Технологические основы электроники (стр. 4 из 5)
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 dк 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 uнк, 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 kp, представляющий собой среднее число атомов мишени, распыленных одним ионом. Коэффициент распыления зависит от энергии иона ЕИ, 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
| Распреде-ляемое вещество | Коэффициент распыления kP | |||
| при ЕИ=600 эВ | при ЕИ =1 кэВ | |||
| Аг | Кг | Аг | Кг | |
| Си | 2,3 | 2,8 | 3,2 | 3,4 |
| Fe | 1,3 | 1,2 | 1,4 | 1,4 |
| Мо | 0,9 | 1,1 | 1,1 | 1,2 |
| Ni | 1,5 | 1,5 | 2,1 | 1,7 |
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 dК, 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
w=k(u-uНК)J/(pL) (5)
где и—напряжение «анод—катод»; иНК—нормальное катодное падение напряжения, при котором распыление пренебрежимо мало;
J—плотность разрядного тока; р—давление рабочего газа; L— расстояние «катод—подложка»; k—постоянная, зависящая от рода газа и материала катода.
Из проведенного анализа ясно, что все технологические параметры распыления (и, иНК, J и р) функционально связаны друг с другом и выбор одного из них однозначно определяет значения других. Это положение иллюстрируется рис. 14, на котором представлены рабочие участки вольт-амперных характеристик разряда при различных давлениях рабочего газа, а также нагрузочная выходная характеристика блока питания. Точка пересечения нагрузочной характеристики с ВАХ определяет режим распыления.
Рис. 14 Семейство ВАХ аномально тлеющего разряда при различных давлениях газовой
смеси (р1> р2> р3> р4> р5) и нагрузочная характеристика (N) блока питания
При распылении сплавов скорость процесса для разных компонентов в общем случае различна. Обеспечить заданный состав пленок при ионном распылении в большинстве случаев проще, чем при термическом вакуумном напылении. Один из приемов заключается в использовании составных (мозаичных) мишеней, причем соотношение площадей компонентов мишени рассчитывают, исходя из заданного состава пленки и коэффициентов распыления.
Условия конденсации распыленных атомов. При ионном распылении (в отличие от термического вакуумного напыления) поток атомов вещества на подложку имеет следующие особенности:
1) энергия и направление удара атомов о поверхность подложки носят случайный характер по поверхности и во времени;
2) плотность потока атомов на подложку приблизительно на порядок ниже, что обусловливает более низкие скорости роста пленок (~0,5 нм/с);
3) средняя энергия атомов, подлетающих к подложке, на 1—2 порядка более высокая;
4) наряду с нейтральными атомами в потоке присутствуют ионы распыляемого вещества и электроны;