Тонкие пленки

 

 

        Рис 1. 3. Трехэлектродная система распыления

 

По достижении в камере вакуума порядка10^-4 Па термокатод разогревают и в камеру через натекатель подают инертный газ при давлении 0,05 - 1 Па. В результате термоэлектронной эмиссии с катода будут интенсивно испускаться электроны, ускоряющиеся вертикальным электрическим полем. При напряжении между термокатодом и анодом порядка 100 В возникает несамостоятельный газовый разряд, при этом разрядный ток достигает нескольких ампер. Мишень, имеющая отрицательный потенциал относительно катода, оттягивает на себя значительную часть ионов, образующихся в газовом разряде, и ускоряет их. В результате бомбардировки мишени ионами происходит ее распыление, и распыленные атомы осаждаются на подложке, формируя тонкую пленку. Такие трехэлектродные системы, в которых электрические цепи разряда и распыления разделены и управляются независимо друг от друга, обеспечивают гибкость управления процессом. Скорость осаждения составляет единицы нанометров в секунду, что в несколько раз превышает аналогичный показатель для двухэлектродной схемы катодного распыления.

Дальнейшее  развитие трехэлектродных систем распыления привело к использованию автономных ионных источников. Ионный источник представляет собой газоразрядную камеру с термокатодом, в которую подается рабочий газ под давлением ~ 0,5 Па, что обеспечивает высокую концентрацию ионов. Газоразрядная камера отделена от камеры осаждения калиброванными отверстиями, благодаря чему обеспечивается перепад давлений, и давление в камере осаждения, где расположены мишень и подложка, составляет ~ 0,015 Па. Часть ионов поступает через отверстия в камеру осаждения, ускоряется и распыляет мишень. Такая конструкция позволяет увеличить скорость распыления мишени и повысить чистоту осаждаемых на подложке пленок.[1]

 

1.2.3. Высокочастотное распыление

Рассмотренные выше методы получения тонких пленок используют постоянные напряжения, прикладываемые к электродам системы распыления мишени. Это позволяет распылять  мишени только из электропроводящих  или полупроводниковых материалов. Если мишень выполнена из диэлектрика, то при ее бомбардировке положительно заряженными ионами на ней очень  быстро будет накапливаться положительный  заряд. Этот заряд создаст электрическое  поле, которое будет тормозить  бомбардирующие мишень ионы. Распыление мишени очень быстро прекратится.

Для распыления диэлектрической мишени необходимо между анодом и катодом-мишенью  подавать переменное напряжение. В  этом случае мишень поочередно будет  обрабатываться потоками электронов и  положительно заряженных ионов. При  отрицательном потенциале на мишени будет происходить ее распыление ионами, а при положительном потенциале – нейтрализация заряда потоком  электронов. Это в принципе позволяет  распылять мишени из диэлектрических  материалов, однако эффективность такого метода распыления будет невысокой.

Эффективность распыления можно значительно повысить, если между анодом и катодом-мишенью  подать переменное напряжение частотой порядка 10 МГц (обычно используют частоту 13,56 МГц, разрешенную для технологических  установок, работающих в этом частотном  диапазоне). Повышение эффективности  при высокочастотном распылении объясняется следующим образом. Масса электронов значительно меньше массы ионов. Поэтому, обладая значительно  большей подвижностью, электроны  успевают следовать за быстроменяющимся полем, переходя с одного электрода  на другой. Ионы, будучи гораздо менее подвижными, не успевают заметно перемещаться в межэлектродном пространстве, в результате чего там образуется объемный положительный заряд ионов. Кроме того, количество электронов, поступающих на мишень за полпериода, значительно превышает то количество, которое необходимо для нейтрализации заряда ионов на мишени. В результате на диэлектрической мишени скапливается отрицательный заряд электронов. Все это приводит к появлению в межэлектродном пространстве дополнительного электрического поля, которое способно ускорить часть ионов до больших энергий, что и увеличивает эффективность распыления мишени.[3]

Следует отметить еще одно важное обстоятельство. В условиях высокочастотного разряда  заряженные частицы (электроны и  ионы) совершают колебательное движение с амплитудой А, равной

 

(1.2) 

 

где μ - подвижность частицы, зависящая от давления газа; Е₀ – амплитуда напряженности переменного электрического поля; ω - циклическая частота питающего напряжения.

Если  расстояние между электродами превышает  амплитуду А, то на электроды поступают только те частицы, которые находятся от электрода на расстоянии, не превышающем А. При этом существенно, что в средней части разряда электроны совершают осциллирующие движения, эффективно ионизируя газ, поэтому высокочастотный разряд может существовать при более низких давлениях, и надобность в сложной трехэлектродной системы отпадает.

Благодаря пониженному давлению в газоразрядной  камере, высокочастотные системы  с успехом используют для распыления не только диэлектрических мишеней, но и мишеней из металлов и полупроводников.

 

1.2.4. Реактивное распыление

При реактивном распылении в газоразрядную камеру наряду с рабочим газом (обычно аргоном) добавляется небольшое количество реакционного активного газа (кислорода, азота и др.), в результате чего на подложке образуется пленка из химического  соединения, образованного атомами  мишени и активного газа. Если, например, мишень изготовлена из алюминия, а  в качестве активного газа используется кислород, то на подложке получается пленка из оксида алюминия, если же в камеру добавляется азот, то получится пленка из нитрида алюминия.

Кроме оксидных и нитридных пленок, данным способом можно получать карбидные и сульфидные пленки, добавляя в камеру соответственно метан СН₄ или пары серы. Для получения химического соединения необходимо строго определенное парциальное давление активного газа, зависящее от материала мишени. Поэтому чаще получаются не химические соединения, а твердые растворы. На основе одной мишени из какого-либо металла и различных активных газов можно получать широкую гамму свойств осаждаемых пленок – от проводящих и низкоомных резистивных до высокоомных резистивных и диэлектрических.

Использовать  реактивное распыление взамен непосредственного  распыления мишени из химического соединения целесообразно тогда, когда коэффициент  распыления данного химического  соединения (оксида, нитрида и так  далее) низкий, либо тогда, когда технологически трудно изготовить массивную мишень из этого соединения. Кроме того, реактивное распыление создает условия  для гибкого управления свойствами пленок при создании многослойных структур (например, пленочных конденсаторов).[4]

В общем  случае процесс осаждения пленок при реактивном распылении обусловлен тремя механизмами, действующими параллельно:

- образование  химического соединения на поверхности  мишени и его

распыление;

- образование  химического соединения в пролетном  пространстве "мишень - подложка" и осаждение его на подложку;

- взаимодействие  осажденных на подложке атомов  мишени с атомами активного  газа.

В условиях невысокого давления газа в камере вероятность второго механизма  весьма мала и его вклад в общий  процесс формирования пленки на подложке незначителен. Что касается соотношения  вкладов первого и второго  механизмов, то это зависит от условий  распыления, а именно, от рода материала  мишени и от рода активного газа, от общего давления газовой смеси  в камере и от парциального давления активного газа; от расстояния между  мишенью и подложкой. На практике часто уменьшение давления парциального газа при прочих равных условиях увеличивает  вероятность образования соединения непосредственно на подложке. В большинстве  случаев необходимые реакции  полностью протекают при содержании активного газа в газовой смеси (аргон + активный газ) порядка единиц процентов.

 

1.2.5. Магнетронное распыление

Стремление  снизить давление рабочего газа в  камере и увеличить скорость распыления мишеней привело к созданию метода магнетронного распыления. Один из возможных вариантов схем магнетронного  распылителя представлен на рис.1. 4.

 

Рис. 1.4. Схема установки для магнетронного распыления

 

Цифрами обозначены: 1 – мишень, одновременно являющаяся катодом распылительной системы; 2 – постоянный магнит, создающий  магнитное поле, силовые линии  которого параллельны поверхности  мишени; 3 – кольцевой анод. Выше анода располагается подложка (на рисунке не показана), на которой  формируется пленка из материала  мишени.

Отличительной особенностью магнетронного распылителя  является наличие двух скрещенных полей  – электрического и магнитного.

Если  из мишени-катода будет испускаться  электрон (за счет вторичной электронной  эмиссии), то траектория его движения будет определяться действием на него этих полей. Под воздействием электрического поля электрон начнет двигаться к  аноду. Действие магнитного поля на движущийся заряд приведет к возникновению силы Лоренца, направленной перпендикулярно скорости. Суммарное действие этих сил приведет к тому, что в результате электрон будет двигаться параллельно поверхности мишени по сложной замкнутой траектории, близкой к циклоиде.

Важным  здесь является то, что траектория движения замкнутая. Электрон будут  двигаться по ней до тех пор, пока не произойдет несколько столкновений его с атомами рабочего газа, в  результате которых произойдет их ионизация, а сам электрон, потеряв скорость, переместиться за счет диффузии к  аноду. Таким образом, замкнутый  характер траектории движения электрона  резко увеличивает вероятность  его столкновения с атомами рабочего газа. Это означает, что газоразрядная  плазма может образовываться при  значительно более низких давлениях, чем в методе катодного распыления. Значит и пленки, полученные методом  магнетронного распыления, будут  более чистыми. Другое важное преимущество магнетронных систем обусловлено тем, что ионизация газа происходит непосредственно  вблизи поверхности мишени. Газоразрядная  плазма локализована вблизи мишени, а  не "размазана" в межэлектродном пространстве, как в методе катодного распыления. В результате резко возрастает интенсивность бомбардировки мишени ионами рабочего газа, тем самым увеличивается скорость распыления мишени и, как следствие, скорость роста пленки на подложке (скорость достигает несколько десятков нм/с). Наличие магнитного поля не дает электронам, обладающим высокой скоростью, долететь до подложки, не столкнувшись с атомами рабочего газа. Поэтому подложка не нагревается вследствие бомбардировки ее вторичными электронами. Основным источником нагрева подложки является энергия, выделяемая при торможении и конденсации осаждаемых атомов вещества мишени, в результате чего температура подложки не превышает 100 - 200 °С. Это дает возможность напылять пленки на подложки из материалов с малой термостойкостью (пластики, полимеры, оргстекло и так далее).[4]

 

 

1.3. Ионно-лучевые методы получения тонких пленок

 

Тонкие  пленки различных материалов можно  наносить на подложку, распыляя материал мишени пучком ионов инертных газов. Основные достоинства этого метода нанесения пленок по сравнению с  методом ионно-плазменного распыления состоят в следующем:

- возможность  нанесения пленок материалов  сложного состава с сохранением  компонентного состава мишени;

- малое  рабочее давление в технологической  камере, ограниченное лишь быстротой  откачки вакуумной системы, а  не условиями поддержания разряда;

- отсутствие  электрических полей в области  подложки, что особенно важно  при нанесении диэлектрических  пленок на подложки из проводящих  материалов;

- возможность  управления зарядами в осаждаемой  диэлектрической пленке с помощью электронов, эмитируемых катодом нейтрализации.

Ионно-лучевой  метод наиболее эффективен для нанесения  пленок многокомпонентных материалов, различных диэлектриков, магнитных  материалов.

Установка ионно-лучевого распыления представлена на рис.1.5.

 

 

Рис.1.5. Схема установки ионно-лучевого распыления

 

Установка содержит источник ионов на основе двухкаскадного самостоятельного разряда  с холодным полым катодом 1 и модифицированный вариант источника ионов Кауфмана с открытым торцом 2. Источник ионов 1 служит для распыления пучком ионов  аргона с энергией 0,8 кэВ и плотностью тока 0,3 мА/см² мишени 3 чистотой не хуже 99,8%. По направлению потока распыляемого материала установлены подложки, закрепленные на четырех позициях вращающегося держателя 4. Поток ионов аргона со средней энергий 80 эВ и плотностью тока 0,45 мА/см² из источника ионов 2 служит для очистки и активации поверхности рабочей подложки в течение 2 минут перед нанесением пленки. Источник ионов 2 во время нанесения пленки отключается, подача аргона через него прекращается, а термокатод используется для нагрева поверхности рабочей подложки.[2]

 

 

1.4. Молекулярно-лучевая эпитаксия

 

В настоящее  время существуют два основных технологических  метода эпитаксии, позволяющие формировать  многослойные структуры со сверхтонкими слоями. Это молекулярно-лучевая (МЛЭ) и газофазная эпитаксия, в том числе с использованием металлоорганических соединений (МОС) и гидридов (ГФЭ МОС).

Молекулярно-лучевая  эпитаксия проводится в вакууме  и основана на взаимодействии нескольких молекулярных пучков с нагретой монокристаллической  подложкой.