Лабораторная работа №4. Катодное распыление

Цель работы

1. Изучение механизма распыления поверхности мишени потоком ионов.

2. Расчет зависимости коэффициента распыления кремния от энергии ионов примеси.

Введение

Катодное распыление представляет собой один из ионно-плазменных методов получения тонких пленок. Распыляемая мишень является катодом в камере, где создается самостоятельный тлеющий разряд. Образующиеся при этом ионы газа (обычно инертного) бомбардируют поверхность мишени, распыляемые атомы осаждаются на подложку.

Для описания процессов физического распыления используют модели, основанные на двух механизмах. Согласно первому механизму распыленные атомы возникают в результате сильного локального разогрева поверхности мишени самим падающим ионом (модель “горячего пятна”) или быстрой вторичной частицей (модель “теплового клина”). Второй механизм состоит в передаче импульса падающего иона атомам решетки материала мишени, которые, в свою очередь, могут передавать импульс другим атомам решетки, вызвав тем самым каскад столкновений (модель столкновений).

В случае, когда поверхностный атом получит энергию, достаточную для разрыва связи с ближайшими соседями, и импульс будет направлен в сторону паровой фазы, атом перейдет в паровую фазу. При этом направление полета атома должно соответствовать направлению полученного им импульса. Очевидно, что при нормальном падении ионного пучка на мишень распыление может происходить только при последовательных вторичных столкновениях.

Основной характеристикой эффективности процесса распыления является коэффициент распыления К_р, определяемый отношением количества выбитых атомов N_ат к количеству бомбардирующих мишень ионов N_ион:

По существу коэффициент распыления представляет собой среднее число атомов мишени, выбитых одним ионом.

Рис. 4.1. Зависимость коэффициента распыления металлов от энергии ионов.

Коэффициент распыления зависит от энергии иона, его массы (рода рабочего газа), материала мишени и, в некоторой степени, от ее температуры и состояния поверхности, а также от угла падения и давления газа в газоразрядной камере. Он увеличивается с ростом энергии и достигает насыщения (возможно даже с последующим снижением) при энергиях порядка нескольких десятков килоэлектронвольт, так как увеличение глубины проникновения ионов в мишень не сопровождается соответствующим ростом потерь энергии ионов вблизи ее поверхности. На рис. 4.1. представлены зависимости коэффициента распыления от энергии ионов для различных материалов мишени.

Зависимость коэффициента распыления от температуры, как правило, невелика и носит сложный характер. Она определяется процессами, изменяющими структуру мишени при ее нагреве. Если при нагреве происходит отжиг дефектов, восстанавливающий кристаллическую структуру решетки, то коэффициент распыления уменьшается. Если структурных изменений не происходит, то коэффициент распыления может незначительно увеличиваться.

Зависимость коэффициента распыления от угла падения носит немонотонный характер с максимумом в диапазоне углов от 30˚ до 60˚. При нормальном падении K_р пропорционален энергии, рассеиваемой ионом в приповерхностном слое вещества, в пределах которого упругие столкновения с атомами приводят к распылению. С увеличением угла падения число смещенных атомов, достигающих поверхности и способных покинуть кристалл, увеличивается, так как область смещений располагается под малым углом к поверхности (рис. 4.2). Увеличение угла от 60˚ до 90˚ приводит к падению коэффициента распыления до нуля вследствие преобладания отражения ионов от поверхности.

Увеличение давления рабочего газа повышает вероятность столкновения распыленных атомов с молекулами газа, в результате чего часть атомов рассеивается в объеме камеры или возвращается на мишень, снижая тем самым коэффициент распыления. Присутствие в газоразрядной камере помимо основного инертного газа других газов (фоновая атмосфера) может уменьшить коэффициент распыления из-за образования на поверхности мишени химических соединений (оксидов, нитридов и т. д.).

Рис. 4.2. Модель распыления, объясняющая зависимость

коэффициента распыления от угла бомбардировки.

Согласно модели, описывающей механизм катодного распыления, коэффициент распыления для изотропных мишеней определяется выражением:

.

Здесь E – энергия бомбардирующих мишень ионов; N – концентрация атомов мишени. Коэффициент K₀ зависит от заряда ядра бомбардирующих ионов z₁ и атомов мишени z₂ и периодически изменяются с изменением z₂:

при

см,

при

см.

Концентрацию атомов мишени N можно рассчитать по формуле:

где ρ и М – плотность и молярная масса материала мишени соответственно; N_A – число Авогадро.

Сечение экранирования , гдеa – радиус экранирования, рассчитываемый по формуле:

см.

Нормирующий коэффициент энергии F определяется по формуле:

,

где M₁ и M₂ – молярные массы бомбардирующих ионов и атомов мишени соответственно. E_m – это энергия соответствующая максимуму в зависимости K(E). Она связана с нормирующим коэффициентом энергии F соотношением . Энергия сублимациидля ряда элементов приведена в таблице 4.1.

Таблица 4.1. Энергия сублимации для некоторых металлов

Элемент	Al	Si	Ti	Cr	Ni	Cu	Ta	W	Au
Es, эВ	3,26	3,91	4,34	3,68	4,42	3,56	8,70	8,76	3,92

ЗАДАНИЕ

1. Получить у преподавателя исходные данные для расчета: материал мишени, тип ионов.

2. Рассчитать зависимость коэффициента распыления мишени от энергии ионов.

3. Определить энергию, соответствующую максимуму зависимости K(E).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Сущность метода катодного распыления.

2. Объяснить процесс образования газоразрядной плазмы.

3. Объяснить зависимость коэффициента распыления от различных технологических факторов (тип и энергия ионов, материал мишени, угол бомбардировки, температура, давление газа).

4. Ионно-плазменные методы получения тонких пленок (высокочастотное, магнетронное, реактивное распыление).

ЛИТЕРАТУРА

1. Курносов А. И., Юдин В. В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. – М.: Высш. шк., 1986. – С. 238-246.

2. Черняев В. Н. Физико-химические процессы в технологии РЭА. – М.: Высш. шк., 1987. – С. 212-230.

3. Парфенов О. Д. Технология микросхем. – М.: Высш. шк., 1986. – С. 209-225.

4. Смирнов В. И. Физико-химические основы технологии электронных средств. Учебное пособие. – Ульяновск: УлГТУ, 2005. – С. 79- 89