2.2. Перенос распыляемого материала от мишени к поверхности конденсации

Процесс переноса распылённого материала от мишени до поверхности конденсации зависит от средней энергии распылённых частиц, их углового распределения, давления рабочего газа, расстояния между распыляемой и приёмной поверхностями, а также от наличия электрических и магнитных полей, определяющих движение ионизированных атомов распылённого материала.

Средняя энергия распылённых частиц в области энергий, обычно используемых при распылении 0.55 кэВ, лежит в диапазоне от 10 до 100 эВ. При наклонном падении ионов энергия распылённых частиц возрастает, в то время как при уменьшении массы бомбардирующих ионов и атомов распыляемого материала энергия частиц уменьшается.

С увеличением давления рабочего газа увеличивается вероятность возвращения распылённых атомов на мишень в результате процессов обратной диффузии и обратного рассеяния (отражения). Первый случай реализуется, когда средняя кинетическая энергия распылённых частиц равна средней кинетической энергии атомов инертного газа. При значительных различиях в кинетических энергиях соударяющихся частиц происходит обратное рассеяние. Поэтому на практике для выбора оптимального технологического режима очень важно уметь оценивать давление газа, при котором реализуется тот или иной механизм переноса вещества.

Давление газа, при котором имеет место обратная диффузия или обратное рассеяние можно оценить по формуле [3]:

, (3)

где - давление газа, приведённое к T=273 K; - средняя длина направленного пробега распылённых атомов при p= 1 Па; d - расстояние от поверхности мишени до поверхности конденсации.

Если масса распылённых частиц меньше массы атомов рабочего газа, то основным процессом, определяющим возвращение частиц на мишень в области , является обратное рассеяние. В области распылённые частицы возвращаются на мишень, как за счёт обратного рассеяния, так и за счёт обратной диффузии.

2.3. Формирование плёнки на подложке

Из круга проблем по процессам ионно-химического осаждения эпитаксиальных плёнок наибольшего внимания заслуживает изучение процессов на подложке, определяющих совершенство слоёв.

Различают две стадии поверхностных процессов: переход вещества в адсорбционный слой и встраивание непосредственно в решётку. В адсорбционном слое происходят миграция и соударение атомов и молекул, образование ассоциаций и зародышей. Кроме того, при ионно-химическом осаждении процессы протекают в неравновесных условиях при больших пересыщениях и непрерывной бомбардировке поверхности роста частицами высоких энергий. Все это создаёт дополнительные трудности для теоретического рассмотрения вышеперечисленных явлений. Поэтому обычно условия роста подбирают эмпирически. При этом управляемыми параметрами процесса, определяющими концентрацию вещества в адсорбционном слое, являются плотность потока вещества, падающего на поверхность, или концентрация кристаллизуемого вещества в объёме среды. Критериями при выборе параметров процесса кристаллизации обычно служат различные характеристики получаемых плёнок. Наиболее распространены и объективны критерии химического состава и структурного совершенства выращенных слоёв. Это отвечает потребностям практического использования. Чаще всего требуются монокристаллические бездефектные плёнки заданного состава с гладкой поверхностью.

Интервалы допустимых пересыщений сильно зависят от чистоты среды и подложки. В связи с этим отмечается существование температуры эпитаксии - так называют предельно низкую температуру, при которой ещё возможен упорядоченный рост вещества для данной степени чистоты. Максимальное пересыщение, при котором ещё возможно упорядочение, тем выше, чем интенсивнее миграция атомов и чем выше активность поверхности. Высокая активность поверхности позволяет одновременно присоединиться к растущему слою большему числу атомов, а интенсивная миграция - быстро переместиться в нужное положение атомам, неправильно встроившимся в решётку. И миграция, и создание активных мест на поверхности носят активационный характер и, следовательно, в сильной степени зависят от температуры.

Ионно-химическое осаждение характеризуется сложным составом потока вещества к поверхности роста и особенностями в распределении частиц по энергиям. Ионное воздействие при кристаллизации неизбежно приводит к одновременному протеканию различных процессов, в том числе и конкурирующих между собой. Создавая условия для преимущественного проявления какого-либо из них или совокупности процессов, можно существенно влиять на формирование слоёв. Так, наличие среди конденсирующихся частиц ионов и атомов с энергиями свыше 150 эВ приводит к разрыву связей и распылению атомов плёнки. Частицы с энергиями до 20 эВ могут распылять с поверхности подложки атомы примесей, ионы с энергией до 1 эВ создают заряженные дефекты, активированные центры роста, а ещё более медленные ионы только активируют поверхностную миграцию атомов и их конденсацию. Кроме того, ионный пучок “энергетически подпитывает” процессы диффузии и может стимулировать фазовые переходы.

Таким образом, в процессах роста два фактора: температура подложки и энергия распылённых частиц являются определяющими при структурообразовании в осаждённых ионным распылением плёнках, так как они обуславливают способность конденсирующейся частицы встраиваться в кристаллическую решётку растущего слоя.

Дополнительно следует учитывать процессы, связанные с разложением и ионизацией молекул химически-активного газа. Этап ионизации в зависимости от способа подвода энергии и ее плотности может происходить с одновременным разложением молекул в результате ион-молекулярных и ион-ионных столкновений, а также при столкновении с поверхностью твёрдого тела.

Итак, метод ионно-химического осаждения обладает целым комплексом активных воздействий на среду осаждения с созданием условий для ориентированного (упорядоченного) роста слоёв.