2.4. Технологические схемы ионно-химического осаждения

В настоящее время активно применяются две схемы осаждения в зависимости от способа создания активного потока частиц, а именно, физическое и ионно-химическое распыление.

Физическое распыление. Эта технология широко используется для распыления как однокомпонентного материала, так и сложных соединений. При изготовлении мишени в целом требуется обеспечить ее высокую чистоту (99.999), высокую плотность материала, а при использовании спечённой мишени - точность содержания составных компонентов и их равномерное распределение по всему объёму мишени. Распыление проводят обычно в среде инертного газа (Ar, Ne). Однако такой способ в случае распыления мишени сложного состава требует учёта явлений, связанных с наличием в составе мишени частиц нескольких сортов с разной массой, размерами и коэффициентом распыления. Причём, последний может существенно отличаться для каждого из составных компонентов, что, в свою очередь, приводит к “нестехиометрическому” потоку распыляемых атомов. Избежать этого удаётся, если заранее создать избыток по одному из компонентов, обычно более легкораспыляемому.

Другим подходом к созданию “стехиометрического” потока осаждения на подложке является сораспыление из нескольких мишеней. В этом случае мишень состоит из совокупностей мишеней, каждая из которых включает в себя составной элемент синтезируемого вещества. Например, чтобы получить SiC необходимо использовать мишень с областями чистого кремния и углерода в такой пропорции, чтобы получить стехиометрическое соотношение в осаждаемой плёнке. Этот приём позволяет независимо регулировать потоки конденсирующихся частиц и компенсировать различные вероятности образования связей компонентов, хотя точное управление этим процессом не всегда представляется возможным.

Ионно-химическое распыление. Эта технология используется для осаждения различных оксидов (SiO₂), нитридов (AlN, Si₃N₄, TiN) и карбидов (SiC, TiC). В основу способа положено распыление мишени в реакционном газе и протекание реакций с образованием соединений на поверхности мишени, на подложке или в пространстве “мишень-подложка”, где вероятность последнего мала. Два других процесса могут протекать одновременно. Скорость осаждения и доля газовой компоненты в плёнке в сильной степени зависят от изменения потока реакционного газа. Обычно выделяют три области: область малых потоков, область больших потоков и переходная область в которой возникают гистерезисные петли, где зависимость параметров разряда от потока газа становится неоднозначной, и зависящей, к тому же, от направления изменения потока. В этом случае процесс становится нестабильным, что приводит к осаждению слоёв неоднородного состава и с невоспроизводимыми свойствами. Избавиться от этого нежелательного эффекта можно, если вести процесс в условиях повышенных потоков реакционных газов, обеспечивающих образование сплошного слоя соединения на металлических мишенях.

2.5. Экспериментальный и технологический базис ионно-химического осаждения

Метод ионно-химического осаждения имеет множество вариантов технической реализации, которые кратко охарактеризованы в таблице 2.1 [4].

Из приведённых данных следует, что наилучшим сочетанием эксплуатационных и технических параметров для реализации ионно-химического осаждения обладают распылительные системы магнетронного типа.

Принцип действия магнетронной распылительной системы иллюстрирует рис. 3.1.1. Основными элементами устройства являются катод-мишень, анод и магнитная система.

Силовые линии магнитного поля замыкаются между полюсами магнитной системы. При подаче постоянного напряжения между мишенью и анодом возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий разряд. Наличие замкнутого магнитного поля у распыляемой поверхности мишени позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени. Эмиттированные с катода электроны захватываются магнитным полем, и им сообщается сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям у поверхности мишени. Электроны оказываются в ловушке, создаваемой с одной стороны магнитным полем, возвращающим электроны на катод, а с другой - поверхностью мишени, отталкивающей их. В этой ловушке электроны циркулируют до тех пор, пока не произойдёт несколько ионизирующих столкновений, в результате которых электрон теряет полученную от электрического поля энергию.

Таблица 3.1.
Сравнительные характеристики систем плазменного распыления материалов
Характеристики систем	Диодная с плоской мишенью	Диодная ВЧ с цилиндри-ческой мишенью	Триодная	Магнетрон-ная с плоской мишенью
Давление, Па	10	0.5	0.07	0.3
Напряжение на мишени, кВ	35	13	0.51.0	0.40.7
Удельная мощность, Вт/см2	2	5	510	100
Расстояние между мишенью и подложкой, см	10	10	40	5
Скорость осаждения (по меди), нм/с	0.5	0.8	2	30
Температура разогрева подложки, С	250300	250300	70	80
Степень использования материала мишени, %	6080	6080	30	6080

Рис. 3.1.1. Магнетронная распылительная система. Схема планарной магнетронной распылительной системы. 1 – катод-мишень, 2 – магнитная система, 3 – источник питания, 4 - анод, 5 – траектория движения электрона, 6 - зона распыления, 7 - силовые линии магнитного поля.

Таким образом, большая часть энергии электрона, прежде чем он попадает 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 плёнок. Помимо этого магнетронная распылительная система обладает рядом специфических свойств, основными из которых являются снижение рабочего давления, а также отсутствие бомбардировки подложки высокоэнергетическими вторичными электронами.

Наиболее распространённой схемой считается планарная магнетронная система с вертикальным расположением катодного узла. Магнитная система монтируется в водоохлаждаемом держателе и не вносит загрязнений в рабочую камеру. Планарные системы позволяют создать в области распыления высокие плотности тока и достичь скоростей осаждения, сравнимых со скоростями, характерными для методов термического испарения в высоком вакууме.

Схема установки представлена на рис. 3.1.2. Катодный узел крепится на фланце колпака. Напротив мишени на расстоянии 70 мм размещается подогреваемый держатель подложек. Рабочая область ограничивается “квазизамкнутым объёмом”. Газовая смесь подаётся непосредственно к поверхности мишени через трубку. Напуск газов осуществляется через автоматическую систему напуска. Подколпачный объем откачивается до высокого вакуума турбомолекулярным насосом, обеспечивающим предельное остаточное давление 10^-5 Па.

Рис. 3.1.2. Аппаратура для ионно-химического осаждения. Технологическая схема: 1 – распылительная система, 2 – квазизамкнутый объем, 3 - газовая система, 4 – холодный держатель на 10 позиций, 5 - поворотная система, 6 – высокотемпературный нагреватель, 7 – градиентный нагреватель на 8 позиций.