Физические основы микро- и нанотехнологии

чительная часть частиц должна адсорбироваться на подложке или вследствие химической реакции образовать новое соединение. Поток испарившихся частиц в вакууме образуется в случае, когда давление пара испаряемого материала превышает давление остаточных газов в камере. Тогда возникает поток пара, направленный от испарителя к подложке. Для испарения вещества можно использовать электронный или лазерный луч, джоулеву теплоту, высокочастотное поле и другие источники теплоты.

Второй этап – транспортирование пара от испарителя к подложке. Если считать, что скорости молекул в момент испарения распределены по закону Максвелла, то от точечного испарителя они будут двигаться во всех направлениях с равной вероятностью.

Плотность потока пара будет описываться выражением

где Ф(α) – плотность потока пара в направлении, составляющим с нормалью к поверхности угол α; Ф0 – плотность потока пара при α = 0.

Уравнение (4.2) представляет собой косинусоидальный закон распределения. В соответствии с ним испарение вещества происходит не равномерно во всех направлениях, а преимущественно в направлениях, близких к нормали к испаряемой поверхности (кратчайшее расстояние от испарителя до подложки), где cos(α) имеет максимальное значение. При этом масса испаряемого вещества, приходящегося на единицу поверхности подложки, зависит от расстояния от центра подложки вследствие чисто геометрических соображений, как это показано на рис. 4.1.

Тогда зависимость толщины напыляемой пленки D от расстояния от центра подложки L для испарителя малой площади (испаритель, у которого размеры поверхности испарения малы по сравнению с расстоянием от этой поверхности до подложки), расположенного на расстоянии h от подложки, будет определяться по формуле

201

где Me – общее количество испа-

Третий этап – осаждение (конденсация) испаряемого вещества на поверхности подложки. Образующиеся тонкие пленки имеют физические свойства, существенно отличающиеся от свойств объемных образцов. При этом в процессе выращивания пленок экспериментаторы и технологи вынуждены определять и контролировать целый ряд параметров, таких как материал и структура подложки, ее температура, состав и давление пара, интенсивность его поступления. Чаще всего эти параметры подбирают эмпирически для получения требуемых параметров структуры и состава пленки. Конденсация поступающего к подложке пара является сложным физическим процессом, который состоит из нескольких стадий.

1. Зарождение зерен – падающая частица после соударения с поверхностью удерживается на ней силами поляризации, ван-дер- ваальсовыми силами или силами химической связи. Возможно образование связанной пары. Поэтому первым этапом конденсации пленок считают адсорбцию. После локализации зерен начинается собственно процесс роста пленки.

202

Существуют различные режимы роста тонких пленок. Обычно режимы подразделяются на островковый, послойный и промежуточный (в зависимости от того, как атомы взаимодействуют друг с другом и с подложкой).

Островковый режим реализуется в случае, когда атомы осаждаемого вещества связаны между собою сильнее, чем с подложкой. В островковом режиме маленькие зародыши образуются прямо на поверхности подложки и затем растут, превращаясь в большие островки конденсированной фазы. Затем, сливаясь (этот процесс называется коалесценцией), они образуют островки все большего размера и после стадии заполнения каналов – сплошную пленку.

Послойный режим реализуется в противоположном случае, когда атомы осаждаемого вещества связаны с подложкой более сильно, чем друг с другом. Моноатомные слои заполняются в этом режиме по очереди, т.е. двухмерные зародыши (толщиной в один атом) следующего слоя образуются на верхней части зародышей предыдущего слоя после его заполнения.

В промежуточном режиме сначала реализуется послойный рост, затем, после заполнения одного-двух слоев, начинается островковый режим роста. Причин смены механизмов роста несколько. Основная из них – параметры решетки не могут оставаться неизменным при заполнении очередного слоя.

2.Рост зерен – вокруг образовавшихся зерен начинают расти пространственные островки. В зависимости от температуры подложки они могут быть жидкими каплями или монокристаллами. Температура плавления островков на 2/3 меньше температуры плавления объемного материала.

3.Объединение островков. При пограничном контакте за счет разрушения границы и выделения при этом теплоты островки расплавляются, а после слияния охлаждаются, образуя новый монокристалл. На монокристаллической подложке ориентация большинства островков повторяет ориентацию подложки. Межсоединения островков образуют сеть с пустотными каналами.

203

4. Заполнение каналов. Для каждой пары конденсат – подложка при заданной скорости осаждения существует критическая температура подложки, выше которой происходит рост кристаллически ориентированной пленки независимо от степени несовершенства исходного кристалла. Конденсация при температурах ниже критической приводит к разориентации структуры пленки, и при низких температурах (порядка 1/3 температуры плавления объемного образца) образуется аморфная структура.

Одной из основных характеристик получаемых пленок является адгезия (прилипание) – возникновение связи между поверхностными слоями двух разнородных тел или фаз, приведенных в соприкосновение. Адгезия характеризует прочность контакта образовавшегося соединения пленки с подложкой. При хорошей адгезии прочность адгезионного шва выше прочности самого материала.

Предполагается, что адгезия во многом зависит от энергии падающей на подложку частицы: чем выше энергия, тем лучше адгезия. Для увеличения энергии частиц применяют импульсные методы ТВН, заключающиеся в испарении вещества методом электрического взрыва проводника или микровзрыва на поверхности мишени под воздействием электронного или лазерного пучка или применения импульсных генераторов плазмы. Во всех этих случаях атомам или молекулам испаряемого вещества сообщается существенно большая энергия, чем при обычном испарении, что улучшает параметры получаемых пленок, но не искупает всех недостатков метода ТВН:

1)большой расход материала – конденсат осаждается не только на подложке, но и по всему объему камеры, что приводит к необходимости регулярно чистить ее и дополнительно обезгаживать;

2)невысокое качество получаемых пленок, наличие загрязнений

ипримесей, структурных неоднородностей;

3)неравномерность получаемых пленок по толщине;

4)невозможность распыления тугоплавких материалов;

5)невозможность распыления химических соединений;

6)низкая адгезия получаемых пленок.

Поэтому для получения качественных пленок используются другие методы.

204

4.2.3. Ионное распыление

Энергия атомов, доставляемых к подложке при методе ТВН, незначительна, что приводит к плохой адгезии. Улучшить адгезию можно путем увеличения энергии атомов, приходящих к подложке. Самый перспективный путь – перевод нейтральных атомов в ионизированное состояние и использование энергии электрического поля, а не градиента концентрации. Таким методом является ионное (катодное) распыление. При бомбардировке поверхности твердого тела (мишени) отдельными атомами, ионами или молекулами, имеющими энергию, большую энергии связи отдельного атома с объемом твердого тела, материал мишени распыляется. Если поблизости от мишени поместить подложку, то часть атомов распыляемой мишени попадет на подложку и будет конденсироваться на ней, образуя пленку. Для бомбардировки мишени удобно использовать заряженные частицы – ионы, так как их легко разгонять до нужной энергии в электрическом поле. В качестве источников ионов используют газоразрядную плазму, из которой положительно заряженные ионы вытягиваются отрицательно заряженной мишенью.

В основе этого метода лежит электрический газовый разряд – совокупность явлений, происходящих в газе или парах ртути при прохождении через них электрического тока. При приложении электрического поля к объему, заполненному газом, могут наблюдаться два основных типа явлений: ионизация нейтральных атомов газа свободными электронами (если энергия свободных электронов, ускоренных электрическим полем, достаточна для инициации перехода электрона нейтрального атома газа с уровня валентной зоны в зону проводимости) и рекомбинация ионов газа, происходящая при соединении положительного иона газа со свободным электроном (избыток энергии при этом излучается в виде кванта света).

При электрическом разряде в газе одновременно происходят оба процесса, что приводит к его свечению. Поскольку энергию электрон приобретает за счет электрического поля, то разность потенциалов, необходимая для ионизации атома, называется потенциалом ионизации и зависит от природы атома.

205

Интенсивная бомбардировка катода ионами (при так называемом тлеющем разряде) приводит к эмиссии с его поверхности нейтральных атомов, которые при определенных условиях могут осаждаться на аноде.

Энергия ионов, падающих на мишень, определяется в основном разностью потенциалов, пройденной ионом на последней длине свободного пробега перед мишенью, так как ранее приобретенную энергию он практически полностью теряет при столкновении с атомами газа. Вследствие статистического характера процессов соударения частиц всегда существует большой разброс длин свободного пробега, так что энергия ионов, падающих на мишень, имеет существенный разброс и ионы падают на мишень под разными углами.

Основным параметром, характеризующим процесс распыления, является коэффициент распыления Кр, равный числу выбитых атомов, приходящихся на один ион, упавший на мишень. Заметное распыление начинается лишь с некоторых пороговых значений энергии ионов Епор и резко растет при дальнейшем увеличении энергии ионов Еи пока не достигнет максимума при Еи = Еmax. Последующее увеличение Еи вызывает падение Кр.

Положительные ионы образуются в газе в результате ионизации атомов электронным ударом. Процесс ионизации заключается в том, что электрон, сталкиваясь с атомом, отрывает от него электрон. Для этого, естественно, необходимо, чтобы сталкивающийся электрон имел энергию больше энергии ионизации атома. В разряде на постоянном токе электроны непрерывно поступают из катода в газоразрядный промежуток. По пути к аноду они разгоняются электрическим полем, ионизируют атомы газа в камере и вместе с вновь образовавшимися электронами, также ионизирующими газ, уходят на анод.

Электроны могут также рассеиваться на атомах газа, попадать на стенки камеры и оседать на них, так как эти стенки обычно являются не проводящими. Под отрицательным потенциалом оказывается любой металлический электрод, не соединенный внешней цепью с источником питания («плавающий» электрод). Положительно заряженные ионы, обладая в 1000 раз большей массой по сравнению с элек-

206

тронами, являются малоподвижными частицами. Они медленно дрейфуют в электрическом поле и собираются отрицательно заряженными электродами или попадают на стенки камеры, где рекомбинируют с электронами. В качестве рабочего газа используют обычно благородные инертные газы, чаще всего – аргон (как самый дешевый).

Количество ионов, образующихся в камере, зависит от количества электронов с катода, давления газа в камере и напряжения на аноде. При давлении газа в камере выше 10–1 Па средняя длина свободного пробега электрона меньше 1 см. Поэтому если расстояние до анода значительно больше этой длины, то на своем пути до анода электрон успеет испытать большое число столкновений с атомами газа. Для того чтобы эти соударения приводили к ионизациям, электрон должен приобрести в электрическом поле достаточно большую энергию. Энергия ионизации атома аргона, например, составляет 15,7 эВ. Если энергия электрона превышает это значение, то вероятность ионизации атома при столкновении с электроном сначала растет, а затем начинает уменьшаться. Оптимальная энергия равна примерно 100 эВ.

Схема установки ионного распыления представлена на рис. 4.2. Из под колпака 1 откачивают атмосферу до давления 10–6…10–7 мм рт. ст., затем через штуцер 6 вводят рабочий газ до рабочего давления. При подаче рабочего напряжения на распыляемый катод 4, соединенный через изолятор 5 с источником высокого напряжения, между катодом и анодом 2 с закрепленной на нем подложкой 3 зажигается аномальный тлеющий разряд. Его специфика такова, что в пространстве около катода образуется настолько сильное электрическое поле, что положительные ионы газа, бомбардируя катод, разрушают его, выбивая из него нейтральные атомы. Энергия атомов оказывается достаточной для пересечения разрядного промежутка и осаждения на подложку. Причем этот процесс не связан с высокой температурой (происходит фактически при комнатной температуре) и позволяет распылять самые тугоплавкие вещества и химические соединения, однако не позволяет получать непроводящие диэлектрические пленки. Бомбардируя мишень, ионы выбивают из нее атомы, часть которых попадает на подложку и, конденсируясь, образует пленку.

207

К преимуществам метода следует отнести небольшой расход материала, так как распыляемый материал катода осаждается только на подложке, а не во всем объеме камеры, как при методе ТВН.

К недостаткам метода относятся:

– невозможность прямого нанесения диэлектрических пленок, так как распыляемый катод должен быть проводящим;

– наличие загрязнений из-за невысокого вакуума и контакта рабочей среды с подложкой;

– эрозия и разрушение катода вследствие его распыления.

Этих недостатков лишен метод ионно-плазменного распыления.

Ионно-плазменное распыление. Для уменьшения загрязнений необходимо уменьшать давление рабочего газа в камере, при этом будет уменьшаться и число ионизирующих столкновений электронов с атомами и плотность ионов в разряде. Это можно компенсировать введением дополнительного источника электронов и превращения разряда

внесамостоятельный. Наиболее простой способ – применение источника термоэлектронной эмиссии, при этом разряд обеспечивается даже

ввысоком вакууме. В отличие от катодного распыления, этот процесс осуществляется в трехэлектродной системе, поэтому иногда его называют триодным распылением (рис. 4.3).

Метод ионно-плазменного распыления отличается от метода ионного распыления тем, что между мишенью 5 (с нанесенным на нее слоем распыляемого вещества) и подложкой 1 зажигается независимый несамостоятельный газовый разряд 8. Для него характерно наличие стороннего источника электронов в виде накаливаемого катода 4 (с независимым источником накального напряжения 3). Раз-

ряд характеризуется низкими рабочими напряжениями (десятки вольт) и низким давлением рабочего газа (10–3…10–4 мм рт. ст.).

208

Возникают трудности при распылении диэлектрических материалов, так как на мишени образуется положительный заряд, отталкивающий ионы. Для преодоления этих трудностей применяют высокочастотное ионно-плазменное напыление, заключающееся в подаче на мишень совместно с постоянным отрицательным потенциалом высокочастотного (около 15 кГц) переменного напряжения с амплитудой, незначительно превышающей постоянный отрицательный потенциал. При этом большую часть периода результирующий потенциал является отрицательным, идет процесс распыления мишени и накопления положительного заряда. Во время небольшой части периода потенциал является положительным и мишень бомбардируется электронами плазмы, энергия которых для распыления недостаточна, однако накопившийся заряд они снимают. Добавление к рабочему газу газа-реагента позволяет реализовывать реактивное ионно-плазменное напыление и получать окислы, гидриды, нитриды и прочие соединения аналогично методу ионного распыления.

Если к рабочему инертному газу добавить кислород и бомбардировать поверхность металлической пленки, находящейся под положительным потенциалом, то отрицательные ионы кислорода будут окислять металлическую пленку. Этот процесс называется анодированием. С его помощью получают самые высококачественные пленки металлических окислов. По мере роста окисной пленки ток в цепи анода уменьшается, что вызывает необходимость повышения питающего напряжения, и процесс анодирования протекает при более высокой напряженности поля в окисной пленке, что повышает ее электрическую прочность.

Электроны плазмы имеют гораздо большие скорости теплового движения, чем ионы, поэтому поверхности мишеней, соприкасающиеся с плазмой, заряжаются отрицательно. Величина этого разряда растет при подаче на электроды высокочастотного напряжения. Действительно, когда положительный заряд на каком-либо электроде оказывается больше отрицательного заряда на мишени, поле будет направленно от мишени к газу и на мишень пойдет дополнительный поток электронов. Остальную часть периода к мишени бу-

210