионов рабочего газа, способствующийдесорбции атомов и молекул с подложки.Трехэлектродная система распыленияДля повышения чистоты получаемой на подложке пленки процесс ионноплазменного распыления необходимо проводить при как можно меньшем давлении рабочего газа.
Однако, как уже отмечалось ранее, понижение давленияприводит к тому, что при большой длине свободного пробега электронов вероятность их столкновения с атомами рабочего газа становится ничтожно малой,и газовый разряд гаснет. Поэтому для поддержания разряда в камере84и обеспечения распыления мишени при низких давлениях необходимы специальные меры.Одним из вариантов решения проблемы является применение трехэлектродной системы распыления, изображенной на рис. 4.8.
Цифрами на рисункеобозначены: 1 – термокатод; 2 – анод; 3 – мишень; 4 – подложка;5–подложкодержатель. Таким образом, в данной системе имеются три независимо управляемых электрода: термокатод, анод и распыляемая мишень, потенциал которой относительно термокатода составляет несколько киловольт.По достижении в камере вакуума порядка-410 Па термокатод разогревают и в камеру черезнатекатель подают инертный газ при давлении0,05 − 1 Па. В результате термоэлектроннойэмиссии с катода будут интенсивно испускатьсяэлектроны, ускоряющиеся вертикальным электрическим полем. При напряжении между термокатодом и анодом порядка 100 В возникаетнесамостоятельный газовый разряд, при этомразрядный ток достигает нескольких ампер.
Мишень, имеющая отрицательный потенциал относительно катода, оттягивает на себя значительную часть ионов, образующихся в газовом раз- Рис. 4.8. Трехэлектродная система распыленияряде, и ускоряет их. В результате бомбардировкимишени ионами происходит ее распыление, ираспыленные атомы осаждаются на подложке, формируя тонкую пленку.Такие трехэлектродные системы, в которых электрические цепи разрядаи распыления разделены и управляются независимо друг от друга, обеспечивают гибкость управления процессом. Скорость осаждения составляет единицынанометров в секунду, что в несколько раз превышает аналогичный показательдля двухэлектродной схемы катодного распыления.Дальнейшее развитие трехэлектродных систем распыления привело к использованию автономных ионных источников. Ионный источник представляетсобой газоразрядную камеру с термокатодом, в которую подается рабочий газпод давлением ~ 0,5 Па, что обеспечивает высокую концентрацию ионов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
