Раздел 3. Ионно-плазменное распыление.

8

Е_А

4

7

5

2

3

6

Е_М

Рис.2.3. Схема установки ионно-плазменного напыления

Для уменьшения загрязнений необходимо уменьшать давление рабочего газа в камере, но при этом будет уменьшаться число ионизирующих столкновений электронов с атомами и уменьшится плотность ионов в разряде. Это можно компенсировать введением дополнительного источника электронов и превращения разряда в несамостоятельный. Наиболее простой способ - применение термоэлектронной эмиссии, при этом разряд обеспечивается даже в высоком вакууме. В отличие от катодного распыления этот процесс осуществляется в трехэлектродной системе, поэтому иногда его называют триодным распылением, как это представлено на рис.2.3. Главная особенность его по сравнению с методом ионного распыления состоит в том, что между мишенью 3 (с нанесенным на нее слоем распыляемого вещества) и подложкой 4 зажигается независимый несамостоятельный газовый разряд. 5. Для него характерно наличие стороннего источника электронов в виде накаливаемого катода 1 (с независимым источником накального напряжения 8). Разряд характеризуется низкими рабочими напряжениями (десятки вольт) и низким давлением рабочего газа (10^-3-10^-4 Торр).

В процессе напыления на мишень подается отрицательный потенциал (порядка 2-3 кВ), который достаточен для возникновения и поддержания аномального тлеющего разряда. Положительные ионы плазмы под действием потенциала ударяются о мишень и проникая вглубь, теряют энергию смещая атомы и останавливаются. Если энергия, переданная атому, больше энергии сублимации данного материала, то атом покидает мишень. Выбитые атомы осаждаются на подложку.

Весь процесс напыления происходит только во время подачи потенциала на мишень. Если до начала напыления с помощью механической заслонки изолировать подложку, то выбитые с верхнего слоя мишени атомы осядут на заслонку - будет иметь место ионная очистка мишени. Если же подать до процесса напыления отрицательный потенциал на подложку - то будет иметь место ионная очистка подложки, являющаяся практически самым эффективным способом очистки подложки от загрязнений.

Возникают трудности при распылении диэлектрических материалов, т.к. на мишени возникает положительный заряд, отталкивающий ионы. Для преодоления этих трудностей применяют высокочастотное ионно-плазменное напыление, заключающееся в подаче на мишень совместно с постоянным отрицательным напряжением высокочастотного (порядка 15 кГц) переменного напряжения с амплитудой, незначительно превышающей постоянное отрицательное напряжение. При этом большую часть периода результирующее напряжение отрицательно, идет процесс распыления мишени и накопления положительного заряда. Во время небольшой части периода напряжение положительно и мишень бомбардируется электронами плазмы, энергия которых для распыления недостаточна, однако накопившийся заряд они снимают. Добавление к рабочему газу газа реагента позволяет реализовывать реактивное ионно-плазменное напыление и получать окислы, гидриды, нитриды и прочие соединения.

Если к рабочему инертному газу добавить кислород и бомбардировать поверхность металлической пленки, находящейся под положительным потенциалом, то отрицательные ионы кислорода будут окислять металлическую пленку. Этот процесс называется анодированием. С его помощью получают самые высококачественные пленки металлических окислов. По мере роста окисной пленки ток в цепи анода уменьшается, что вызывает необходимость повышения питающего напряжения и процесс анодирования протекает при более высокой напряженности поля в окисной пленке, что повышает ее электрическую прочность.

Процесс ионного распыления можно интенсифицировать не только путем увеличения числа электронов, эмиттируемых с катода, как при ионно-плазменном распылении, но и путем повышения эффективности ионизации электронами атомов газа. Этого можно добиться с помощью использования магнитного поля, воздействующего на тлеющий разряд изменением характера движения электронов. Влиянием магнитного поля на существенно более тяжелые ионы можно в принципе пренебречь. Под воздействием магнитного поля электроны, вектор скорости которых не параллелен направлению магнитного поля, начинают двигаться по спиральным траекториям, вследствие чего возрастает эффективная длина пути, проходимого электроном. Это эквивалентно увеличению давления газа в рабочей камере.

Также наложение магнитного поля сильно уменьшает радиальную диффузию электронов из зоны действия газового разряда, что снижает потери электронов, способных осуществлять ионизацию. Такие устройства называются магнетронами. С их помощью удается поддерживать газовый разряд до давлений вплоть до 10^-12 Торр, что существенно уменьшает загрязнение получаемых пленок. К сожалению, все перечисленные методы практически не пригодны для получения тонких монокристаллических полупроводниковых пленок.