WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 22 | 23 || 25 | 26 |   ...   | 27 |

Ионы с большой кинетической энергией формируют глубокий диффузионный слой. Это же явление наблюдается и для плоскостей с плотной упаковкой. Образование глубоких диффузионных переходных слоев можно объяснить переносом осажденного материала через дислокационные ядра или точечные дефекты Френкеля.

4.8.4. Ионное распыление и получение тонких пленок Распыление материалов под действием ионной бомбардировки широко используется для получения тонких плёнок. Эти плёнки являются основой для формирования различных тонкоплёночных элементов интегральных микросхем, могут повышать коррозийную стойкость материалов, изменять их оптические характеристики, функциональные свойства и так далее.

Область энергий ионов, представляющая наибольший интерес для получения тонких пленок методом ионного распыления, простирается от пороговой энергии ( как, например, в схемах распыления со смещением) до примерно 5 кэВ. Коэффициенты распыления для разных материалов редко различаются более чем в 10 раз. Например, скорость распыления вольфрама в аргоне только в два раза меньше скорости распыления алюминия, в то время o как скорости испарения этих двух металлов (при 2000 С) различаются на девять порядков. Эти плёнки по свойствам значительно отличаются от нанесённых термическим испарением. Ионным распылением можно наносить плёнки из любых материалов, в том числе из многокомпонентных сплавов при сохранении стехиометрического состава.

В составе потока распыляемого материала преобладают нейтральные атомы мишени, при этом их энергия составляет в среднем единицы электронвольт, а некоторые частицы обладают энергией до нескольких сотен электрон-вольт, т.е. по сравнению с термически испарёнными атомами в результате ионного распыления генерируются частицы с энергиями, в десятки раз большими. Вследствие значительной энергии конденсирующихся атомов их подвижность на подложке высокая, что способствует увеличению плотности центров зародышеобразования и уменьшению размеров кристаллов. Плёнка становится сплошной при меньшей толщине, чем в процессах термического нанесения плёнок. Увеличение плотности центров зародышеобразования происходит также вследствие возникновения радиационных дефектов в поверхностном слое подложки. Осаждённые плёнки обладают высокой адгезией к материалу подложки, так как энергия осаждаемых атомов достаточна для образования хемосорбционных связей.

Так как процесс распыления легко реализуется на мишени большой площади, то с такого распределённого источника получают плёнки с высокой равномерностью на большой площади подложки. Практически неограниченный запас распыляемого материала мишени позволяет использовать процесс в установках непрерывного действия. Контроль параметров процесса ионного распыления и автоматическое управление режимами позволяют получить плёнки с воспроизводимыми свойствами.

Модификацию свойств плёнок проводят дополнительным облучением растущей плёнки из автономного источника ионов. Такое облучение вызывает рост дефектов, распыление загрязнений и сорбированных газов, активацию поверхности и другие эффекты, поэтому можно управлять свойствами растущих плёнок, в частности структурой, адгезией, электропроводностью, механическими микронапряжениями и химическим составом. Если дополнительное облучение проводить ионами инертных газов, то происходит модификация структуры без изменения химического состава. Бомбардировка плёнки ионами химически активных газов позволяет получать новые химические соединения и выращивать плёнки сложного состава, в частности керметы, твёрдые растворы и др. Например, облучение растущей алюминиевой плёнки потоком ионов кислорода до концентрации их атомов в плёнке 1018 - 1019 см-3 стабилизирует структуру, при концентрациях 1019 - 1022 см-3 образуются слои из диэлектрических включений, что сопровождается ростом сопротивления плёнки. Если концентрация атомов кислорода превысит 61022 см-3, то формируются диэлектрические покрытия с удельным сопротивлением 107 - 109 Омсм.

Для выбора обоснованных параметров процесса ионного распыления следует иметь в виду, что коэффициент распыления растёт с увеличением энергии до 300-500 эВ, а затем его рост прекращается. Наиболее высокие значения коэффициента распыления наблюдаются при бомбардировке ионами с большими массами, а также при облучении поверхности под углом к нормали порядка 50-700. Температура материала аморфной мишени не влияет на скорость распыления, однако у монокристаллов с ростом температуры мишени происходит отжиг дефектов структуры, и коэффициент распыления может возрастать до значений, соответствующих поликристаллическому образцу или характерных для определённой кристаллографической плоскости.

Распыляемые атомы мишени, испытывая столкновения с молекулами рабочего газа, могут возвращаться на мишень. Обратное рассеяние существенно, когда масса распыляемого атома меньше массы газовой частицы. Обратная диффузия возрастает с ростом давления рабочего газа. С учетом этих факторов связь коэффициентов распыления и конденсации можно в первом приближении оценить по уравнению:

2,Sk = S, (4.24) 2,30 + Pd где Sk - коэффициент конденсации, то есть число атомов, попавших на подложку в расчете на один падающий ион; 0 - средняя длина пробега распыленных частиц при давлении 1 Па; Рd - произведение давления газа на расстояние от мишени до подложки.

Химическая активность остаточных газов в камере распыления и сорбированный на поверхности мишени слой загрязнений могут значительно влиять на процесс распыления.

4.8.5. Оборудование ионного распыления Рассмотрим подробнее схемы установок для распыления ионными пучками. В диодной системе (рис. 4.12,а) внутри рабочего вакуумного колпака 1 располагаются два электрода: катод 6 и анод 2, каждый из которых выполняет двойную роль.



Катод, бомбардируемый ионами, эмитирует электроны, поддерживающие горение разряда, и является распыляемой мишенью 6.

Анод, необходимый для горения разряда, одновременно служит держателем подложек, на которых конденсируются в виде пленки атомы материала мишени.

Обычно разряд поддерживают в инертном рабочем газе (аргоне) при давлении 100 - 1 Па и напряжении на разрядном промежутке 100-1000 В. В установках этого типа достигаются относительно малые скорости распыления (0,02-0,03 мкм/мин), поэтому получить чистые плёнки трудно.

С целью снижения давления рабочего газа и обеспечения устойчивого горения разряда при этих условиях в триодной системе (рис.4.12,б) применён дополнительный элемент - термокатод 3. Эмитируемые им электроны, ускоряясь при движении к аноду, ионизируют молекулы рабочего газа и обеспечивают горение разряда при давлениях 0,1-1 Па. Мишень 6 в этих установках находится вне зоны разряда, и на неё подают отрицательный потенциал Uм от индивидуального источника. Таким образом, распылённые атомы мишени перед конденсацией пересекают зону разряда.

В установках тетродного типа в области, примыкающей к катоду, устанавливают дополнительный сетчатый электрод, подавая потенциал на который, облегчают условия зажигания и поддержания разряда. Скорость распыления в установках двух последних типов можно регулировать в широких пределах в диапазоне 0,02-0,3 мкм/мин.

Рис.4.12. Схемы установок ионного распыления материалов: диодного типа (а); триодного типа (б); тетродного типа (б); с дополнительным ионным источником для модифицирования свойств пленок (г); плазменный торцовый вакуумно-дуговой ускоритель (д); магнетронная система (е); с автономным источником для травления материалов (ж); высокочастотного (з);1-держатель подложки; 2-мишень из распыляемого материала; 3-корпус вакуумной камеры; 4-катод; 5-анод; 6-вытягивающий электрод; 7-устройство поджига дуги в вакууме; 8-нейтрализатор (эмиттер электронов); 9-высокочастотный генератор; 10-высокочастотные пластины (держатели мишеней); 11-заслонка;

12-водяная система охлаждения; 13-патрубок системы откачки; 14-катушка электромагнита; 15-подача рабочего газа Так как в установках на постоянном токе распыление диэлектриков осуществлять не удаётся вследствие возникновения поверхностного заряда на непроводящих мишенях, то для их обработки применяются высокочастотные распылительные системы (рис.4.12,з). Симметричный выход высокочастотного генератора нагружается на ёмкость в виде располагаемых под углом двух держателей диэлектрических мишеней.

Высокочастотный разряд при давлении 0,1-10 Па поддерживается между держателями. При смене полярности напряжения мишени будут распыляться поочерёдно, а поверхностный заряд нейтрализуется электронами плазмы.

Поток распылённых атомов конденсируется на вращающейся подложке.

В системах с автономным ионным источником (рис.4.12,ж) последний обычно выполняют съёмным с целью его лёгкой замены и ремонта.

Основной вакуумный объём соединяется с источником через диафрагму, имеющую отверстие с ограниченной газовой проводимостью. В ионизационной камере располагается термокатод и вспомогательный электрод для зажигания разряда. Через отверстие в диафрагме ионы вытягиваются из разряда по направлению к кольцевому держателю, располагаемому в рабочей камере. Их движение происходит в магнитном поле внешнего электромагнита. Оно концентрирует ионы на зоне распыления мишени. Атомы распыляемой мишени движутся в высоком вакууме и затем конденсируются на подложках, располагаемых по поверхности сферы внутри рабочего колпака в верхней его части.

Другим примером установки с автономным источником ионов является установка ионного травления материалов, в том числе и диэлектриков (рис.4.12,д). Разряд в рабочем газе поддерживается между термокатодом и анодными пластинами при наложении внешнего магнитного поля. Ионы извлекаются из разряда вытягивающим напряжением на сетчатом электроде и формируются в параллельный поток электростатической линзой. При открытой заслонке поток с регулируемой энергией бомбардирует ориентируемую в пространстве мишень. Для компенсации положительного поверхностного потенциала в установке внутри рабочей камеры смонтирована пушка медленных электронов. Контроль с помощью микроскопа за процессом травления оператор осуществляет через стеклянное окно. Системы с автономными источниками характеризуются высокой газовой экономичностью и лучшей степенью вакуума внутри рабочей камеры.

При нанесении плёнок в любой из рассмотренных систем важным фактором является уменьшение загрязнения плёнок газовыми включениями, которые влияют на их свойства. Для снижения загрязнения рекомендуется использовать распыление с подачей напряжения смещения на подложкодержатель. Отрицательное смещение вызывает бомбардировку подложки положительными ионами инертного газа. В результате слабо связанные с поверхностью адсорбированные газы покидают её, а оксиды и другие соединения могут диссоциировать и разрушаться. Если подложка располагается на аноде, то её дополнительной очистки можно добиться при асимметричном распылении с использованием переменного напряжения промышленной частоты. В период положительной полуволны напряжения катод имеет отрицательное смещение по отношению к аноду и распыляется в результате ионной бомбардировки. При смене знака напряжения отрицательное смещение возникает на аноде, а закреплённая на нём подложка очищается от загрязнений. В промышленности эксплуатируются устройства различных типов, например, установки ионного распыления типа:





"Ион-1 В", УВН-62, УВН-75Р-1, УВН-72Р-1, «Плазмавак».

4.8.6. Получение пленок сложного состава Важным преимуществом метода ионного распыления является то, что плёнки многокомпонентных материалов, полученные этим методом, во многих случаях имеют тот же химический состав, что и материал распыляемого катода. Это справедливо и в тех случаях, когда скорости распыления отдельных компонентов существенно различны. В самом начале распыления многокомпонентного катода с его поверхности быстрее всего уходит компонент с наибольшей скоростью распыления. Вскоре на поверхности катода образуется так называемая "изменённая область". По сравнению с исходным материалом эта область оказывается сильно обеднённой компонентом с максимальным коэффициентом распыления. При дальнейшем распылении катода осаждается плёнка такого же состава, что и исходный материал. Соответствие составов плёнок и распыляемых катодов было подтверждено экспериментально для нержавеющей стали, латуни и ряда алюминиевых сплавов.

Если же состав плёнки, нанесённой ионным распылением, отличается от состава распылявшегося катода, это может быть следствием одной из следующих трёх причин:

1. Температура катода слишком высока. Это может вызвать не только диффузию в "изменённый" слой, но и привести к испарению из катода одного или нескольких компонентов системы, имеющих в этих условиях достаточно высокое давление паров.

2. Преобладают эффекты окисления. В большинстве реальных систем на поверхности катода присутствует некоторое количество оксида, особенно в начале распыления. Точное количество оксида определяется соотношением между парциальным давлением окислителей в системе и скоростью распыления материала. Если оксиды покрывают значительную часть всей площади катода, относительные скорости распыления компонентов будут определяться не чистыми материалами, а их оксидами.

3. Происходит повторное распыление плёнки, как например, при ионном распылении со смещением. В этом случае с поверхности плёнки будет в основном распыляться материал с максимальным коэффициентом распыления. В отличие от распыляемой поверхности катода поверхность растущей плёнки постоянно пополняется материалом катода с исходным соотношением компонентов, так что "изменённый" слой здесь образовываться не сможет.

Методом ионного распыления можно также получать многокомпонентные плёнки при использовании для каждого материала своего катода. Для получения любого заданного состава сплава на катоды подаются соответственно подобранные величины напряжения.

4.6.7. Технология и оборудование магнетронного распыления.

Реализуемый в магнетронных распылительных системах (МРС) аномальный тлеющий разряд происходит в скрещенных электрическом и магнитном полях. Электроны, эмитируемые мишенью под действием ионной бомбардировки, захватываются магнитным полем и совершают сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям вблизи поверхности мишени. В результате многократных столкновений электронов с атомами рабочего газа резко увеличивается степень ионизации плазмы и возрастает плотность ионного тока (примерно в 100 раз по сравнению с диодными РС без магнитного поля), что приводит к существенному (в 50 - 100 раз) увеличению скорости распыления материала мишени.

В зависимости от магнитной индукции реализуемый в МРС режим может иметь три различных вида (рис.4.13). Если магнитное поле слабое ( В < 0,01 Тл), то наблюдается режим с преимущественным положительным объемным зарядом у катода, когда основная часть приложенного напряжения падает в темном катодном пространстве (кривая 1). При средних значениях магнитной индукции (0,01 < В < 0,09 Тл) возникает режим с отрицательным объемным зарядом у анода, когда основная часть приложенного напряжения падает вблизи анода (кривая 2). В сильных магнитных полях (В > 0,1 Тл) режим с анодным падением потенциала модифицируется, и вновь становится заметным падение потенциала в темном катодном пространстве (кривая 3).

Потенциал, отн. ед.

1,0,0,0,0,0,0,25 0,50 0,d, отн. ед.

Рис.4.13. Распределение потенциала в разрядном промежутке МРС с цилиндрическими электродами Переход режима разряда из одного вида в другой зависит не только от магнитной индукции, но также от конструкции МРС, давления рабочего газа и ряда других факторов. Поскольку магнитное поле увеличивает траекторию движения электронов, то при этом одновременно возрастает число их столкновений с атомами рабочего газа и можно считать, что наложение магнитного поля эквивалентно увеличению давления газа.

В первом приближении эквивалентное давление Р = Р0 е te, (4.25) где Р0 - рабочее давление в отсутствие магнитного поля; te - время между столкновениями электрона с атомами рабочего газа; е - циклотронная частота электрона.

Произведение е te определяется выражением:

eB e / m еte =, (4.26) P 2U где В - индукция магнитного поля; e - средняя длина свободного пробега электрона при Р = 1 Па; U - приложенное напряжение.

При типичных для магнетронного распыления условиях это произведение составляет около 300.

О механизме разряда в МРС наиболее полное представление дает вольтамперная характеристика (ВАХ). Типичные ВАХ для МРС с планарной и цилиндрической мишенью при распылении Аl в Ar приведены на рис.4.14.

Pages:     | 1 |   ...   | 22 | 23 || 25 | 26 |   ...   | 27 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.