Лабораторная работа № 3 Нанесение тонких пленок методом катодного распыления
Процесс нанесения тонких металлических пленок методом катодного распыления заключается в использовании характерного для тлеющего разряда разрушения катода под действием ионной бомбардировки.
Отличительным признаком тлеющего разряда является своеобразное распределение потенциала, характеризующееся большой величиной катодного падения потенциала (порядка нескольких сотен вольт). Это падение потенциала связано с наличием около катода объемного положительного заряда. Под действием ударов положительных ионов происходит распыление материала катода, и распыленное вещество осаждается на близлежащих холодных поверхностях. Скорость катодного распыления зависит от давления и рода газа, материала катода и параметров разряда и выражается в г-ат./А·с или в ат./ион. Рассматривая процесс катодного распыления, целесообразно разделить его на три этапа:
1. Выбивание атомов с поверхности катода.
2. Диффузия распыленного вещества к подложке.
3. Конденсация.
Рассмотрим отдельно каждый из этапов.
1. Выбивание атомов с поверхности катода под действием ионной бомбардировки
В настоящее время существует много различных теорий процесса катодного распыления. Наиболее распространенной является теория Венера, согласно которой ион, ударившийся о катод, вызывает колебания узлов кристаллической решетки, которые распространяясь в направлении поверхности металла, могут сообщить поверхностному атому энергию, достаточную для распыления. Скорость катодного распыления возрастает:
а) с увеличением катодного падения потенциала (увеличивается энергия ионов, бомбардирующих катод);
б) с увеличением тока разряда (увеличивается количество бомбардирующих частиц);
в) с увеличением массы падающего иона (увеличивается импульс бомбардирующих частиц).
Скорость катодного распыления обратно пропорциональна теплоте сублимации материала катода, которая характеризует энергию связи атомов в решетке.
Кроме этих факторов на распыление оказывает влияние состав газа. При распылении в молекулярных газах возможно образование под действием разряда химического соединения на поверхности катода (нитриды, оксиды и т. д.). В этом случае распыляется уже не сам металл, а химическое соединение. Такое распыление получило название реактивного. Реактивное распыление - один из путей получения пленок таких тугоплавких соединений, как окислы и нитриды металлов. При этом, меняя состав газовой фазы, (например, соотношение химически активной и инертной компонент) можно получить пленки различного химического состава и с разными свойствами.
2. Диффузия распыленных атомов в газовой фазе
В условиях тлеющего разряда при давлениях, которые обычно используются (0,1-5 торр), длина свободного пробега почти всегда меньше пути, проходимого распыленными частицами. При этом характер их движения является диффузионным и часть распыленных атомов, сталкиваясь с молекулами газа, изменяют свое направление и возвращаются обратно на катод. Это явление получило название обратной диффузии. В результате обратной диффузии распыленных частиц на катод изменяется скорость распыления, или, точнее, скорость конденсации уменьшается с увеличением давления и расстояния катод-подложка.
В общем случае зависимость скорости распыления от давления и параметров может быть описана эмпирической формулой вида:
где U- величина катодного падения потенциала;
i- ток разряда;
d- среднее расстояние между катодом и подложкой;
Р - давление газа;
А и В - эмпирические константы, зависящие от рода газа и материала катода.