Основные типы систем термоионного осаждения

Термоионное осаждение является общим термином, применяемым к конденсации тонких пленок и покрытий из плазмы паров твердофазных веществ в вакууме [6].

Процесс термоионного осаждения осуществляется путем изменения фазового энергетического состояния исходного вещества:

[твердая или жидкая фаза] —> [пар] —> [ионизированный газ] —> [ускоренный поток ионов пара или плазмы] —> [твердая фаза].

Изменение фазового или энергетического состояния можно проводить с помощью отдельных узлов термоионного устройства (испарителя, ионизатора и ускорителя) или параллельно.

Конструктивное решение зависит от следующих условий: способа нагрева испаряемого вещества, его температуры, испарения и теплопроводности, массы навески, общей и удельной мощностей, подводимых к испаряемому материалу, режима нагрева (стационарного или импульсного), степени ионизации пара и энергии бомбардирующих частиц.

По способу нагрева устройства могут быть условно разделены на испарители с распределенным и локализованным нагревами, распределенный стационарный нагрев навески испаряемого вещества достигается обычно при удельной мощности (Q_n =10⁴ - 10¹¹ Вт/см²) в виде электронного или лазерного луча.

В процессе термоионного осаждения вещество попадает на подложку в виде двух компонентов, переносящих массу, - атомов и ионов. Энергия конденсирующихся атомов Еа определяются температурой тигеля Т_и и равна

Е_а =3/2 К Т_и n₀,

где К - постоянная Больцмана;

n_o - количество частиц пара, конденсирующихся на единицу

площади в единицу времени.

Энергия, передаваемая однократно заряженными ионами, равна

Е_и = n_и×е×U_cm,

где n_и - количество ионов, бомбардирующих единицу площади

в единицу времени;

е - заряд электрона;

U_cm - потенциал в пространстве подложка - граница плазмы.

Для характеристик систем термоионного осаждения служит фактор энергетической активации [7], равный

Ф_э = (Е_и + Е_а) / Е_а.

Это соотношение показывает, во сколько раз энергия конденсации с участием ионов больше, чем энергия обычной конденсации. В общем случае Е_а << Е_и, поэтому отношение энергии можно заменить отношением плотностей потока ионов и частиц пара на поверхности подложки n_и / n₀ и средним напряжением, ускоряющим ионы [8]:

Ф_э=6,3×10^-3 n_и×U_cm / Т_и n₀,

где U_cm измеряется в В, а Т_и в К.

Средняя энергия частиц пара при температуре около 2000 К составляет 0,2 эВ. Средняя энергия ионов при термоионном осаждении лежит в пределах от 50 до 5000 эВ. В связи с этим для ЭЛИ Ф_э = 1, при распылении Ф_э = 2-50 (средняя энергия ионов от 2 до 20 эВ, давление 5 Па). При термоионном осаждении фактор энергетической активации изменяется в пределах от 1,2 до 2500. Большое влияние на величину Ф_э оказывает U_cm и особенно отношение ионного потока к потоку пара. Изменяя отношение потока ионов к потоку пара n_и / n₀ [7].

Схематическое изображение систем термоионного осаждения приведено на рис. 1. Устройства ионного осаждения в газоразрядной плазме включают в себя два основных узла: термический испаритель материала напыляемой пленки и разрядную систему диодного типа. Нагрев испаряемого вещества производится резистивным испарителем (рис. 1а), а электронно-лучевой с применением газоразрядной пушки с полым катодом (рис. 1б) или с отклонением пучка на 270° в секторном магнитном поле (рис. 1в).

В устройстве, изображенном на рис. 1в, применена разделительная диафрагма с отверстием для ввода первичного электронного пучка в зону газового разряда с давлением рабочего газа около 1 Па.

Процесс конденсации в газоразрядной плазме осуществляется следующим образом. После откачки вакуумной камеры на высокий вакуум, прогрева и обезгаживания испарителей в камеру напускается рабочий газ до давления, обеспечивающего зажигание газового разряда в области подложка - испаряемый материал (10^-1 - 10¹) Па. На подложку подается отрицательное относительно испаряемого материала напряжение разряда U_p = 2 - 5 кВ. В результате бомбардировки поверхности подложки ионами и полученными перезарядкой быстрыми нейтральными атомами и атомами инертного газа происходит ее очистка от загрязнений.

Рис. 1. Схематическое изображение устройств ионного осаждения:

А - анод ЭЛИ; Т - тигель; К - катод ЭЛИ;

ЭМ - электромагнит; П - подложка; Кл - кластер;

U_cm - напряжение смещения; U_ип - напряжение на ионизаторе пара;

U_р - разряд в парах или газе; ě - электронный луч.

После удаления поверхностных загрязнений без включения напряжения разряда начинается прогрев и испарение распыляемого материала. В этом случае конденсация пленки проводится без перерыва во времени после очистки поверхности подложек, что способствует повышенной адгезии между подложкой и пленкой.

Метод ионного осаждения в газоразрядной плазме нашел широкое применение при изготовлении антикоррозийных, теплозащитных, декоративных покрытий и пр. В качестве материалов покрытий используются металлические слои, окислы, нитриды, образующиеся конденсацией пленок в среде реактивного газа [1, 4, 5].

Методы ионного осаждения в газоразрядной плазме позволяют достигать высоких значений тепловой и энергетической активации за счет изменения внешних характеристик двухэлектродного разряда (U_p, j_p) [6]. Однако эти методы не обеспечивают необходимого фактора Ф_r при получении конденсатов с наиболее низким уровнем примесей.

Внедряющиеся в решетку материала пленки быстрые ионы и атомы инертного и реактивного газов остаточной вакуумной среды составляют обычно несколько процентов, что недопустимо при получении тонких пленок для микроэлектроники.

Энергетическая активация процесса конденсации при осаждении из газоразрядной плазмы происходит, в основном, за счет нейтральных атомов рабочего вещества, образующихся в темном катодном пространстве тлеющего разряда.

По теоретическим оценкам [7] они передают подложке в 6 раз больше энергии, чем ионы. При напряжении разряда 4 кВ энергия бомбардирующих подложку нейтральных атомов газа составляет 100 - 400 эВ со средним значением около 200 эВ. Нейтральные атомы с энергией 200 – 400 эВ эффективно внедряются в решетку материала пленки на поверхности раздела фаз.

Поэтому для получения пленок с низким уровнем примесей газов в условиях предварительной откачки камеры до давления 10^-4 - 10^-5 Па наиболее целесообразно осаждение пленок производить высоковакуумными методами ионного осаждения, то есть энергетическую активацию поверхности производить не частицами газа, а частицами испаряемого материала (рис. 1г, д, е, з).

Для повышения фактора энергетической активации используют дополнительную ионизацию пара: аксиальные магнитные поля (рис. 1г), дуговой разряд Пеннинга в парах металла с применением скрещенных электрических и магнитных полей (рис. 1д), высокочастотный заряд в парах испаряемого материала. В таких устройствах отношение потоков ионизированного к общему достигает 50% и более [8, 10].

Для ионного осаждения может применяться и автономный ионный источник. Сформированный в ионном источнике и ускоренный до 5 - 10 кэВ пучок может применяться не только для активации процесса конденсации, но и для ионного легирования материала пленки (рис. 1ж) [9,11,13].

В зарубежном оборудовании применяется метод кластерного осаждения [9]. Испаряемый материал нагревается внутри герметического тигеля, имеющего в верхней крышке небольшое отверстие (несколько миллиметров в диаметре). Давление перегретого пара внутри тигеля 1 - 10 Па, давление в зоне напыления - менее 10^-2 Па. В результате адиабатического расширения перенасыщенного пара атомы группируются в кластеры, состоящие 10² - 10³ атомов. Кластеры ионизируются электронным пучком, формируемым накаливаемым катодом К и анодом А. Ионизированные кластеры ускоряются потенциалом смещения подложки.

При столкновении с подложкой кластеры распадаются на отдельные атомы, мигрирующие по поверхности до их закрепления на центрах адсорбции. Напряжение смещения составляет 3 - 10 кэВ, на один атом приходится энергия 30 - 100 эВ. Характерной особенностью метода ионизированных кластеров является малое отношение заряда к массе, то есть при осаждении на плохо проводящие подложки не возникает проблемы накопления поверхностного заряда. Второе преимущество состоит в том, что подложка легко экранируется от теплоизлучения из испарителя, и это снижает ее нагрев.