WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 23 | 24 || 26 | 27 |

Существенное влияние на ВАХ оказывают рабочее давление, магнитная индукция, материал мишени и степень его эрозии. С уменьшением давления ВАХ сдвигаются в область больших рабочих напряжений. Аналогичное влияние оказывает увеличение магнитной индукции. Близкие к линейным зависимости наблюдаются при больших значениях В.

U, кВ I, мА 0,1 1 Рис. 4.14. Типичные ВАХ: 5- МРС планарного типа с прямоугольной мишенью; 4- МРС с цилиндрической полой мишенью; 3- МРС планарного типа с кольцевой мишенью; 2- МРС с цилиндрической мишенью; 1- обычная диодная РС без магнитного поля (во всех случаях распыления Al для МРС p=0,13 Па, для диодной РС p=6,5 Па) Поскольку при низком давлении разряд в МРС поддерживается в основном за счет вторичных электронов, эмитируемых с мишени в результате ионной бомбардировки, то форма ВАХ постепенно видоизменяется по мере эрозии мишени. В результате эрозии мишени в зоне распыления образуется своеобразный полый катод и улучшаются условия локализации плазмы, что приводит к сдвигу ВАХ в область меньших рабочих напряжений, причем этот сдвиг растет с увеличением давления.

Вольт-амперная характеристика магнетронного разряда описывается выражением I = b (U - U0)2, (4.27) где b - коэффициент, зависящий от конструкции МРС и операционных параметров процесса; U0 - минимальное напряжение, необходимое для существования разряда (напряжение гашения ).

Квадратичная зависимость тока от напряжения обусловлена пространственным зарядом, который ограничивает электронный ток, текущий от мишени вдоль линий магнитного поля.

Наличие неоднородных скрещенных электрического и магнитного полей не позволяет полностью описать все параметры разряда с помощью существующих теорий. Аналитические решения получены лишь для отдельных частных случаев. Для расчетов технологических режимов, скоростей роста пленок и пространственного распределения распыленных атомов целесообразно численное моделирование с использованием методов корреляционного и регрессионного анализов.

Эффективность процесса плазмообразования в МРС в 5-6 раз выше, чем в диодных распылительных системах без магнитного поля. Энергетическая эффективность процесса распыления имеет максимальное значение в диапазоне энергий ионов 300-500 эВ, который характерен для магнетронных распылительных систем.

Параметры МРС с возбуждением на постоянном токе имеют следующие типичные значения: концентрация электронов 1010 - 1014 см-3, энергия электронов 2 - 20 эВ, давление рабочего газа 0,3 - 1,5 Па, ток разряда 0,25 - 100 А, напряжение 400 - 800 В, плотность ионного тока 0,1 - 0,2 А/см2, магнитная индукция 0,01 - 0,05 Тл, скорость распыления 0,1 - 10 мкм/мин.

Схема типичной магнетронной распылительной системы приведена на рис.4.15.

Рис.4.15. Схема магнетронной системы распыления с плоской мишенью:

1- мишень - катод; 2 - система постоянных магнитов; 3 - источник питания;

4- анод; 5- траектория движения электронов; 6- зона интенсивного распыления; 7- силовые линии магнитного поля Достоинства и недостатки магнетронного распыления Основными достоинствами МРС являются:

- универсальность процесса, позволяющая получать пленки металлов, сплавов, полупроводников и диэлектриков;

- высокая скорость осаждения (до нескольких мкм/мин) и возможность ее регулирования в широких пределах;

- сохранение соотношения основных компонентов при распылении веществ сложного состава;

- высокая чистота пленок;

- высокая адгезия пленок к подложке;

- возможность изменения структуры и свойств пленок за счет потенциала смещения на подложке, давления и состава газовой среды;

- низкая пористость пленок даже при малых толщинах;

- более низкое по сравнению с обычной диодной РС радиационное и тепловое воздействие на обрабатываемую структуру;

- возможность проведения процесса в химически активной среде, что позволяет получать пленки нитридов, карбидов, оксидов и других соединений;

- более высокая энергетическая эффективность процесса по сравнению с обычными распылительными системами диодного и триодного типов;

- способность процесса к формализации, т. е. возможность составления (на основе аналитических зависимостей технологических параметров получаемых структур от операционных параметров процесса) математического описания (алгоритма) процесса и последующего управления им с помощью ЭВМ или микропроцессора;

- инверсность процесса, позволяющая использовать его для осаждения и травления широкого класса материалов;

- возможность создания линий непрерывного действия, поскольку мишени обладают достаточно большим запасом распыляемого материала, а использование количественных соотношений между различными параметрами процесса позволяет автоматически управлять режимами осаждения тонких пленок.

К недостаткам МРС относятся:

- сравнительно невысокий коэффициент использования материала мишени (около 25 % для плоской мишени) и необходимость для его увеличения усложнения формы мишени или конструкции магнитной системы;

- сравнительно высокая неравномерность осаждаемой пленки по толщине за счет распыления материала из узкой зоны эрозии, имеющей форму кольца или эллипса в виде V-образной канавки. Углубление этой канавки по мере распыления мишени уменьшает пространственный угол распыления, вследствие чего уменьшается равномерность пленки по толщине. Повышение равномерности пленки требует планетарного или возвратно-поступательного перемещения подложек, что существенно усложняет конструкцию внутрикамерного устройства;



- появление сильноточных дуг на поверхности мишени или между мишенью (катодом) и анодом вследствие структурных неоднородностей, а также наличие оксидных пленок и загрязнений на поверхности мишени, что вызывает нестабильность процесса осаждения и ухудшает качество формируемых пленок. Для устранения дуг необходимо высокое качество материала мишени, ее предварительная тренировка. Кроме того, система электропитания должна быть устойчива к сильным перегрузкам, которые могут возникать при появлении дуги;

- наличие потока высокоэнергетических электронов, создающих основную температурную нагрузку на подложку, требует изоляции держателя подложек от корпуса установки, а также использования дополнительной диафрагмы (анода), позволяющих ограничить попадание на подложку высокоэнергетических электронов;

- наличие потока отраженных нейтрализованных ионов Ar энергией до 160 эВ, требующее их термализации, когда осаждение пленок производится на тонкие изоляционные слои;

- сравнительно высокое давление рабочего газа (0,3-1,5 Па), требующее его эффективной очистки для устранения загрязнения пленок посторонними газовыми включениями.

4.8.8. ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ РАСПЫЛЕНИЕ Получение тонких плёнок диэлектриков Тонкие плёнки диэлектриков до недавнего времени наносились лишь методом реактивного распыления. Простая замена металлической мишени диэлектриком в обычной системе ионного распыления на постоянном токе обречена на неудачу из-за быстрого образования поверхностного заряда из положительных ионов на поверхности диэлектрика, препятствующего дальнейшей ионной бомбардировке последнего. Хотя и существуют способы устранения этой помехи, и они могут быть приемлемы в той или иной степени для травления поверхности диэлектрика ионной бомбардировкой, однако для нанесения тонких диэлектрических плёнок они не подходят из-за проблем, связанных с неоднородностью толщины или высоким уровнем загрязнения получаемых плёнок.

4.9.9. Принципы ВЧ-распыления Система с одинаковыми электродами Рассмотрим стеклянную разрядную трубку с двумя плоскопараллельными металлическими электродами равной площади на расстоянии в несколько сантиметров друг от друга. В результате приложения к такой системе достаточно высокого постоянного напряжения у катода возникает темное пространство, являющееся фактически управляемой областью разряда. Если вместо постоянного напряжения к электродам приложить переменное напряжение низкой частоты, то тёмное пространство будет расположено вблизи каждого из двух электродов. Для поддержания такого разряда необходимо наличие вторичных электронов, эмитируемых обоими электродами. При увеличении частоты напряжения минимальное давление газа, при котором разряд ещё горит, постепенно снижается с ростом частоты. Этот эффект становится заметен на частотах выше 50 кГц и ослабевает на частотах, превышающих несколько мегагерц. Очевидно, что разряд в этом случае пополняется электронами помимо вторичной электронной эмиссии из электродов. Генерация дополнительных электронов в ВЧ-разряде происходит потому, что все электроны, колеблющиеся в ВЧполе, могут приобрести энергию, достаточную для ионизации газа. Таким образом, высокое напряжение на катоде, необходимое для получения вторичных электронов, для поддержания ВЧ-разряда необязательно. Так как энергия, поглощаемая электроном, пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля и, следовательно, не зависит от его знака, то электрон приобретает энергию, двигаясь как по направлению поля, так и против его. Для того, чтобы удержать электроны в межэлектродном пространстве и уменьшить вероятность их потери за счет выхода из него, параллельно ВЧ-полю прикладывается магнитное поле. Для повышения эффективности ВЧ-разряда оно является более важным, чем в случае разряда постоянного тока.

В ВЧ-разряде плазма имеет значительный положительный потенциал относительно обоих электродов. Это является следствием того, что подвижность электронов намного больше подвижности ионов. В результате этого ВЧ-ток, измеряемый во внешней цепи, почти полностью обусловлен электронами плазмы, достигающими электродов в течение чередующихся полупериодов. В течение каждого полупериода из области разряда экстрагируются те электроны, которые к его началу находятся в пределах расстояния А от электрода. А-амплитуда колебания электрона в ВЧ-поле.

Если напряжённость приложенного поля E = Em cos( t), то:

Em A = µ, (4.28) где µ -подвижность электронов при данном давлении газа.

Из выражения (4.17) следует, что для эффективного использования разряда в рассматриваемой конфигурации электродов, расстояние между ними должно быть порядка А или больше. Таким образом плазма ВЧ-разряда сосредоточена в области, расположенной симметрично относительно электродов и имеющей протяжённость d - 2A (где d-расстояние между электродами). Область плазмы колеблется между электродами с угловой частотой приложенного к электродам напряжения и амплитудой А и касается каждого электрода попеременно в моменты времени, когда t = p/и 3p/2.

Система с электродами разной площади Рассмотрим систему, в которой один электрод значительно больше другого. Так как полный ток через каждый электрод одинаков, плотность тока на большем электроде будет меньше, и число электронов, теряемых на единице его площади, будет меньше. Если во внешней ВЧ-цепи не будет выделяться постоянной составляющей напряжения, потенциал на обоих электродах будет одинаковым, и значит, такая система, в первом приближении, будет работать так, как если бы электроды были одинаковой площади. Однако, если во внешнюю цепь включить конденсатор, то постоянные составляющие потенциала на электродах уже не будут одинаковыми. Вследствие более высокой плотности тока на меньшем электроде потенциал на нем будет значительно выше, чем на большем.





Соотношение постоянных напряжений на двух электродах с изменением отношения их площадей изменяется более быстро, чем простая обратно пропорциональная зависимость. Это объясняется тем, что уменьшение напряжения на данном электроде ведёт к соответствующему уменьшению толщины ионной оболочки вблизи этого электрода. В результате емкостное сопротивление большего электрода уменьшается быстрее, чем оно уменьшалось бы вследствие только увеличения площади этого электрода.

Если мы заменим конденсатор во внешней цепи слоем диэлектрика на одном из электродов, эффект будет тот же, и между плазмой и меньшим электродом появится достаточно высокое напряжение. Если слоем диэлектрика будет покрыт именно этот электрод, то может иметь место ионная бомбардировка и, следовательно, распыление поверхности диэлектрика.

Наряду с рассмотренными асимметричными системами ВЧ-распыления было разработано несколько симметричных систем, в которых два ВЧэлектрода имеют одинаковые площади. В таких устройствах для проведения ВЧ-распыления разделительный конденсатор во внешней цепи не обязателен.

Основная цель создания таких конструкций заключается в том, чтобы исключить любую возможность распыления заземлённого электрода. Так как в этом случае используются два электрода-мишени, их можно взаимно располагать таким образом, чтобы улучшить однородность осаждаемых плёнок по толщине. Две конструкции, в которых реализуются эти идеи, представлены на рис.4.16. На рис.4.16 а изображён дисковый электрод, расположенный концентрически внутри кольцевого электрода такой же площади, причём оба электрода закрыты одним диском распыляемого диэлектрика. В конструкции, показанной на рис.4.16 б, возможно как прямое распыление самих электродов, так и распыление диэлектрических мишеней, помещаемых на поверхность этих электродов.

В другом варианте конструкции ВЧ-распылительной системы один или два витка ВЧ-катушки располагают вокруг межэлектродного пространства либо снаружи разрядной камеры, либо внутри её. Эта катушка имеет автономный источник ВЧ-питания, а на электрод мишени от отдельного источника питания подаётся напряжение, которое может быть как ВЧ, так и постоянным. С помощью такой катушки разряд в системе можно поддерживать вплоть до очень низких давлений газа, порядка 510-4 мм рт.ст.

Это объясняется тем, что ВЧ-магнитное поле, создаваемое катушкой, закручивает траектории электронов, которые в результате этого за каждый полупериод ВЧ напряжения проходят значительные расстояния и ионизируют газ даже при очень низких давлениях.

ВЧ источник питания Кольцевой Дисковый Диэлектрическая электрод Мишени электрод мишень Держатель а) подложки б) Рис.4.16. Симметричные системы ВЧ распыления Распыление может осуществляться также в устройствах, использующих одновременно постоянный ток и ВЧ-возбуждение. Этот тип устройств с функциональной точки зрения подобен рассмотренной выше системе с ВЧ катушкой. Использование высокой частоты способствует созданию плазмы при низких давлениях, а основная мощность, идущая на распыление, подводится от источника постоянного тока. Этим достигается экономия на источниках питания и уменьшается рабочая мощность компонентов согласующей схемы. Такая система имеет определённые преимущества перед устройством, работающим только на постоянном токе, в случае реактивного распыления ряда металлов в среде кислорода.

4.8.10. Вакуумно-дуговое осаждение покрытий из плазмы материала электродов Дуга в парах материалов электродов позволяет, используя простые по конструкции ускорители плазмы, с очень высокой производительностью выращивать различные покрытия больших толщин, как металлические, так и диэлектрические. В плазменных ускорителях генерируются потоки частиц с большими скоростями ( до 105 м/с ) и энергиями ( до 10 - 100 кэВ ) с возможностью регулирования указанных величин в широких пределах.

Коэффициент использования материала может быть близок к 100 %. Доля ионов в общем потоке, характеризуемая степенью ионизации a потока, также высока (a = 60-95 %). Ионы различных веществ могут вступать в интенсивные химические взаимодействия с рабочими газами, что позволяет формировать покрытие из оксидов, нитридов, карбидов и других соединений.

Так как процесс осуществляется в глубоком вакууме, то можно наносить чистые покрытия из всех токопроводящих веществ, включая углерод. Вакуум является активной защитной средой, не только предотвращающей окисление металлов и сплавов, но и снижающей количество вредных примесей в покрытиях за счет удаления летучих примесей, термического разложения и дегазации.

Подавая ускоряющий ионы потенциал на держатель покрываемой подложки, можно регулировать энергию осаждающихся частиц. При достаточно большой энергии они могут проникать в приповерхностные слои материала и обеспечивать высокие адгезионные свойства покрытия. Очистка поверхности перед началом выращивания пленки также достаточно просто реализуется в этих устройствах.

Pages:     | 1 |   ...   | 23 | 24 || 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.