1.1.2. Диодная система

Диодные системы (рис. 1.3.б) являются наиболее простыми в конструктивном исполнении и состоят из катода - мишени, анода и подложки. Все элементы размещены в рабочем камере, в которой предварительно достигается вакуум 10^-3…10^-4 Па. Катод - мишень находится под отрицательным потенциалом относительно заземленного анода. В рабочую камеру напускается инертный газ до давления 1.0…10 Па, поэтому пробивная напряженность электрического поля в таком промежутке составляет около 0.5 кВ/см. Для расстояний между анодом и катодом (3…8)·10^-2 м напряжение необходимое для электрического пробоя и зажигания аномального тлеющего разряда составляет 1…5 кВ.

Приобретая в электрическом поле энергию, электроны с катода-мишени устремляются в сторону анода, ионизируя по пути атомы газа, в результате чего происходит лавинообразное нарастание потока электронов к аноду и ионов к катоду. Вследствие этого резко повышается проводимость газового промежутка, возрастает ток и снижается напряжение. Возникающий при этом разряд стационарен лишь при условии, если с катода в разрядный промежуток поступает достаточное количество электронов для поддержания концентрации электронов и ионов в разряде.

По достижении катода ионы рекомбинируют с электронами, поступающими на катод из внешней цепи. Освобождающаяся при этом энергия достаточна чтобы вызвать эмиссию электрона с поверхности катода, а при определенной кинетической энергии ионы способны обеспечить распыление материала катода. Вторичные электроны в результате столкновений должны создать такое количество ионов, которое, с одной стороны, компенсировало бы их убыль, а с другой – обеспечивало бы постоянный приток вторичных электронов с катода. Эти условия обеспечивают возникновение тлеющего разряда.

Условия существования разряда накладывают ограничение на выбор технологических параметров. Максимальная скорость испарения при постоянной мощности источника питания разряда достигается при максимальной величине ионного тока на катоде и минимально допустимом значении напряжения в указанном интервале. Для обеспечения такого режима горения разряда необходимо выполнить условие [23]:

,

(1.24)

где p - давление газа; d - межэлектродное расстояние; d_ткп - ширина темного катодного пространства.

В противном случае разряд будет затрудненным, и его токи будут малы.

Поскольку для аргона при U_заж=1…5 кВ независимо от материала электродов pd_ткп = 0.1 Пам [24], то:

.

(1.25)

Увеличение давления рабочего газа повышает вероятность столкновений распыленных атомов с молекулами газа, в результате чего часть атомов не попадает на подложку, а рассеивается в рабочем объеме камеры или возвращается на катод. При этом скорости распыления и осаждения падают.

Аналогичным образом на эти параметры влияет увеличение расстояния между катодом и подложкой. Минимально допустимое значение расстояния должно несколько превышать ширину темного катодного пространства. В противоположном случае вероятность ионизирующих столкновений вторичных электронов резко уменьшается, и разряд станет нестабильным.

Связь между плотностью тока и катодным падением напряжения может быть установлена с помощью обобщённой вольт-амперной характеристики диодной системы распыления [25], где С₁ и С₂ – постоянные зависящие от рода газа и материала катода:

; ,

(1.26)

где А, В – постоянные, определяемые родом газа, для аргона они соответственно равны 10.203 и 176.294; - коэффициент вторичной электронно-ионной эмиссии материала катода; – диэлектрическая постоянная вакуума; b_io=2.133 м²/В∙с – подвижность иона при единичном давлении.

Следует отметить, что начальный участок вольт-амперной характеристики соответствует неустойчивому состоянию разряда, который стационарно существовать не может, поэтому на практике пользуются вторым – аномальным участком (таблица 1.1).

Т а б л и ц а 1.1.

Вольт-амперная характеристика тлеющего разряда

UкС1

20

13

10

8

7.2

6.8

6.4

6

5.2

UкС1

5.2

5.5

7.5

10

13.5

20

20

Наилучшие результаты получаются при использовании следующих соотношений: и .

Экспериментально идентификацию типа тлеющего разряда можно произвести, сравнивая различие между напряжениями возникновения разряда U_заж и разрядным напряжением U_pазр при малых токах. Для затруднённого разряда - эта разность невелика, а аномальный тлеющий разряд при малых токах перейдёт в нормальный, для которого характерно постоянство U_pазр.

Плотность катодного тока j_к и катодное падение напряжения в наибольшей степени определяют основную характеристику диодной системы распыления – скорость распыления катода мишени:

,

(1.27)

где - коэффициент вторичной ионно-электронной эмиссии; j_k – плотность катодного тока; - коэффициент катодного распыления; А – атомная масса материала катода; Na – постоянная Авогадро; – плотность материала катода-мишени.

При вычислении по 1.27 для значения энергии ионов следует брать eU_к eU_p. Ионы, двигающиеся в области катодного падения напряжения из плазмы в сторону катода, участвуют в перезарядке. Это приводит к расширению спектра их скоростей от нулевого до – максимального значения, определяемого падением напряжения U_к. Вместе с тем, плотность энергии, приносимая на катод ионами и нейтралами, образованными в результате перезарядки, сохраняется неизменной и определяется, как . А это приводит к тому, что вычисление по указанной методике даст правильный результат.

Энергетическую эффективность процесса ( ) распыления можно оценить из соотношения:

.

(1.28)

Зная значение и плотность тока разряда , можно определить плотность ионного тока на катод:

,

(1.29)

где S_кат – площадь катода.

С другой стороны, определяется как

.

(1.30)

Электронная температура определяется балансом числа частиц, генерируемых электронами в объеме плазмы, и потоком ионов из плазмы разряда. Для ее определения необходимо решить:

,

(1.31)

где U_i – потенциал ионизации плазмообразующего газа; =0.2…0.4 - относительная площадь, определяющая уход ионов, не попадающих на катод; _i - постоянная в аппроксимации сечения ионизации электронным ударом.

Напряжённость электрического поля по оси положительного столба E_nc определяется из совместного решения уравнений баланса энергии и подвижности:

,

(1.32)

где _i - доля энергии в положительном столбе, идущая на ионизацию и определяется из диаграммы Клярфельда; b_е - подвижность электронов.