Свойства оксидных покрытий, полученных с помощью дуального магнетрона

1.2.1 Физические основы работы МРС

Ранее основным методом нанесения тонкопленочных покрытий были испарение и конденсация веществ в высоком вакууме. Методы ионного распыления материалов вследствие низких скоростей осаждения и высоких радиационных воздействий на обрабатываемые структуры использовались ограниченно. Появившиеся магнетронные распылительные системы, позволяющие наносить как тонкопленочные слои, так и пленочные покрытия толщиной в сотни микрон, позволили существенно расширить область применения ионного распыления материалов.

В последние годы в нашей стране и за рубежом проведены научные исследования и конструктивно-технологические разработки по созданию широкого класса магнетронных распылительных систем, а также установок и линий (в том числе непрерывного действия) на их основе.

Действие магнетронного источника основано на распылении материала мишени-катода при его бомбардировке ионами рабочего газа, образующимися в плазме аномального тлеющего разряда, возбуждаемого в скрещенных электрическом и магнитном полях. Магнетронная распылительная система (МРС) является одной из разновидностей схем диодного распыления.

Магнетронные распылительные системы получили свое название от СВЧ приборов М-типа (магнетронных устройств), хотя, кроме наличия скрещенных электрического я магнитного полей, ничего общего с ними не имеют. Магнетронные системы относятся к системам распыления диодного типа, в которых распыление материала происходит за счет бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа (обычно аргона), образующимися в плазме аномального тлеющего разряда. Высокая скорость распыления, характерная для этих систем, достигается увеличением плотности ионного тока за счет локализации плазмы у распыляемой поверхности мишени с помощью сильного поперечного магнитного поля.

Принцип действия магнетронной распылительной системы показан на рис. 1.1.

1 - катод-мишень; 2 - магнитная система; 3 - источник питания; 4 - анод;

5 - траектория движения электрона; 6 - зона распыления; 7 - силовая линия магнитного поля.

Рисунок 1.1 - Схема МРС с плоской мишенью.

Основными элементами устройства являются катод-мишень, анод и магнитная система. Силовые линии магнитного поля замыкаются между полюсами магнитной системы. Поверхность мишени, расположенная между местами входа и выхода силовых линий магнитного поля, интенсивно распыляется и имеет вид замкнутой дорожки, геометрия которой определяется формой полюсов магнитной системы.

При подаче постоянного напряжения между мишенью (отрицательный потенциал) и анодом (положительный или нулевой потенциал) возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий разряд. Наличие замкнутого магнитного поля у распыляемой поверхности мишени позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени. Эмитированные с катода под действием ионной бомбардировки электроны захватываются магнитным полем, им сообщается сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям у поверхности мишени. Электроны оказываются как бы в ловушке, создаваемой с одной стороны магнитным полем, возвращающим электроны на катод, а с другой стороны - поверхностью мишени, отталкивающей электроны. Электроны циклируют в этой ловушке до тех пор, пока не произойдет несколько ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа, в результате которых электрон потеряет полученную от электрического поля энергию. Таким образом, большая часть энергии электрона, прежде чем он попадет на анод, используется на ионизацию и возбуждение, что значительно увеличивает эффективность процесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации положительных ионов у поверхности мишени. Это в свою очередь обусловливает увеличение интенсивности ионной бомбардировки мишени и значительный рост скорости распыления, следовательно, и скорости осаждения пленки.

Следует отметить, что плазма разряда существует только в области магнитной ловушки в непосредственной близости от мишени и ее форма определяется геометрией и величиной магнитного поля.

Создание магнитной ловушки у распыляемой поверхности мишени представляет собой простое, но весьма эффективное решение проблемы увеличения скорости распыления материалов, в плазменных распылительных системах. Но помимо этого достоинства МРС обладает рядом специфических свойств, основным из которых является отсутствие бомбардировки подложки высокоэнергетическими вторичными электронами.

Известно, что при распылении материалов в плазме тлеющего разряда высокоэнергетические вторичные электроны с мишени являются основным источником нагрева подложек. Интенсивный перегрев подложек не позволяет увеличивать скорости распыления, повышая рабочее напряжение.

В магнетронной распылительной системе вторичные электроны захватываются магнитной ловушкой и не бомбардируют подложку, что обеспечивает ее сравнительно низкую температуру. Источниками нагрева подложки в этих системах служат энергия конденсации распыленных атомов, кинетическая энергия осаждаемых атомов, энергия отраженных от мишени нейтрализованных ионов, а также излучение плазмы [4].

К основным рабочим характеристикам МРС относятся напряжение и сила тока разряда, удельная мощность на катоде, давление рабочего газа и магнитная индукция. В качестве рабочего газа в МРС обычно используют аргон. Давление рабочего газа поддерживается в диапазоне 10^-2-1,0 Па, напряжение разряда - 300-800 В. Магнитная индукция вблизи поверхности катода имеет значения 0,03-0,1 Тл. При таких условиях плотность тока на мишень находится на уровне нескольких тысяч ампер на м², а поверхностная плотность энергии 10⁶ Вт/м². Магнетронные распылительные системы на постоянном токе могут работать только с мишенями из проводящих материалов. Если используются высокочастотные источники питания, то возможно распыление также и мишеней из непроводящих материалов (ВЧ-магнетроны).

Магнетронный метод позволяет:

· Получать покрытия практически из любых металлов, сплавов, полупроводников и диэлектриков без нарушения стехиометрии или исходного соотношения компонентов распыляемой мишени;

· Используя смеси рабочего и реакционных газов (N₂, O₂, CH₄, СО, SO₂ и др.) и распыляемые мишени из металлов или сплавов, получать покрытия из окислов, нитридов, карбидов, сульфидов металлов и др. соединений, в т.ч. и тех, которые невозможно получить методами обычного термического испарения;

· Производить обработку покрываемых поверхностей в плазме тлеющего разряда с целью их ионной очистки и активации перед нанесением покрытий.

· Нанесение тонкопленочных проводящих, изолирующих и других покрытий в электронной, радиотехнической промышленности, приборостроении и др. областях;

· Нанесение просветляющих, отражающих, защитных и др. покрытий на детали оптических систем и приборов;

· Нанесение упрочняющих, защитных и защитно-декоративных покрытий на металлы, диэлектрические материалы, стекло, пластмассы в производстве изделий различного назначения, включая товары народного потребления [4].

Сложность изучения разряда в магнетронных распылительных системах заключается в том, что в этих системах используются неоднородные скрещенные электрическое и магнитное поля, причем электрические параметры разряда в значительной степени зависят от рабочего давления, величины и конфигурации магнитного поля, конструктивных особенностей распылительной системы. Все это делает практически невозможным точное аналитическое описание явлений, происходящих в разряде магнетронной системы.

1.2.2 Реактивное магнетронное распыление

В некоторых случаях может оказаться желательным получить химическое соединение распыляемого материала и распыляющего газа. Поэтому химически активный газ можно специально вводить в распылительную систему для получения такого соединения в виде пленки. Такой способ получения пленок называется реактивным распылением. [5]

Использование МРС с химически активной газовой средой, сохраняя все основные преимущества магнетронного распыления (простоту аппаратуры, высокие скорости осаждения, низкую температуру подложки и др.), позволяет получать пленки самых различных химических соединений путем распыления металлических мишеней в среде химически активного газа (или смеси активного и инертного газов). В то же время наличие активной среды и высоких скоростей распыления мишени и осаждения пленки обусловливает взаимосвязь явлений, происходящих на подложке, в плазме разряда и на поверхности мишени. В результате этого при одинаковой мощности разряда и конструкции МРС скорость осаждения может различаться в 5--10 раз, а состав пленки в связи с этим может существенно изменяться [3].

Реактивное катодное распыление осуществляется либо посредством реакции на катоде с последующим переносом получившегося соединения на подложку, либо при реакции окружающего газа с пленкой по мере ее нанесения (или комбинацией этих процессов). Нельзя исключить также и возможность реакции между распыляемым материалом в паровой фазе и окружающими веществами. Работ по выяснению действительного механизма в реальных системах очень мало.

Реактивное распыление не обязательно проводить в атмосфере чистого активного газа: использование смеси инертного газа с небольшим количеством активного компонента не только достаточно, но часто имеет и определенные преимущества. Распыляющий газ, состоящий полностью из аргона и лишь 1 или 2% кислорода, может дать тот же результат, что и чистый кислород. Поддерживая процентное содержание кислорода минимально низким, вплоть до необходимого для полного окисления осаждаемой пленки, можно получить значительное увеличение скорости нанесения. Было установлено, что скорость нанесения пленок уменьшалась от 100 до 1 А/мин, когда парциальное давление кислорода в аргоне с давлением 2*10^-2 мм рт. ст. изменялось от 1* 10^-4 до 1* 10^-2 мм рт. ст. Однако, такая зависимость не всегда справедлива. Установлено, что при постоянных давлении газа и плотности тока скорость нанесения пленок смешанных окислов на основе свинца и титана была по существу одной и той же, независимо от того, использовался чистый кислород или же его смесь с инертным газом. Так как, по-видимому, имелись другие преимущества, связанные с применением чистого кислорода, ему в данном случае и было отдано предпочтение. Указано, что нельзя получить высший окисел, если не проводить распыление в чистом кислороде [5]. Минимальное необходимое количество кислорода зависит от скорости нанесения, давления газов и температур катода и подложки. При использовании большего количества кислорода на катоде образуется чрезмерно толстая пленка окисла. Это приводит к значительному уменьшению скорости распыления; кроме того, большой избыток кислорода уменьшает также эффективность тлеющего разряда [6].

Наибольшую часть соединений, получаемых реактивным распылением, несомненно, составляют окислы. Это обусловлено как полезными свойствами окислов многих металлов, так и легкостью, с которой можно проводить реактивное распыление в кислороде. Введение в распылительную камеру кислорода оказывает заметное влияние на вид тлеющего разряда в аргоне. В частности, добавление даже небольших количеств кислорода влияет на разряд так же, как значительное повышение давления в камере: сокращается темное пространство и уменьшается импеданс разряда. Этот эффект объясняется тем, что дрейфовая скорость электронов, движущихся в темном пространстве, уменьшается в присутствии атомов кислорода, которые временно связывают электроны и превращаются в отрицательные ионы. В результате эффективность образования положительных ионов при соударениях электронов с атомами газа возрастает. Другим следствием присутствия в зоне разряда отрицательных ионов является то, что вокруг анода может образоваться область скопления отрицательных ионов, аналогичная оболочке из положительных ионов на катоде.

Роль такой области в процессе реактивного распыления точно не установлена, но некоторые исследователи считают, что она представляет собой важную зону в системе реактивного распыления.

Недостатки магнетронного распыления при напылении оксидов:

1) Взаимодействием мишени с химически активными атомами и ионами в составе плазмы магнетронного разряда. В результате образуется диэлектрическая пленка, которая снижает выход атомов мишени при распылении и изменяет ее эмиссионные свойства.

2) Кроме того, осаждение диэлектрических пленок на поверхности анода (обычно это стенки вакуумной камеры) приводит к изменению параметров магнетронного разряда в процессе работы. Сильное запыление может приводить к гашению разряда. Это явление известно как «проблема исчезающего анода». Под термином «исчезающий» анод подразумевается потеря анодом способности собирать электроны из плазмы и, тем самым, замыкать электрический ток, в результате покрытия поверхности анода, независимо от того, что он представляет собой, стенки вакуумной камеры или отдельный элемент, диэлектрической пленкой во время процесса реактивного напыления.

3) Низкая скорость напыления желательных материалов.

Всех этих недостатков лишена дуальная магнетронная система [7].

1.3 Особенности нанесения оксидов дуальной магнетронной распылительной системой

В последние годы достижения в напылении происходили в основном за счет усовершенствования катодов и новых видов генераторов. Стандартная система для нанесения тонких пленок состоит из источника питания постоянного тока и одного магнетрона.

К сожалению, реактивное распыление в атмосфере кислорода таких металлов, как Ti и Al на постоянном токе неэффективно из-за неустойчивости процесса и образования дуги, следующей из катода, который покрывается оксидной пленкой. С одной стороны, скорость ионного травления оксидной пленки существенно ниже, чем чистого металла, а с другой, происходит зарядка поверхности оксидной пленки положительными ионами, бомбардирующими поверхность. Вблизи заряженной поверхности происходит перераспределение напряженности электрического поля таким образом, что энергия ускоренных ионов существенно снижается.

Последствия образования дуги могут быть уменьшены за счет периодической разгрузки катода, например, при использовании генератора переменного тока. Однако это не предотвращает осаждение изоляционного материала на стенах камеры, проблема, известная как “исчезающий анод“.

Напыление на ВЧ, как возможная альтернатива, не приемлемо из-за низких, скоростей напыления желательных материалов.

Устранить эти эффекты позволяет дуальная магнетронная система, включающая в себя два одинаковых магнетрона, каждый из которых попеременно становится то катодом, то анодом.

Когда на магнетрон подается отрицательный потенциал, происходит распыление мишени ионами рабочего газа, а когда положительный - плазменные электроны высаживаются на поверхность и разряжают диэлектрическую пленку.

Это расположение известно как Дуальная Система Магнетрона (DMS) или Твин - магнетрон.

Конструкция дуального магнетрона представлена на рисунке 1.2.

1-планарные магнетроны; 2-корпус магнетронной системы; 3-магнитопровод; 4-изоляторы; 5-корпус планарного магнетрона; 6-постоянные магниты; 7-мишень.

Рисунок 1.2. - Конструкция дуальной магнетронной системы с дополнительным элементом.

Между землей и одной из мишеней подано положительное напряжение, а между землей и другой мишенью подано отрицательное напряжение. Таким образом, один магнетрон является катодом, а другой анодом. За то время, пока один магнетрон работает, другой очищается от диэлектрической пленки. Затем полярность напряжения на магнетроне меняется.

Благодаря тому, что на магнетронах не образуется диэлектрическая пленка, система работает более стабильно: отсутствуют мерцания, вспышки, магнетроны не искрят, значительно увеличивается скорость нанесения материала.

Так как дуальный магнетрон работает стабильно, то качество наносимых им покрытий выше, чем у магнетрона на постоянном токе, т.к. отсутствует возможность попадания на подложку крупных вкраплений распыляемого материала [8].

2. Процессы роста тонких пленок

2.1 Физические основы распыления

Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования ионного распыления (ИР) показывают, что основным механизмом взаимодействия между бомбардирующими ионами и атомами материала является процесс передачи импульса, т. е. распыление осуществляется за счет упругих столкновений, приводящих к прямому выбиванию атомов из равновесных положений.

Можно выделить три качественно различных случая: режим первичного выбивания атомов из равновесных положений, режим линейных каскадов и режим тепловых пиков. В режиме первичного выбивания бомбардирующий ион передает энергию атомам мишени, которые могут либо сразу покинуть поверхность (распылиться), либо распылиться после небольшого числа упругих столкновений с приповерхностными атомами, необходимого для поворота вектора импульса. В двух других режимах выбиваемые из равновесных состояний атомы получают энергию, достаточную для выбивания вторичных, третичных и других атомов, часть которых может достичь поверхности материала и преодолеть поверхностный барьер.

Ионное распыление материала начинается, когда энергия ионов Е_и превысит некоторую величину Е_пор, получившую название пороговой энергии распыления. При E_и<E_noр ионы не распыляют материал, и при взаимодействии с атомарно-чистой поверхностью происходят их отражение, адсорбция с последующей десорбцией и нейтрализация, осуществляемая электронами, эммитированными из материала под действием электрического поля ионов. Если на поверхности материала присутствуют адсорбированные инородные частицы и химические соединения, то в результате ионной бомбардировки происходят их десорбция и химические превращения.

Процесс выхода в вакуум адсорбированных атомов отличается от выхода распыленных атомов из объема материала тем, что вылетающая частица всегда выходит из верхнего поверхностного слоя, ее энергия связи обычно меньше энергии связи атомов в объеме. Если массы атомов адсорбирующего вещества и адсорбента сильно различаются, то возможны большие различия в выходе (распылений) адсорбированных частиц. Десорбция при ионной бомбардировке может осуществляться прямым выбиванием адсорбированного атома падающим ионом, за счет его выбивания отраженным от поверхности материала ионом, а также выбиванием распыленным атомом материала.

При ионной бомбардировке поверхностные слои монокристаллов превращаются вначале в поликристаллические, а затем в аморфные. Доза ионного облучения D_и Кл/см², определяется выражениями

D_и=j_иt

или, ион/см²,

D_и=j_иt/(ze),

где

j_и - плотность ионного тока на поверхность материала, А/см²;

t - продолжительность облучения, с;

е - заряд электрона, Кл; z --кратность заряда иона.

Доза аморфизации монокристаллического кремния D_а ионами аргона с энергией 30 кэВ при температуре мишени 300 К составляет 5*10¹⁴ ион/см², следовательно, при j_и = 0,1 мА/см² аморфизация наступает примерно через 1 с после начала обработки. Значения D_и полупроводников сильно зависят от температуры, резко увеличиваясь с ее ростом, очевидно, за счет отжига радиационных повреждений. В металлах подобного рода отжиг происходит уже при комнатной температуре.

Среднее расстояние, проходимое внедренным в материал ионом до его остановки, зависит от энергии и атомного номера иона, а также атомного номера и кристаллической структуры материала. В большинстве случаев важно знать не средний пробег ионов в материале, а среднюю глубину их проникновения от поверхности. Средняя глубина проникновения ионов аргона в диапазоне энергий (0,5--5,0) кэВ составляет для кремния 3,5, для двуокиси кремния 5,0, для золота 1,3, для алюминия 1,5 нм/кэВ. Толщина нарушенного слоя приблизительно равна удвоенной средней глубине проникновения ионов в материал и возрастает с увеличением дозы ионного облучения. Основная доля энергии ионов (70--90%) выделяется в материале в виде тепла, менее 5% расходуется на распыление, а оставшаяся часть затрачивается на радиационное повреждение материала, внедрение ионов, вторичную электронную эмиссию и электромагнитное излучение в широком спектре частот.

Для поликристаллических материалов угловое распределение распыленных атомов при нормальном падении бомбардирующих ионов с энергией в диапазоне 1--10 кэВ в первом приближении описывается законом косинуса. При Е_и<1кэВ наблюдается «подкосинусное» распределение распыленных атомов, когда большее число частиц распыляется параллельно поверхности мишени и меньшее -- перпендикулярно. При Е_и> 10 кэВ имеет место «надкосинусное» и даже гауссово распределение распыленных частиц.

При наклонном падении ионов средняя энергия распыленных атомов _р возрастает; с уменьшением массы бомбардирующих ионов _р уменьшается. Распыленные атомы тяжелых материалов обладают наибольшим значением _р, а легкие -- наибольшим значением скорости распыления v_p.

Процесс распыления материалов количественно характеризуется коэффициентом распыления (КР), который определяется как среднее число атомов, выбиваемых с поверхности материала одной падающей частицей. Падающими частицами могут быть ионы (атомарные и молекулярные), нейтральные атомы, нейтроны, электроны и фотоны с большой энергией. Мы рассматриваем процесс физического распыления материалов ионной бомбардировкой, поэтому, согласно определению КР, ат./ион:

Y_p=N_a/N_и,

где N_a-- число выбитых (распыленных) атомов материала;

N_и -- число ионов, бомбардирующих материал.

При бомбардировке ионизированными молекулами, состоящими из одинаковых атомов, каждый такой атом учитывают отдельно. В случае же молекул, содержащих разные атомы, целесообразно определять КР в расчете на одну первичную молекулу. В режиме линейных каскадов КР материала при бомбардировке ионами двухатомных молекул (состоящих из одинаковых атомов) приблизительно вдвое больше, чем при бомбардировке атомарными ионами. В режиме же тепловых пиков КР двухатомными молекулами может превышать удвоенный КР для атомарных ионов..

Энергетическая эффективность процесса ионного распыления з_эф определяется массой материала m, распыляемой в единицу времени с единицы площади, отнесенной к плотности мощности W_и =j и U_K (где j_и и U_и -- плотность ионного тока и ускоряющее ионы напряжение), затрачиваемой на реализацию процесса распыления. Величина E_и = eU_и определяет энергию бомбардирующих материал ионов. В случае распыления материала однозарядными ионами m= У_р(Е_и)А_mj_и/(N_Ае), где А_m -- атомная масса распыляемого материала; N_А -- число Авогадро. Тогда, согласно определению,

з_эф =(V_р E_и /E_и )(A_m /N_А)

Из выражения видно, что энергетическая эффективность процесса распыления зависит от энергии ионов. Значения энергии ионов, которые соответствуют максимальной энергетической эффективности процесса распыления материалов, совпадают с Е_а. При этом максимальная доля энергии ионов расходуется на процесс распыления материалов.

Кроме энергии ионов КР материала зависит от:

а)массы бомбардирующих ионов, увеличиваясь с возрастанием m_и и атомарного номера иона в области энергий, используемых для ИP;

б)атомного номера распыляемого материала Z_a. Наблюдается сложная периодическая зависимость КР от Z_a, в которой в пределах периода таблицы Д. И. Менделеева КР возрастает по мере заполнения электронных d-оболочек;

в)угла падения ионов на поверхность материала а, с ростом от 0 (отсчет ведется от нормали к поверхности) до 70° наблюдается увеличение КР материалов. Для многих материалов в первом приближении зависимость КР от а в этой области можно оценить по формуле:

Y_p (б) = Y_p(0)/cosa,

где Y_p(0)--КР при нормальном падении ионов.

КР при нормальном падении ионов прямо пропорционален энергии, рассеиваемой в поверхностном слое материала, в пределах которого упругие столкновения с атомами приводят к распылению. При угле падения а длина пробега ионов, а, следовательно, и число столкновений в этом слое в 1/cos а раз больше. Значение угла падения ионов а_mах, при котором наблюдается максимальный КР материала У_mах, зависит от энергии ионов и смещается в сторону больших углов с увеличением Е_и;

г)чистоты обработки поверхности. Шероховатые поверхности имеют меньший КР, чем гладкие. Это связано с частичным улавливанием распыленных атомов соседними микронеровностями. Однако по мере удаления поверхностного слоя КР для поверхностей с различной чистотой обработки выравнивается (у гладких поверхностей - понижается, у шероховатых - возрастает), приближаясь к определенной характерной для топографии поверхности, сформированной только ионной бомбардировкой;

д) температуры распыляемого материала Т_р.м. Для поликристаллических и аморфных материалов в диапазоне температур от комнатной до 600 К, обычно используемых при ИР, значение КР не зависит от температуры.

2.2 Перенос вещества к подложке

Процесс переноса распыленного материала от мишени до поверхности конденсации зависит от средней энергии распыленных частиц, их углового распределения, давления рабочего газа, расстояния между распыляемой и приемной поверхностями, а также в некоторых случаях от наличия электрических и магнитных полей, определяющих движение ионизированных атомов распыленного материала.

В отличие от процесса термовакуумного осаждения, при котором средняя энергия испаренных частиц составляет доли электрон-вольта (1 эВ = 1,6-10~¹⁹ Дж), средняя энергия распыленных частиц _р в области энергий, обычно используемых при распылении 0,5--5 кэВ, лежит в диапазоне от 10 до 100 эВ. При наклонном падении ионов Е_р возрастает в соответствии с законами сохранения импульса энергии, в то время как при уменьшении массы бомбардирующих ионов и атомов распыляемого материала _р уменьшается.

В экспериментальных исследованиях наблюдается уменьшение КР материалов, когда давление рабочего газа превышает 1 Па, что связано с увеличением вероятности возвращения распыленных атомов на мишень в результате процессов обратной диффузии и обратного рассеяния (отражения). Под обратной диффузией следует понимать диффузионное возвращение на мишень распыленных атомов, имеющих среднюю кинетическую энергию _р, равную средней кинетической энергии атомов инертного газа (_r). При этом очевидно, что возвращение распыленных атомов на мишень за счет обратной диффузии может происходить с расстояний, значительно превышающих среднюю длину их свободного пробега (л_р). Под обратным рассеянием следует понимать возвращение распыленных атомов на мишень в результате их рассеяния на атомах инертного газа. Этот процесс происходит на расстояниях от мишени, не превышающих л_р, и характеризуется различием в кинетических энергиях соударяющихся частиц.

Среднее число столкновений, после которого энергия распыленных атомов станет равной тепловой энергии молекул или атомов используемого газа, а также длина пробега распыленных атомов, на который они «погасят» свою избыточную энергию, могут быть рассчитаны на основе физической модели процесса переноса распыленных частиц, учитывающей тот факт, что энергия этих частиц Е_р в сотни раз превышает среднюю кинетическую энергию атомов рабочего газа Е_р.

С повышением давления инертного газа при распылении материалов с массой атомов m_a, большей массы атомов газа m_r, основным процессом возвращения распыляемых частиц на мишень является обратная диффузия, в результате которой снижается эффективная скорость распыления мишени, а следовательно, и скорость осаждения пленки на подложку. Поэтому на практике для выбора оптимального технологического режима очень важно уметь оценивать давление газа, при котором начнется процесс обратной диффузии [3].

2.3 Конденсация и образование тонких пленок

Процесс осаждения вещества на подложке состоит из двух этапов: начального этапа -- с момента адсорбции первых атомов (молекул) вещества подложкой до момента образования сплошного покрытия и завершающего этапа, на котором происходит рост пленки до заданной толщины.

Условия, в которых протекает начальный этап, имеют определяющее значение для структуры полученной пленки, прочности ее сцепления с подложкой, времени формирования пленки. Изучение явлений, происходящих на подложке в начальный период, имеет поэтому большое практическое значение. Поскольку математическое описание явлений, сопровождающих начальный этап формирования пленки, носит приближенный и неполный характер, рассмотрим лишь качественную картину этих явлений.

При столкновении с подложкой атом передает ей часть энергии, причем доля этой энергии тем меньше, чем выше температура подложки. Обладая некоторым избытком энергии, атом вещества некоторое время перемещается (мигрирует) по поверхности подложки, теряя постепенно энергию и стремясь к тепловому равновесию с подложкой, т. е. переходит в адсорбированное состояние.

Атомы мигрируют в потенциальном поле подложки, определяемом распределением свободной энергии связи. При отсутствии химического взаимодействия атомов вещества с материалом подложки (физическая адсорбция) энергия связи определяется силами Ван-дер-Ваальса и имеет значение ~ 0,01 - 0,1 эВ. В зависимости от характера потенциального рельефа адсорбированный атом может, потеряв значительную часть избыточной энергии, закрепиться (сконденсироваться) на подложке, хотя вероятность этого процесса для одного атома весьма мала. Значительный избыток энергии адсорбированных атомов и длительная миграция по подложке приводят к тому, что с большей вероятностью атомы десорбируются на потенциальных «буграх» рельефа (вторичное испарение). Если подложка нагрета, что обусловливает высокую избыточную энергию атома, а плотность атомного потока небольшая, практически исключающая взаимодействие атомов вещества на подложке, то наступает равновесное состояние (состояние насыщения), при котором поток падающих на подложку атомов равен потоку десорбированных атомов. Плотность адсорбированных на подложке атомов при этом невысока, примерно постоянна, и конденсации вещества не происходит.

Конденсация вещества может начаться при пересыщении пара на подложке. Если плотность потока высока и (или) температура подложки низка, то вероятность вторичного испарения уменьшается, а вероятность встречи атомов на подложке увеличивается. При этом образуются атомные группы, более устойчивые к повторному испарению, так как кинетическая энергия атомов частично переходит в потенциальную энергию связи. Зародышем будущей пленки такая группа может стать, если ее размер превышает некоторый критический, при котором вероятность конденсации (окончательного закрепления на подложке) превышает вероятность распада группы на атомы. Следует подчеркнуть, что минимальная степень пересыщения пара, необходимая для начала образования зародышей, зависит от температуры, химической природы, структуры и чистоты поверхности подложки и может быть установлена лишь экспериментально при отладке процесса.

Дальнейший рост зародышей происходит за счет присоединения к ним вновь адсорбированных атомов, а также за счет непосредственного осаждения атомов на поверхность зародыша. Разрастаясь, отдельные островки-зародыши сливаются (коалесценция), постепенно образуя сплошную пленку. На завершающем этапе, когда сформирована сплошная пленка, ее рост носит гомогенный характер. Влияние подложки при этом отсутствует, а характер связи (металлическая, ковалентная) падающих на пленку атомов (или молекул) определяется веществом пленки. От поверхности пленки атомы практически не отражаются.

Современные технические средства не позволяют непосредственно наблюдать явления, происходящие на ранней стадии формирования пленки, поэтому они носят гипотетический характер. Мерилом истинности, достоверности тех или иных гипотез может служить только опыт и особенно опыт производства, который вследствие массового характера испытания позволяет объективно оценить степень соответствия теории получаемым результатам.

Фактором, по которому оцениваются качество и надежность пленки, является прочность ее сцепления с подложкой (адгезия).

Адгезия пленки с подложкой заметно возрастает, если на начальном этапе осаждения имеет место хемосорбция, т. е. адсорбция с образованием химических связей атомов вещества с подложкой.

Следует подчеркнуть, что хемосорбция, увеличивая связь пленки с подложкой, уменьшает критический размер зародышей и способствует образованию мелкозернистой структуры.

Важным фактором является чистота пленки. Существенное влияние на качество пленки оказывают остаточные газы, поглощаемые пленкой в процессе конденсации. Пористость -- это характерное свойство пленок, осажденных в вакууме. Вследствие этого по сравнению с массивными образцами диэлектрические пленки имеют пониженную электрическую прочность, а резистивные -- повышенное сопротивление.

Химически пассивные компоненты остаточного газа (N₂, С0_2, Аг) способны в процессе эксплуатации устройств постепенно десорбироваться на объема пленки, что приводит к временной нестабильности ее электрофизических параметров, т. е. к старению пленки. Давление остаточных газов должно быть, возможно ниже, однако, существует предел, обусловленный экономическими соображениями. Содержание газов в напыленной пленке зависит от соотношения плотностей потоков вещества и остаточных газов, падающих на подложку. При прочих равных условиях загрязнение пленки остаточными газами тем ниже, чем выше скорость осаждения.

Присутствующие на подложке до начала осаждения адсорбированные молекулы воздуха не только загрязняют пленку, но и служат причиной снижения адгезии, так как экранируют подложку от пленки. Поэтому необходимо десорбировать газы с подложки, сообщая молекулам некоторую энергию. Частичная десорбция происходит при нагреве подложки до рабочей температуры в вакууме перед напылением. Более эффективная очистка» от адсорбированного газа обеспечивается бомбардировкой поверхности подложки ионами газа с энергией в несколько десятков электронвольт.

Энергия ионов в несколько десятков электрон-вольт достаточна для выбивания молекул газа, которые выносятся откачной системой, но недостаточна для разрушения поверхности подложки [9].

3. Методы исследования параметров тонких пленок

3.1 Методы измерения толщины тонкопленочных покрытий

Вещество в виде тонкой пленки представляет собой своеобразное состояние материи, по своей структуре и характеристикам часто заметно отличающееся от этого же вещества в массе. Поэтому, если известен показатель преломления, плотность, электропроводность или другие свойства вещества в массе, нельзя без достаточных оснований приписывать их значения тонкой пленке. Исследования показывают, что характеристики пленок чрезвычайно чувствительны к условиям, в которых они получены. Этим объясняются значительные расхождения в оптических и других физических постоянных пленок, приводимых различными исследователями для одних и тех же веществ [1].

Оптические методы определения толщины тонких пленок или пластин, по-видимому, получили развитие раньше других методов. С тех пор как Ньютон обнаружил, что цвет тонких предметов определяется их толщиной, этот эффект интенсивно используется для определения толщины пленок [6].

При отсутствии поглощения оптическими характеристиками тонкой пленки служат показатель преломления и толщина (геометрическая или оптическая). Свойства тонкой пленки как оптической системы зависят от свойств окружающей среды, от характеристик источника и приемника излучения. Если толщина пленки соизмерима с длиной волны излучения, то наблюдаемые в ней явления интерференции и поляризации света можно использовать для определения указанных оптических характеристик [1].

При измерениях толщины в процессе напыления пленки в отраженных лучах рассматривается цвет контрольной пластины, находящейся вблизи образца. С увеличением толщины пленки окраска ее меняется, причем один и тот же цвет может повторяться несколько раз. Таким образом, если требуется измерить толщину готовой пленки, необходимо определить порядок интерференции. Если же контроль за толщиной пленки ведется в процессе напыления, надо следить за последовательностью изменения цветов и прекращать процесс напыления в момент, когда пленка окрашивается в определенный цвет. Значения толщины в ангстремах, приведенные в таблицах для воздуха, можно пересчитать для случая любого материала пленки путем деления на соответствующее значение показателя преломления n. Недостаток метода заключается в его субъективности: различные исследователи не наблюдают одного и того же цвета для пленок одинаковой толщины. Кроме того, необходимо знать дисперсию материала пленки, чтобы в расчетах использовать правильное значение n [3].