Раздел 2. Ионное (катодное) распыление.

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 газа (если энергия электронов, ускоренных электрическим полем, достаточна для перехода электрона атома газа с уровня валентной зоны в зону проводимости) и рекомбинация ионов газа (происходит 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. Известно около десяти различных разновидностей газового разряда, основные из которых:

1. Несамостоятельный разряд - осуществляется только при наличии внешнего источника ионизации, в качестве которого могут выступать естественные ионизаторы (космические и солнечные лучи, естественная радиация) и внешние - в виде накала или освещения катода для стимулирования электронной эмиссии.

2. Самостоятельный разряд - продолжается после удаления внешнего ионизатора или возникает спонтанно за счет непрерывного образования носителей заряда в процессе разряда.

3. Нормальный тлеющий разряд. В этом случае все пространство между катодом и анодом заполняется газовой плазмой - смесью атомов, ионов газа и свободных электронов. Вблизи катода образуется избыточный положительный заряд ионов. Между ним и отрицательным катодом создается основная часть падения напряжения. На этом участке положительные ионы получают большое ускорение и бомбардируют катод, вызывая с его поверхности электронную и атомную эмиссию. Эта область характеризуется наиболее интенсивной ионизацией и рекомбинацией, что приводит к ее свечению.

4. Аномальный тлеющий разряд. После того, как вся площадь катода при нормальном тлеющем разряде занята разрядом, дальнейший рост разрядного тока возможен лишь при повышении интенсивности процессов ионизации на катоде, для чего необходимо увеличение катодного падения напряжения. Разряд переходит в аномальный тлеющий разряд. Увеличение плотности тока в аномальном тлеющем разряде связано с бомбардировкой катода быстрыми ионами и нейтральными атомами и фотоэлектронной эмиссией с катода под действием ультрафиолетового излучения из катодных участков разряда. При этом область тлеющего свечения увеличивается, а яркость возрастает.

6

1

3

2

4

5

Рис.2.2. Схема ионного

распыления

Возможность существования тлеющего разряда определяется длиной свободного пробега электронов. Если она слишком мала, то за время разгона электрон не успевает приобрести достаточную для ионизации энергию. Если слишком велика, то вероятность ионизирующих соударений слишком мала для поддержания разряда. Длина свободного пробега определяется в свою очередь давлением рабочего газа в камере. Интенсивная бомбардировка катода ионами при тлеющем разряде приводит к эмиссии с его поверхности нейтральных атомов, которые при определенных условиях могут осаждаться на аноде, что впервые наблюдал в 1852 г. Гроув. Этот процесс называется ионным или катодным распылением. Схема установки для реализации этого процесса представлена на рис.2.2. Из под колпака 1 откачивают атмосферу до давления 10^-6-10^-7 Торр, затем через штуцер 6 вводят рабочий газ (чаще всего аргон) до рабочего давления. При подаче рабочего напряжения на распыляемый катод 4, через изолятор 5 соединенный с источником высокого напряжения, между катодом и анодом 3 с закрепленной на нем подложкой 2 зажигается аномальный тлеющий разряд. Его специфика такова, что в пространстве около катода образуется настолько сильное электрическое поле, что положительные ионы газа, бомбардируя катод, его разрушают, 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 и позволяет распылять самые тугоплавкие вещества и химические соединения, однако не позволяет получать непроводящие диэлектрические пленки.

Это ограничение устраняется при использовании реактивного ионного распыления, суть которого состоит в добавлении к инертному рабочему газу небольшого количества активного газа, образующего химические соединения с атомами распыленного материала катода. Добавление кислорода позволяет получать окислы, водорода - гидриды, азота - нитриды, моноокиси углерода - карбиды.

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

К недостаткам метода следует отнести наличие загрязнений из-за невысокого вакуума и контакта рабочей среды с подложкой; низкую скорость распыления и основное - эрозию и разрушение катода вследствие его распыления. Этих недостатков лишен метод ионно-плазменного напыления.