Физико-химические и физические основы ионных, ионно-плазменных, плазмохимических методов нанесения и травления микроэлектрон­ных структур, страница 2

При достижении определенной разницы потенциалов между катодом и анодом происходит зажигание тлеющего разряда. При рассмотрении процессов катодного распыления, использующих в качестве источника ионов плазму тлеющего разряда укрупненно можно рассматривать три основные области разряда.

Метод ионно-плазменного распыления для нанесения покрытий в вакууме осуществляется с помощью плазмы инертного таза при давле­нии 10² – 10^-3 Па. Этим методом можно нано­сить слои практически любых металлов, спла­вов и их композиций, а также полупроводни­ков и диэлектриков.

Наносимый материал в простейшем слу­чае представляет собой плоскую пластину (мишень) толщиной несколько миллиметров с размерами, несколько превышающими разме­ры обрабатываемого изделия. На мишень подается напряжение минус (3–5) кВ. Второй электрод (анод), служащий од­новременно и держателем обрабатываемого изделия, располагается параллельно мишени на расстоянии 50–70 мм. При давлении 1–10^-2 Па электрическое поле между электрода­ми приводит к ионизации газа. При возник­новении разряда газ становится проводником, содержащим электроны, перемещающиеся к аноду, и положительные ионы, притягиваемые катодом-мишенью. Через некоторое время на аноде (или расположенном на нем образце) появляется пленка из материала катода

Выбивание ионами атомов мишени на­поминает пескоструйную обработку, но на атомарном уровне. Если в процессе испарения атомам передастся от внешнего источника дополнительная тепловая энергия, усиливая колебания атомов внутри металла, то в случае распыления энергия атомам наносимого мате­риала передается механически - путем переда­чи импульса падающего на поверхность ми­шени иона, ускоряемого приложенным на­пряжением.

Атом мишени передает полученный им­пульс соседним атомам, и если он достаточно велик, они могут покинуть поверхность ми­шени. Так постепенно происходит распыление материала катода.

 Схема процессов в системах ионно-плазменного распыления

Этот метод имеет следующие преимуще­ства:

o распыление - чисто механическое явле­ние, мишень остается относительно холодной и ориентировать в вакуумной камере ее можно в любом положении, причем форма мишени может быть любой. Но мишень необходимо охлаждать водой, так как из-за ионной бом­бардировки она все-таки нагревается (часть энергии падающих на мишень ионов превра­щается в теплоту);

o распыление идет с постепенным удале­нием материала с поверхности мишени. Спла­вы или композиционные материалы распыля­ются без изменения стехиометрического соста­ва материала мишени в нанесенном слое;

o энергия распыленных частиц достигает 10 В, что значительно выше, чем при испаре­нии, поэтому наносимые покрытия имеют более высокую адгезию к подложке.

          Осаждение пленок методом ионно-плазменного распыления условно можно разделить на четыре основных этапа:

• формирование в тлеющем разряде потока частиц распыляющих мишень-катод;
• физическое распыление поверхности катода-мишени ускоренными ионами и атомами;
• перенос распыленных атомов (молекул, кластеров) через рабочий газ к подложке;
• процессы зародышеобразования, коалесценции и роста пленок на подложках

          Рассмотрение первой стадии предполагает определение вида частиц, распыляющих мишень (которые могут являться одно- и многозарядными ионами, нейтральными атомами различных составляющих рабочего газа) и определение их распределения по энергиям и углу падения на мишень. В свою очередь, сорт, энергия и угол падения бомбардирующей частицы однозначно определяют количество, энергии и углы вылета частиц, распыляемых с поверхности мишени. Таким образом, зная характеристики потока частиц, бомбардирующих мишень, можно определить характеристики распыленного потока.

Так как масса ионов распыляемых мате­риалов различна, для распыления каждого из них существует своя определенная средняя энергия падающего иона, т.е. порог распыления. Эта энергия зависит и от массы падаю­щего иона, но обычно составляет 10 - 30 эВ.