Расчет коэффициента распыления

Лабораторная работа № 3. Ионно-плазменное нанесение пленок

Цель работы: ознакомление с физическими закономерностями процесса нанесения пленок, устройством и особенностями эксплуатации установки ионно-плазменного нанесения, проведение нанесения металлических пленок, измерение сопротивления и расчет толщины пленок.

Основные понятия и соотношения

Поток частиц вещества при данном методе генерируется за счёт физического распыления материала мишени-катода при бомбардировке его ионами плазмы рабочего газа, ускоренными до высоких энергий. Одним из важнейших отличий ионно-плазменного распыления от вакуумного термического испарения является высокая энергия распыленных частиц (3-5 эВ) по сравнению с испаренными (0,15 эВ при Тисп ~ 2000 К), что позволяет осаждающимся частицам частично внедряться в подложку, обеспечивая высокую адгезию пленки к подложке.

В процессе внедрения в твёрдое тело и замедления ион передаёт энергию частицам вещества. Различают три основных механизма такой передачи:

- взаимодействие с электронами наружных оболочек атома вещества,

- взаимодействие с ядрами атомов вещества,

- обмен зарядами ионов и атомов вещества (перезарядка).

При электронном взаимодействии происходит возбуждение и ионизация атомов мишени. Так как плотность электронов в веществе высока, то процесс взаимодействия можно считать непрерывным на всем пути иона.

Ядерные взаимодействия можно рассматривать как упругие соударения двух частиц. При высоких энергиях, когда столкновение сводится к кулоновскому взаимодействию, происходит резерфордовское рассеяние. Для средних энергий процесс представляется как экранированное кулоновское взаимодействие, а при малых - характер взаимодействия становится более сложным.

Процесс обмена зарядами наиболее эффективен при энергии иона порядка 10 кэВ, когда его скорость сравнима с «боровской» скоростью электрона (2х10⁶ м/с).

Для получения потока ускоренных ионов газа и практической реализации процесса распыления используются разные технические подходы:

- распыление в диодных системах на постоянном токе (катод разрядного промежутка изготовлен из распыляемого материала),

- триодные системы распыления с разрядом с нагретым катодом и вспомогательным анодом,

- тетродные системы распыления, в которых для улучшения условий зажигания разряда у катода установлен дополнительный электрод,

- установки с автономным источником ионов,

- высокочастотные распылительные системы,

- магнетронные системы распыления.

Системы двух последних типов позволяют распылять не только тугоплавкие металлы, но и многокомпонентные сплавы, диэлектрики, полупроводники, т.е. практически все материалы.

Ионно-плазменное нанесение обладает целым рядом достоинств, таких как:

- возможность получения пленок тугоплавких и неплавящихся материалов,

- сохранение стехиометрического состава пленок при осаждении

- высокая энергия осаждаемых частиц

- возможность получения пленок различных соединений (например, окислов или нитридов) при введении в газоразрядную плазму химически активных (реактивных) газов;

В ионно-плазменном процессе распыляемая мишень и подложка находятся непосредственно в газоразрядной плазме. Поэтому формирование пленок в процессе ионно-плазменного нанесения протекает в сложных условиях из-за сравнительно высокого рабочего давления (до ~ 10 Па), неопределенности энергии ионов и распыленных частиц.

Ионно-плазменный процесс нанесения пленок можно разделить на три основных этапа:

- распыление материала мишени,

- перенос распыленного материала в пространстве мишень – подложка,

- осаждение материала на подложке.

Расчет коэффициента распыления

При распылении материала мишенипроисходит передача кинетической энергии бомбардирующего иона атомам твердого тела и последующий вылет через поверхность тех частиц, энергия которых достаточна для преодоления поверхностных сил со стороны твердого тела.

Эффективность распыления характеризуют коэффициентом распыления K, который определяется как среднее число атомов, удаляемых с поверхности твердого тела одним бомбардирующим ионом. Для характеристики распыления многокомпонентных материалов используют парциальные коэффициенты распыления отдельных компонентов.

Величина коэффициента распыления зависит от многих факторов: энергии иона, типа бомбардирующих атомов, распыляемого материала, давления рабочего газа, угла падения ионов, температуры мишени и т.д. При малых энергиях существует порог возникновения распыления. Далее коэффициент возрастает и достигает максимума. При очень высоких энергиях он снова падает, так как энергия иона выделяется глубоко и получивший её ион мишени не может выйти наружу.

Для энергии значительно меньшей Е граничное, теория даёт соотношение:

, (1)

где - энергия бомбардирующего иона,

- энергия связи атомов поверхности (теплота сублимации),

m₁, m₂ – масса бомбардирующего иона и атома мишени, соответственно,

- функция отношения m₂/m₁, значения которой приведены на рисунке 1. Там же приведены величины энергии связи для некоторых материалов.

Зависимость коэффициента распыления от энергии, даваемая приведенным выше соотношением, линейна и справедлива в области малых энергий. Величина пороговой энергии рассчитывается по соотношению:

. (2)

В области энергий, превышающих некоторую граничную энергию E_гр, зависимость носит более сложный характер.

. (3)

, (4)

где N- концентрация атомов в твёрдом теле, S_n - ядерная тормозная способность.

, (5)

где - диэлектрическая постоянная,

- приведенное ядерное тормозное сечение,

- приведённая энергия ионов, определяемая выражением:

. (6)

Для 0,05< <10 для определения приведённого ядерного тормозного сечения можно использовать соотношение:

. (7)

В широком диапазоне значений её величину можно найти по таблице:

	0,002	0,02	0,2	0,4
	0,12	0,261	0,403	0,405	0,356	0,291	0,128	0,0493

Возрастание коэффициента с увеличением отношения масс m₂/m₁обусловлено в основном увеличением вклада случаев рассеяния на большой угол при уменьшении массы иона, в результате чего часть каскадов столкновений сосредоточена вблизи поверхности.

При m₂/m₁ < 1 ион движется в твердом теле практически прямолинейно, и большинство столкновений в каскаде происходит далеко от поверхности, откуда выход атомов в вакуум затруднен. Следовательно, при равных удельных энергетических потерях легкие ионы распыляют мишень с большей эффективностью, чем тяжелые.

Зависимость коэффициента распыления от угла падения ионов (вплоть до ~ 70о) в общем случае имеет вид:

. (8)

Обычно показатель степени f равен 5/3. Однако для легких ионов при выполнении условия m₂/m₁>> 1 наиболее хорошее соответствие с экспериментальными результатами дает зависимость 1/cos .

Температура мишени практически не влияет на распыление при температурах, далеких от точки плавления. Однако, сильный разогрев приповерхностной области распыляемой мишени за счет ионной бомбардировки способствует усилению диффузионных процессов.

Частицы, удаляемые из твердого тела при распылении, - это преимущественно нейтральные атомы, некоторую долю которых составляют конгломераты атомов (кластеры), а также ионы. При ионной бомбардировке по нормали к поверхности аморфных и поликристаллических мишеней пространственное распределение распыленных частиц в первом приближении подчиняется закону косинуса:

Однако, как показывает эксперимент, пространственное распределение распыленных частиц зависит от энергии бомбардирующих ионов. При низких энергиях ионов ( < 1 кэВ) наблюдается так называемое «подкосинусное» распределение, т.е. большее по сравнению с законом косинуса число частиц распыляется вдоль поверхности и меньшее – по нормали к ней. При энергиях ионов > 10 кэВ преимущественное распыление происходит в направлении нормали к поверхности – так называемое «надкосинусное» распределение.

Энергетический спектр распыленных частиц зависит от вида распыляемого материала, угла эмиссии распыленных частиц и слабо зависит от энергии бомбардирующих ионов. Максимум в энергетическом распределении распыленных частиц соответствует энергии между половинным и полным значениями поверхностной энергии связи материала мишени.

Средняя энергия распыленных частиц на 1 – 2 порядка выше энергии испаренных частиц. Некоторое возрастание средней энергии распыленных частиц наблюдается с ростом энергии бомбардирующих ионов до значений ~ 1 кэВ, но при дальнейшем увеличении энергии ионов вид энергетического спектра распыленных частиц остается практически неизменным.

В качестве рабочего газа – источника ионов, бомбардирующих мишень, обычно используют аргон. Присутствие в аргоне примесей, таких как кислород, двуокись углерода, пары воды и вакуумного масла приводит к значительному снижению скорости распыления вследствие образования на поверхности мишени пленок химических соединений, особенно окислов.