Компоненты

Большое распространение для распыления многокомпонентных систем получил метод реактивного ионного распыления. Свое название он получил в связи с использованием в качестве рабочего газа химически активных газов (в отличие от инертных газов). При ионном распылении элементарных веществ состав паровой фазы с достаточной степенью определяется исходной мишенью. Но при использовании реактивных газов при ионном распылении такая однозначность отсутствует.

Несмотря на то, что в последние годы реактивные методы нанесения покрытий исследовались достаточно интенсивно, остаётся невыясненным до конца ряд вопросов: механизм переноса вещества с мишени на подложку в среде активного газа, механизм формировании диэлектрической плёнки, влияние состава газовой среды и магнитного поля на процесс формирования плёнки.

Исследовался процесс формирования систем металл (полупроводник) - кислород и металл (полупроводник) - азот. Формирование пленок AlN, Al₂O₃, SiO₂, Si₃N₄ проводилось распылением металлической или кремниевой мишени ионами азота, а также аргона и азота или аргона и кислорода. Давление рабочего газа составляло 6,65×10^-1 Па. Парциальное давление кислорода изменялось в пределах 1,5^.10^-3 - 5^.10^-2 Па, давление аргона составляло (4 - 10)^.10^-2 Па, напряжение смещения на мишени было равно 1,3 - 2,0 кВ. В качестве подложек использовались пластины кремния КДБ, КЭФ, собственного высокоомного кремния, а также ситалла и сапфира.

Толщина плёнок измерялась на микроинтерферометре МИИ-4, их состав и структура определялись методом ИК спектрометрии многократного нарушенного полного отражения, электронографически и методом вторично-ионной масс-спектрометрии. Результаты изучения влияния состава газовой среды на скорость роста пленок алюминия, нитрида алюминия и смеси алюминия с нитридом алюминия представлены на рис. 5.

Электронографические и оптические исследования показали, что в областях I и II плёнка состоит из смеси алюминия с нитридом алюминия, а в области III - из чистого нитрида алюминия. Как видно из рисунка, скорость роста плёнки алюминия значительно превышает скорость роста пленки нитрида алюминия. Скорость роста плёнки алюминия резко падает в определённом диапазоне давлений азота и при дальнейшем увеличении количества азота в смеси его с аргоном практически не меняется. Такой характер зависимости объясняется не только изменением массы бомбардирующих ионов (аргона и азота), но, главным образом, механизмом отбора алюминия с мишени в результате воздействия атомов азота.

Рис. 5. Зависимость скорости роста пленок системы Al - N от состава

газовой среды при различном ионном токе:

1 - Ток разряда (I_Р) = 5 А; 2 - I_Р = 5 А; 3 - I_Р = 2 А

Как следует из рис. 5, скорость роста плёнки нитрида алюминия лимитируется подводом металлического компонента к подложке, что иллюстрирует прямая, построенная на основании следующих предпосылок.

При появлении направленного потока атомов алюминия в камере мгновенно начинается химическая реакция атомов алюминия с молекулами и ионами азота, что приводит к полному удалению азота из вакуумной камеры в диапазоне концентраций, соответствующих областям I и II. В точках перегиба зависимостей рис. 1 между областями II и III подвод азота в вакуумную камеру равен отводу его за счёт химического взаимодействия и откачки насосом.

Эти точки можно соединить прямой линией, характеризующей область точек, в которых количество поступающего газа равно количеству газа, прореагировавшего с алюминием и откачиваемого вакуумным насосом. Прямая свидетельствует о том, что стехиометрический нитрид алюминия в области III формируется при избытке азота.

Скорость роста плёнки алюминия прямо пропорциональна приложенной к распылительному устройству мощности (или ионному току, так как напряжение разряда – величина постоянная). Однако перенос алюминия с мишени магнетронного распылительного устройства в среде азота существенно отличается от переноса в среде инертного газа (рис. 6, кривая I). Пересчет скорости роста пленки нитрида алюминия на единицу ионного тока (кривая 2) показывает, что увеличение мощности более эффективно воздействует на процессы, замедляющие скорости отбора алюминия с мишени. Исследование методом ВИМС поверхности алюминиевой мишени после ее распыления в среде азота выявило, что на ней находится тонкий слой нитрида алюминия, который образовался в результате химического взаимодействия атомов или ионов активного газа (азота) с мишенью. Образование химического соединения на поверхности катода является лимитирующей стадией процесса распыления в среде активного газа.

Из рис. 6 следует, что отношение скоростей роста плёнок алюминия и нитрида алюминия в одном режиме составляет ~ 20. Для кремния и нитрида кремния это отношение равно 4 и стремится к единице при увеличении прикладываемой мощности, что свидетельствует о влиянии химической природы распыляемого материала на процесс массопереноса.

Механизм формирования пленок характеризуется также методом формирования пленки и составом продуктов распыления мишени.

В литературе этот вопрос освещается по-разному. Одни авторы, считают, что при реактивном формировании плёнок нитрида алюминия перенос вещества осуществляется в виде нитрида алюминия; другие считают, что соединения AlN и Al₂O₃ образуются на подложке, куда поступают атомы и ионы алюминия, или кремния, а также молекулы

Рис. 6. Зависимость скорости роста плёнки нитрида алюминия от скорости роста пленки алюминия (1); та же зависимость в пересчёте на единицу ионного тока (2)

газа. В случае распыления кремниевой мишени в среде О₂ распыляется кремний и оксид кремния, причем допыление до двуокиси кремния также происходит на подложке.

Проведенная оценка длины свободного пробега молекул, атомов и ионов показала, что вероятность их встречи мала в промежутке между мишенью и подложкой. Рост температуры подложки не приводит к увеличению скорости роста пленки нитрида и оксида алюминия и диоксида кремния, следовательно, формирование плёнки происходит на подложке. Исследование структуры типа Al₂O₃ (поликор) – Al-Al₂O₃ (плёнка, полученная реактивным магнетронным распылением) методом ВИМС выявило, что нет существенной разницы между распылением плёнки и массивного материала Al₂O₃ ионами аргона с энергией 6 кэВ при плотности тока 10 мА/см². В спектре (рис. 7)

зарегистрированы ионы Al⁺⁺, Al₂⁺, AlO⁺, Al₂O⁺, AlO₂⁺. Это означает, что формирование пленок типа Al₂O₃ происходит на подложке, но в реакции участвуют все возможные компоненты, соотношение которых зависит от условий синтеза.

Влияние природы газообразного реагента изучалось на примере синтеза Al₂O₃. В качестве активной среды применялись кислород, пары воды и перекиси водорода (рис. 8). Как видно из рисунка, максимальная скорость образования Al₂O₃ наблюдается при использовании перекиси водорода (Н₂О₂).

Рис. 7. Результаты анализа методом ВИМС структуры Al₂O₃ (поликор) - Al-Al₂O₃, полученной реактивным магнетронным распылением

Рис. 8. Зависимость скорости роста пленки Al2O3 от состава газовой среды при использовании кислорода, паров воды и перекиси водорода	Рис. 9. Зависимость электронного тока, приходящего на подложку при формировании плёнок Al2O3 методом реактивного магнетронного распыления, от расстояния до источника при различном содержании кислорода в смеси аргон-кислород

Подобный результат, полученный также при синтезе нитрида алюминия в среде азота и аммиака, можно объяснить тем, что на скорость массопереноса влияет скорость образования слоя оксида или нитрида на мишени, которая определяется химической активностью и размером молекулы газообразного реагента.

Состав газовой среды влияет не только на скорость распыления, но и на электронный ток, приходящий на подложку, и, следовательно, на ее потенциал (рис. 9). Как видно из рисунка, с увеличением концентрации кислорода в смеси аргон – кислород электронными ток увеличивается и при 40-процентном содержании кислорода выходит на насыщение. Плёнка образуется при концентрации кислорода в газовой Фазе около 35 %. Величина электронного тока влияет прежде всего на температуру подложки, а следовательно, на структурные свойства синтезируемых пленок

В процессе осаждения плёнок в подобных системах наблюдается их рекристаллизация.

Электронный ток существенно влияет на электрофизические свойства плёнок и многослойных структур, в которых они используются. Установлено, что величина электронного тока определяет плотность поверхностных состояний на границе раздела SiO₂-AlN и SiO₂-Al₂O₃, а следовательно, и радиационную стойкость МДП-структур на основе этих плёнок.