Катодное распыление.

Различают несколько типов разрядов в газах. Тип разряда, возникающего между двумя электродами, зависит от нескольких факторов: от давления газа; от приложенного напряжения; от конфигурации электродов, которая влияет на длину разрядного пути и плотность разрядного тока. На рис. 2.8 представлена вольт-амперная характеристика разряда между двумя плоскими электродами в газе при давлении от 10^-3 до 10^-1 мм. рт.

Рис. 2.9

Рис. 2.8

ст. Вплоть до некоторого минимального напряжения сила тока незначительна, а по достижении этого напряжения наступает резкий пробой газового промежутка. В этой области, известной под названием области таунсендовского разряда, при постоянном напряжении между электродами ток может увеличиваться. Однако, по мере увеличения тока создаются дополнительные носители и сопротивление разрядного промежутка становится отрицательным. При дальнейшем увеличении тока достигается вторая область с постоянным напряжением разряда, известная под названием «нормального тлеющего разряда». В электронных лампах—стабилизаторах напряжения—используется именно этот тип разряда. Если сила тока превосходит некоторое определенное значение, то по мере дальнейшего увеличения тока напряжение между электродами растет—наступает «аномальный тлеющий разряд». Именно в этой области проводится большинство работ по катодному распылению. При еще большем увеличении тока напряжение между электродами быстро падает — возникает дуговой разряд. На рис. 2.9 схематически изображен тлеющий разряд при давлениях газа от 10^-2—10^-1 мм рт. ст.

Перенос заряда в разрядном промежутке осуществляется электронами и положительными ионами, движущимися вдоль электрического поля. Однако для обеспечения проводимости газа должен существовать источник энергии, непрерывно питающий разряд ионами и электронами. Проследим за одним из электронов, эмиттированным с катода, и определим его активность по мере движения в разрядном промежутке. Этот электрон ускоряется сильным электрическим полем в прикатодной области, однако первоначально он слабо ионизирует или вовсе не ионизирует молекулы газа, поскольку энергия электрона ненамного превышает потенциал ионизации газа. По мере удаления от катода электрон приобретает, наконец, энергию, которая позволяет ему при соударении с молекулой газа ионизировать ее, вызывая, таким образом, умножение электронов. Стационарное состояние устанавливается в том случае, когда каждый эмиттированный катодом электрон производит достаточную ионизацию, чтобы освободить с катода еще один электрон. Основная часть ионизационных актов, необходимых для поддержания тлеющего разряда, происходит в круксовом темном пространстве. Если переместить анод по направлению к катоду в область круксова темного пространства, то разряд погаснет, поскольку число ионизационных актов недостаточно для поддержания тлеющего, разряда.

Различные светящиеся и темные участки разрядного промежутка возникают следующим образом. Обычно электрон покидает катод, обладая очень малой начальной скоростью; энергия его составляет около 1 эв. Такой электрон неспособен возбуждать молекулы газа до тех пор, пока его энергия не достигнет потенциала возбуждения газовых молекул, поэтому прилежащий к катоду участок не светится (астоново темное пространство). Следующий за ним по пути электрона участок—слой катодного свечения: к этому моменту электрон успевает разогнаться до энергий, соответствующих ионизационному потенциалу, что и вызывает свечение; это ближайший к катоду светящийся участок. За слоем катодного свечения начинается «круксово темное пространство». Здесь электроны обладают энергиями, значительно превышающими максимальный потенциал возбуждения, поэтому видимого света излучается мало. Следующий участок—область «отрицательного свечения». Здесь резко возрастает число медленных вторичных электронов, образовавшихся в результате ионизационных столкновений; энергия таких электронов недостаточна для ионизации молекул, но достаточна для их возбуждения, что и является причиной образования области отрицательного свечения.

Толщина круксова темного пространства тем больше, чем меньше давление газа. При достаточно низких давлениях круксово темное пространство достигает анода и разряд гаснет. Для нормального тлеющего разряда произведение толщины круксова темного пространства (d) на давление (p) - pd не зависит от тока и в случае аргона равно приблизительно 0,3 мм рт.ст.ґсм.

Если для целей распыления желательно работать при очень низких давлениях, то необходимо дополнительными средствами либо возбуждать разряд, либо удлинять траекторию электронов. Для возбуждения разряда можно воспользоваться высокочастотным полем или вспомогательным нагретым катодом, эмиттирующим электроны в газовую среду. Траекторию электронов можно удлинять с помощью магнитного поля, которое заставляет их двигаться по спирали.

Нормальный и аномальный тлеющие разряды. Если между двумя плоскими электродами поддерживается тлеющий разряд, то падение напряжения в разрядном промежутке зависит от силы тока (см. рис. 2.8). В некотором интервале изменений силы тока (который может охватывать от двух до трех порядков величины) падение напряжения на промежутке постоянно. Такой режим называется режимом нормального тлеющего разряда. Для него характерно то, что в разряде участвует лишь некоторая доля поверхности катода и увеличение силы разрядного тока происходит за счет охвата все новых участков поверхности катода, но плотность тока с активных участков остается постоянной. Когда разрядом охватывается вся площадь катода, дальнейшее увеличение тока может происходить лишь за счет увеличения плотности его с единицы поверхности катода. Такое увеличение плотности тока j приводит к увеличению падения напряжения на разрядном промежутке

что характерно для режима аномального тлеющего разряда. По мере увеличения падения напряжения растет напряженность поля вблизи катода, а темное пространство стягивается:

где A, В, Е, F—постоянные, величины которых зависят от материала и геометрии электродов, а также от состава газа.

При дальнейшем увеличении напряжения протяженность темного пространства продолжает убывать, пока не наступает режим дугового разряда.

Для осаждения пленок существенно, чтобы поддерживался режим аномального тлеющего разряда, обеспечивающего полный охват поверхности катода и, следовательно, более однородное осаждение распыляемого материала на подложке. Часто пренебрегают тем обстоятельством, что в режиме аномального разряда расстояние, на которое простирается от катода темное пространство, зависит от напряжения, однако это необходимо учитывать при конструировании аппаратуры для катодного распыления. Если катодный экран установлен в соответствии с положением темного пространства в режиме нормального разряда, то для аномального режима он может оказаться совершенно неэффективным. Например, как уже было отмечено, для режима нормального разряда постоянная рd в случае аргона равна 0,3 мм рт.ст. ґ см. Это означает, что при давлении 1,5- 10^-2 мм рт.ст. темное пространство должно простираться на 20 см от катода. Однако при напряжении 5 кв (чисто аномальный режим) и при том же давлении темное пространство простирается только на 3 см.

В режиме аномального разряда в области отрицательного свечения образуется большое число ионов. Поэтому любой предмет, взаимодействующий с отрицательным свечением, неизбежно влияет на ионную бомбардировку той части катода, которую он блокирует. Скорость рекомбинации ионов и электронов в плазме мала, поскольку большое различие их масс затрудняет выполнение закона сохранения количества движения; по этой причине ионы и электроны за пределами темного пространства могут диффундировать на значительные расстояния. Однако они могут рекомбинировать на стенках камеры или любой другой поверхности, передавая этому телу свою кинетическую энергию в виде тепла. Стенки камеры или другие тела, расположенные поблизости от катода, могут серьезно нарушать однородность плотности ионного облака и, следовательно, влиять на скорость катодного распыления. Существенно также, что при бомбардировке ионами поверхности происходит эффективная десорбция поверхностных загрязнении, которые, попадая в разрядный промежуток, могут быть захвачены осаждаемой пленкой. По этой причине из областей, прилежащих к катоду и подложке, следует удалять лишние металлические детали.