Установки катодного распыления, триодная схема

К числу факторов, влияющих на однородность пленки по толщине, в первую очередь следует отнести расстояние между мишенью и подложкой. Те из распыленных атомов, которые испускаются под малыми углами к поверхности катода и испытывают столкновения с атомами газа, могут не попасть на подложку. С увеличением расстояния между катодом и подложкой вероятность этого процесса возрастает.

Рис. 1 Схема катодного распыления по двухэлектродной (а) и трехэлектродной (б) схемам

1 - вакуумный колпак; 2 - экран; 3 - охлаждаемый катод (мишень);    4 - анод (подложка); 5 - термокатод; 6 - анод; ИП - источник питания.

 

Для того, чтобы увеличить скорость распыления материала необходимо интенсифицировать ионизацию рабочего газа. Это достигается в трехэлектродной системе (рис. 1, б), где используется не самостоятельный (инициируемый) разряд, поддерживаемый термоэлектронной эмиссией дополнительного катода. Плотность тока разряда значительно повышается, следовательно, повышается плотность тяжелых ионов, бомбардирующих катод, что увеличивает скорость распыления материала мишени и приводит к значительному (более чем на порядок) увеличению скорости роста пленок.1

 

 

1. Сущность метода катодного распыления

 

Конструкция установки для катодного распыления, изображенной на (рис. 1.1), состоит из газоразрядной камеры 1, в которую вводится рабочий газ (обычно аргон) под давлением 1 - 10 Па; катода 2, выполняющего функцию распыляемой мишени; анода 3 и закрепленной на ней подложки 4. Между анодом и катодом подается постоянное напряжение величиной несколько киловольт, обеспечивающее создание в межэлектродном пространстве электрического поля напряженностью порядка 0,5 кВ/см. Анод заземлен, а отрицательное напряжение к катоду подается через изолятор 5. Чтобы исключить загрязнение стеклянного колпака камеры, вблизи катода закрепляют экран 6.

 

Рис. 1.1 Схема установки для катодного распыления.

 

Электрическое поле, существующее между катодом и анодом, ускоряет электроны, образующиеся в межэлектродном пространстве в результате фотоэмиссии из катода, автоэлектронной (полевой) эмиссии или других причин. Если энергия электронов превышает энергию ионизации молекул рабочего газа, то в результате столкновения электронов с молекулами газа возникает газовый разряд, то есть образуется газоразрядная плазма. Для того чтобы электрон мог набрать необходимую для ионизации газа энергию, ему требуется обеспечить минимально необходимую длину свободного пробега. Только при этом условии электрон, двигаясь без столкновений, способен увеличить свою энергию до нужной величины.

Однако, если длина свободного пробега электронов становится сравнимой с расстоянием между катодом и анодом, то основная часть электронов будет пролетать межэлектродное пространство без столкновений с молекулами рабочего газа. Газоразрядная плазма погаснет. Эти два фактора и определяют нижний и верхний пределы давлений газа в камере.

Образующаяся в результате газового разряда плазма состоит из электронов, ионов и нейтральных молекул рабочего газа (рис. 1.2). Ионы под воздействием электрического поля ускоряются и бомбардируют катод-мишень. Если энергия ионов превышает энергию связи атомов мишени, то происходит ее распыление. Распыление может происходить при постоянном токе или токе высокой частоты, в среде реакционного газа или без него, с напряжением смещения или без него, с дополнительным магнитным полем. Кроме выбивания атомов с поверхности мишени, ионы способны выбить из нее вторичные электроны (вторичная электронная эмиссия). Эти вторичные электроны ускоряются и ионизируют молекулы рабочего газа; образующиеся при этом ионы бомбардируют мишень, вызывая вторичную электронную эмиссию, и процесс повторяется. Таким образом, газовый разряд поддерживает сам себя и поэтому называется самостоятельным тлеющим разрядом.2

 

Рис. 1.2 Образование плазмы.

 

С повышением тока, протекающего через газоразрядную плазму, увеличивается плотность ионного потока и интенсивность распыления мишени. При некоторой плотности потока, зависящей от условий охлаждения мишени, начинает проявляться термоэлектронная эмиссия. Ток в разряде возрастает, а сам разряд становится несамостоятельным, приобретая характер дугового разряда.

Для предотвращения перехода самостоятельного тлеющего разряда в дуговой высоковольтный источник питания должен иметь ограничения по мощности, а мишень 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 поверхности мишени 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 тем самым 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:

 

                                                (1)

 

По существу коэффициент распыления представляет собой среднее число атомов мишени, выбитых одним ионом.

Вблизи порога Кр очень мало (10–5 атомов/ион), а при оптимальных условиях Кр достигает нескольких десятков. Величина Кр не зависит от давления газа при малых давлениях р < 13,3 н/м2 (0,1 мм рт. ст.), но при р > 13,3 н/м2 (0,1 мм рт. см.) происходит уменьшение Кр за счёт увеличения числа частиц, осаждающихся обратно на поверхность. 3

На величину Кр влияют как свойства бомбардирующих ионов — их энергия (Е) (рис.1.3), масса Mi (рис. 1.4), угол падения ее на мишень   (рис. 1.5), так и свойства распыляемого вещества — чистота поверхности, температура, кристаллическая структура, масса атомов мишени.

Рис. 1.3 Зависимость коэффициента распыления (Кр) S медной мишени от энергии (Е) бомбардирующих ионов.

       

 

Рис. 1.4 Зависимость коэффициента распыления Кр(S) от массы бомбардирующих ионов Mi (Еi = 400 эв).

 

 

 

 

Рис. 1.5 Зависимость Кр(S) от угла падения α ионов, бомбардирующих поверхность Cu, Ta, Fe, Pt (цифры указывают энергию ионов)

По энергетической зависимости видно, что коэффициент распыления увеличивается ч ростом энергии иона от некоторого порогового значения Е, которое характеризуется комбинацией ион – мишень. Затем рост Кр замедляется, в области 10-100 кэВ Кр приблизительно постоянно и при дальнейшем возрастании энергии Кр начинает уменьшаться из-за более глубокого проникновения ионов в поверхность. 4

Угловое распределение частиц, вылетающих с распыляемой поверхности, анизотропно. Оно зависит от энергии ионов, а для монокристаллов также от типа кристаллической решётки и строения распыляемой грани. Осадок из распыляемого вещества, образующийся на экране, имеет вид отдельных пятен, причём симметрия картины осадка та же, что и симметрии распыляемой грани и образовавшихся на ней в результате Катодное распыление фигур травления представлено на (рис. 1.6). Энергии распылённых частиц колеблются от нескольких долей эВ до величин порядка энергии первичных ионов. Средние энергии распыляемых частиц составляют обычно десятки эВ и зависят от свойств материала мишени и характеристик ионного пучка.5

 

Рис. 1.6 Вверху — осадок, образующийся на прозрачном экране, расположенном параллельно распыляемой грани монокристалла Сu [а — грани (100), б — грани (110), в — грани (111)], внизу — углубления, возникающие при этом на поверхностях граней.

        

 

 

2. Режимы катодного распыления

 

На (рис.2, а) приведена вольтамперная характеристика разряда. При подаче постоянного напряжения в несколько киловольт происходит пробой межэлектродного промежутка, быстрое нарастание тока и падение напряжения в разряде (область зажигания разряда I). При увеличении тока разряда за счёт уменьшения сопротивления Rн площадь катода-мишени, покрытая разрядом, возрастает, плотность разрядного тока и напряжение на разряде остаются постоянными и невысокими, а скорость распыления мала (область нормально тлеющего разряда II). В области III вся площадь мишени покрыта разрядом, и увеличение разрядного тока приводит к повышению плотности разрядного тока, напряжения на разряде и скорости распыления. Область III, называемая областью аномально тлеющего разряда, используется в качестве рабочей области в процессах катодного распыления. Для предотвращения перехода в область дугового разряда (область IV) предусмотрены интенсивное водяное охлаждение мишени и ограничение источника питания по мощности.6

 

Рис. 2 Вольт-амперные характеристики самостоятельного разряда: а – области ВАХ при различных режимах; б – рабочая область (область III) при различных давлениях аргона.

 

На (рис.2, б) выделена рабочая область III ВАХ. Крутизна характеристики в этой области зависит от давления рабочего газа (аргона). Рабочая точка, характеризующая режимы обработки - давление газа (Р), ток (Jp) и напряжение разряда(Up), лежит на нагрузочной характеристике источника питания:

 

                                                                         (2.1)

где Uп - напряжение питания.

 

С другой стороны, скорость распыления мишени (W, г/см2×с):

 

                                                                       (2.2)

где С - коэффициент, характеризующий род распыляемого материала и род рабочего газа;

Uнк - нормальное катодное падение напряжения (область II ВАХ);

jp - плотность разрядного тока;

dTП - ширина тёмного катодного пространства.

 

Из (2.2) следует, что максимальная скорость распыления достигается при максимальной мощности, выделяемой в разряде. Согласно нагрузочной характеристике (2.1)

 

 

                                                          (2.3)

 

Максимум этой функции определяет оптимальные значения тока Jp0 и напряжения Uр0:

 

 

                                                                                  (2.4)

 

 

                                                                                    (2.5)

 

При этом однозначно определяется оптимальное значение давления рабочего газа. Выбор значений Un и Rн должен предотвращать переход в область дугового разряда, при котором наблюдается выброс с мишени крупных частиц и осаждение тонкой, однородной по толщине плёнки становится невозможным.7

 

2. Конструктивные особенности установки катодного распыления. Триодная схема.

 

Для повышения чистоты получаемой на подложке пленки процесс катодного распыления необходимо проводить при как можно меньшем давлении рабочего газа. Однако, понижение давления приводит 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 камере и обеспечения распыления мишени при низких давлениях необходимы специальные меры.

Одним из вариантов решения проблемы является применение трехэлектродной системы распыления, изображенной на рис. 3. Цифрами на рисунке обозначены: 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.

 

 

Рис. 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. По сравнению с диодной схемой за счет термоэлектронной эмиссии с катода будут интенсивно испускаться электроны, ускоряющиеся вертикальным электрическим полем, что позволяет проводить процесс при более высоком вакууме. Функции катода и мишени в предлагаемой схеме разделены, что позволяет управлять энергией ионов путем изменения напряжения на мишени. А наличие катушек (отсутствуют на схеме), создающих магнитные поля, позволяет увеличить траекторию движению электронов от термокатода к аноду и еще больше снизить давление, уменьшив тем самым загрязнение пленок. 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.