3. Технологические особенности получения пленок при ионном распылении

Достоинства и недостатки метода ионного распыления. В промышленности для нанесения пленочных покрытий широко используется термический метод, когда материал испаряется при нагреве в вакууме с последующей его конденсацией на под­ложке. Однако этот метод обладает целым рядом недостатков. Основные из них следующие: трудность или невозможность ис­парения тугоплавких материалов; невысокая воспроизводимость свойств пленок, в особенности при испарении веществ сложного состава; небольшой срок службы и значительная инерционность испарителей; плохая адгезия пленок и малая их равномерность по толщине; возникновение поверхностных дефектов в резуль­тате нарушения сплошности пленок при вылете из испарителя мелких частиц. Кроме этого, из-за отсутствия надежных измери­тельных средств, контролироватьпроцессвакуумного термичес­кого нанесения пленок весьма сложно.

Исключения перечисленных недостатков достигают при ис­пользовании методов ионного распыления материалов.

Сначала эти методы реализовались на диодных системах, где катодом была мишень, анодом - подложка. Процесс вели на постоянном токе. Затем были разработаны триодные и тетродные системы, установки с автономным источником ионов, высо­кочастотные устройства и магнетронные системы. На системах этого класса можно распылять не только тугоплавкие металлы и многокомпонентные сплавы, но и диэлектрики, полупроводни­ки, т. е. практически все материалы.

Ионное распыление проводят при сравнительно высоком давлении рабочего газа (10 - 100 Па - для диодных систем на постоянном токе и 0,1 - 1 Па - для триодных и высокочастотных систем). При таком давлении происходят многократные столк­новения частиц распыляемого материала с молекулами среды, возникает обратное рассеяние и загрязнение пленок атомами рабочего газа. Поэтому считалось, что невозможно достичь вы­сокой скорости осаждения покрытий, а процесс не обеспечивает высокой чистоты пленок. Однако использование асимметрично­го распыления, распыления с подачей напряжения смещения на подложку, геттерного распыления позволило получать пленки высокой чистоты, а применение магнетронных устройств - резко повысить скорости распыления.

При ионном распылении мишень находится при относительно низкой температуре, а ее материал как бы послойно переносится на подложку, что обеспечивает малое нарушение его исход­ного состава. Если же в рабочий газ добавлять реакционноспособные газы, то на подложках можно синтезировать и химиче­ские соединения.

Толщины и стехиометрический состав их регулируются пар­циальным давлением и временем воздействия химически активного газа. Имея значительно большие кинетические энергии, чем при термическом испарении, распыленные атомы мишени сообщают поверхностным атомам подложки в пpoцecce конденсации избыточную энергию. В результате возможно разрушение загряз­нений, стимулирование равномерного зародышеобразования и внедрение распыленных атомов в глубину поверхностного слоя подложки. Пленки конденсирующихся веществ обычно характе­ризуются меньшим размером зерен, большей плотностью, высо­кой равномерностью по толщине и лучшей адгезией, чем терми­чески напыленные покрытия.

К достоинствам методов ионного распыления относятся так­же его безынерционность, возможность использования в линиях непрерывного действия, а также универсальность.

Методам ионного распыления с целью получения пленок присущи и недостатки. К ним относятся: меньшая, чем у терми­ческого метода, скорость осаждения; трудность получения точного рисунка при механическом маскировании, сложность оборудования и высокие требования к стабильности потенциалов, давления газа, температуры подложки и мишени, плотности тока на мишень.

Особенности конденсации тонких пленок методом ионного распыления. Процесс конденсации при ионно-плазменном (катодном) рспылении существенно отличается от процесса конденсации при вакуумном напылении. При ионно-плазменном распылении отсутствуют понятия «критическая температура» и «критическая плотность потока атомов». Одной из причин различия в механизме конденсации при катодном распылении и вакуумном испарении является влияние газового разряда, сказывающееся в очистке поверхности подложки ускоряющимися ионами. В результате такой очистки условия для захвата конденсируемых атомов подложкой улучшаются.

Другой, более важной причиной отсутствия критической темпера­туры и критической плотности потока атомов при катодном и особенно при ионно-плазменном распылении является внедрение осаждаемых атомов в глубь подложки. Известно, что распыляемые атомы имеют значительно большую энергию, чем испаря­емые атомы. Поэтому процесс конденсации в условиях распыления можно рассматривать как бомбардировку осаждаемыми атомами по­верхности подложки. Осаждаемые атомы, имеющие наибольшую энер­гию (десятки или сотни электрон-вольт), по-видимому, внедряются в подложку на несколько атомных слоев и застревают там. Атомы с меньшей энергией, очевидно, внедряются на меньшую глубину. В ре­зультате момент зарождения пленки характеризуется возникнове­нием на поверхности промежуточного или смешанного слоя, в котором имеются как атомы подложки, так и атомы осаждаемого материала. При последующем осаждении по мере внедрения новых атомов про­исходит постепенное разбавление промежуточного слоя, в резуль­тате которого доля атомов подложки в этом слое резко уменьшается. Поэтому внедрение последующих осаждаемых атомов происходит в сформированную пленку, состоящую в основном из осаждаемого ве­щества. Таким образом, процесс зарождения и роста пленок в усло­виях распыления не может быть описан теорией Френкеля или Семе­нова, а объясняется непрерывным зацеплением осаждаемых атомов на некоторой глубине от поверхности подложки или формирующейся пленки.

В свете рассмотренных представлений находит свое объяснение температурная зависимость скорости осаждения в условиях распыле­ния. Как уже было отмечено, при осаждении в условиях распыления не существует критической температуры, однако скорость осаждения при постоянной скорости распыления падает с ростом температуры подложки. Если температура подложки ниже той, которая была бы критической в условиях вакуумного испарения, то все падающие на подложку атомы будут конденсироваться. Однако при температу­рах выше критической падающие атомы с минимальной энергией, не имеющие возможности внедриться в подложку, будут испаряться. Рост пленки в этих условиях будет осуществляться лишь за счет ато­мов с большой энергией. При дальнейшем повышении температуры под­ложки возможно также испарение атомов, внедрившихся в под­ложку на незначительную глубину. Все это в конечном счете приводит к монотонному уменьшению скорости осаждения пленки с ростом температуры.