Катодное распыление с искусственно поддерживаемым разрядом.

Как мы уже отмечали, по мере понижения давления темное пространство растягивается, достигая анода, после чего тлеющий разряд гаснет и распыление прекращается.

Однако распыление при низких давлениях обладает несколькими достоинствами, например: уменьшается число атомов инертного газа, захваченных пленкой; улучшается адгезия благодаря более высокой энергии распыленных частиц, ударяющих в подложку.

Ниже описываются некоторые методы, разработанные для катодного распыления при низких давлениях.

Разряд, поддерживаемый термоэлектронной эмиссией. При низких давлениях разряд гаснет из-за недостаточной ионизации газа вторичными электронами, эмитируемыми катодом. Для поддержания разряда следует увеличить ионизацию; этого достигают, вводя в систему вспомогательный источник электронов. В простейшем варианте для этой цели используют прямонакальный катод. Система такого типа изображена на рис: 2.14.

рис.2.14

Она работает следующим разом. Между проволочным катодом и анодом помещенным в верхнюю часть вакуумного колпака, устанавливается поток электронов. Для защиты проволочного катода от попадания на него распыляемого материала его помещают в колено у дна колпака. Для ускорения электронов к аноду обычно прикладывают напряжение от 150 до 250 в. Плазму обычно ограничивают некоторым цилиндрическим объемом между вспомогательным катодом и анодом посредством какого-либо физического экрана или магнитного поля, создаваемого внешней катушкой. Катод-мишень и подложку помещают обычно на противоположных границах активного плазменного пространства. Распыление начинается с того момента, когда к мишени прикладывают отрицательный по отношению к аноду потенциал величиной от 200 до 1 000 в; этот потенциал отталкивает электроны и притягивает ионы из плазменного пространства. Ионы бомбардируют мишень по существу так же, как и в обычном (называемом иногда «диодным») варианте распыления в тлеющем разряде, распыляемые же атомы, как обычно, осаждаются на подложке. Концентрацией ионов в плазме управляют, меняя либо ток электронной эмиссии, либо ускоряющее электроны напряжение; энергией распыляющих ионов управляют, меняя напряжение на мишени. Такая схема позволяет проводить катодное распыление при давлении от 10^-4 до 10^-3 мм рт. ст.

Главный недостаток системы с термоэлектронным катодом состоит в том, что скорость распыления на разных участках большой плоской мишени неодинакова, поскольку концентрация ионов, а, следовательно, и скорость распыления максимальна вдоль оси электронного потока, а также у края мишени, ближайшего к термоэлектронному катоду. Другой недостаток системы такого типа состоит в том, что при реактивном распылении срок службы проволочного катода может быть слишком коротким.

Тем не менее, для некоторых лабораторных экспериментов система с термоэлектронным катодом может оказаться полезной.

Высокочастотное возбуждение. Газовый разряд при низком давлении можно возбудить высокочастотным электромагнитным полем без каких-либо электродов. Ниже описана небольшая система, в которой плазма индуцируется внешней высокочастотной катушкой (рис.2-15). Мишень и подложка размещена здесь так, что они не соприкасались с наиболее активной областью тлеющего разряда, анод же помещают в активную область. В такой системе получена скорость осаждения плёнки до 0,1нм/сек при смещении на катоде-мишени 500 в и мощности в высокочастотной цепи 200 вт. Существенное преимущество системы такого типа по сравнению с разрядом, поддерживаемым термоэмиссией, состоит в том, что здесь нет необходимости в каких-либо дополнительных электродах и, следовательно, в случае реактивного распыления не возникает проблем из-за отравления эмиттера активным газом. Ниже представлен другой вариант высокочастотного метода; схема которого изображена на рис. 2.16. В этом варианте высокочастотная энергия подводится непосредственно к катоду, на который подано также постоянное смещение.

Высокочастотное возбуждение позволяет не только проводить катодное распыление при пониженных давлениях, но и повысить скорости осаждения при обычных давлениях, особенно при низких напряжениях. Таким путём, распыляя катод большой площади, удастся получить однородные по толщине пленки.

Прямое распыление диэлектриков. Обычные методы катодного распыления не позволяют распылять изолирующие материалы, что и подразумевалось, когда речь шла о реактивном распылении. Это объясняется накоплением заряда на поверхности катода в процессе ионной бомбардировки, вследствие чего поле концентрируется в основном в изоляторе, а не в распыляющей газовой среде. При этом и плотность потока ионов и их энергия настолько падают, что заметного распыления катода не происходит. Далее мы рассмотрим метод высокочастотного распыления, который благодаря попеременному действию бомбардировки катода позволяет распылять изолирующие материалы. Схема этого метода показан на рис. 2.17. Диэлектрическую мишень укрепляют на проводящей пластине, к которой подведена высокочастотная энергия. Положительный заряд, накапливающийся на мишени, нейтрализуется электронами плазмы за полупериод, в течение которого мишень заряжена положительно. Процесс распыления протекает следующим образом. В результате различия в подвижностях ионов и электронов вокруг электродов возникает обогащенная ионами оболочка. Эти ионы бомбардируют мишень, вызывая ее распыление. Для такого процесса обычно пользуются частотами около 10 Мгц. Что касается электрических характеристик такой системы, то они очень сходны с характеристиками конденсатора; например, силу ток I можно рассчитать по стандартной формуле

где С ёмкость мишени; ω— частота; U— среднеквадратичное напряжение высокочастотного генератора. Эффективный ионный ток, однако, будет составлять половину этой величины, поскольку ноны бомбардируют мишень лишь на протяжении полупериода

Этот метод был применён для осаждения тонких изолирующих пленок и с его помощью были получены пленки с прекрасными свойствами. Для различных стекол, включая плавленый кварц, достигались скорости осаждения до 3 нм/сек. Для поддержания высокочастотного разряда и его стабилизации часто используют внешнее магнитное поле. Высокочастотный метод чувствителен к конструкции высокочастотных токовводов, поэтому путем тщательного согласования источника питания и нагрузки потери па отражение мощности следует сводить к минимуму.

Систему, изображенную на рис. 2.16, также можно использовать для непосредственного распыления изолирующих материалов, причем скорости осаждения в такой системе могут быть выше, чем в только что рассмотренном методе высокочастотного разряда. Было показано, что система такого типа особенно пригодна для получения изолирующих пленок путем реактивного рас пыления, поскольку осаждающийся на катод слой изолятора здесь не лимитирует ионную бомбардировку.

Для распыления непроводящих материалов, ферритов и диэлектриков требуется применение высокочастотных электрических полей. Высокочастотное напряжение в этом случае прикладывается к металлической пластине, расположенной непосредственно за непроводящей мишенью.

На рис. 1-8 показана основная часть установки для высокочастотного распыления диэлектриков. На этой установке диэлектрик бомбардируется поочередно ионами и электронами тлеющего разряда, возникающего в газе под воздействии на него высокочастотного поля.

Ионы выбивают из диэлектрика молекулы, которые затем осаждаются на подложке. Электроны предотвращают образование на подложке положительных зарядов. Образование электронов и ионов происходит в заполненном аргоном пространстве, окружающем диэлектрик, который служит материалом для осаждения.

Диэлектрик укрепляется на электроде, соединенном с генератором мощностью
5 квт, работающим на частоте 13,6 Мгц. Подложки установлены на расстоянии 25 мм от электрода. Разрядный промежуток помещен в магнитное поле. В результате электроны двигаются по спиральным траекториям вокруг силовых линий магнитного поля в пределах области тлеющего разряда, что существенно увеличивает концентрацию ионов. Благодаря использованию магнитного поля скорость осаждения возрастает примерно в 2 раза.

Скорость осаждения можно регулировать, изменяя мощность высокочастотного генератора, напряженность магнитного поля и температуру подложки (скорость осаждения увеличивается почти линейно с уменьшением температуры подложки). Получаемые при этом пленки обладают большой прочностью и однородностью и не выкрашиваются при разрезании подложки на пластинки. Это позволяет одновременно напылять большое число элементов. При высокочастотном распылении нет необходимости нагревать подложки, так как наивысшая скорость осаждения при высокочастотном распылении достигается при температуре подложки, равной +40° С.

Большим преимуществом ионно-плазменного метода перед другими является его безынерционность. Распыление материала происходит лишь тогда, когда на мишень подается напряжение, и оно сразу же прекращается после выключения напряжения. При получении пленок путем термического распыления в вакууме при выключении нагрева испарителя процесс конденсации пленки на подложке не прекращается Для его прекращения применяют специальные заслонки, препятствующие прохождению пара от испарителя к подложке.

Плотность напыляемого ионного пучка можно регулировать изменением тока эмиссии вольфрамового катода, давления инертного газа, а также напряженности магнитного поля соленоида, с помощью которого легко повысить концентрацию плазмы и увеличить скорость распыления при неизменном потенциале мишени. Скорость осаждения может изменяться в очень широких пределах, от нескольких ангстрем до нескольких тысяч ангстрем в минуту. Количество распыленного материала линейно зависит от времени, а толщина пленки при постоянном режиме разряда определяется соотношением между током мишени, напряжением на ней и временем распыления. Для получения очень тонких пленок нужно подавать на мишень небольшое напряжение (около 200 в), при котором получаются очень малые и хорошо регулируемые скорости осаждения. Равномерность толщины пленки при ионно-плазменном распылении достигает 1—2%, что значительно выше, чем при распылении в тлеющем разряде, где искажения вносятся непроводящей подложкой, расположенной между катодом и анодом.

Рабочее давление при ионно-плазменном распылении лежит в диапазоне 1^.10^-3—5^.10^-4 мм рт. ст., что в 50 — 100 раз меньше, чем при распылении в тлеющем разряде. Длина свободного пробега при этом составляет от 5 до 25 см. Расстояние между источником распыления и подложкой может быть установлено меньшим длины свободного пробега. Благодаря этому распыляемые атомы почти не соударяются с молекулами газа и ионами в пространстве между мишенью и подложкой, что резко уменьшает загрязнение пленки остаточными газами. Состав и свойства пленок, полученных методом ионно-плазменного распыления, ближе к составу и свойствам исходного распыляемого материала по сравнению с пленками, полученными путем распыления в тлеющем разряде. Материал мишени распыляется медленно, и его обычно хватает на несколько тысяч циклов распыления, чем достигается хорошая повторяемость состава пленок

Прочность сцепления с подложкой (адгезия) пленки, полученной ионно-плазменным методом, очень высока, что объясняется высокой энергией попадающих на подложку распыленных атомов. Эта энергия примерно в 20 раз больше энергии атомов, попадающих на подложку при термическом испарении в вакууме. Высокая адгезия пленки объясняется еще и тем, что при ионно-плазменном методе удается предварительно хорошо очистить поверхность подложки тлеющим разрядом до напыления на нее материала мишени. При катодном распылении, где распыление начинается сразу же после возбуждения разряда, такую очистку осуществить трудно.

Глава 3