Файл: Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие.pdf

конденсации, поэтому такие агрегаты (дублеты, триплеты и т. д.) обладают повышенной стабильностью. Однако при малых разме­ рах агрегатов отношение их поверхности к объему велико, поэтому велика их поверхностная энергия. Последнее обусловливает увели­ чение давления пара над поверхностью, что ведет к диссоциации скопления. Существует критический размер скоплений, при кото­ ром они обладают минимальной устойчивостью. Добавление атома к такому критическому зародышу приводит к его стабилизации. В дальнейшем зародыш приобретает тенденцию к росту. Удале­ ние одного атома приводит к распаду критического зародыша. На­ чальный рост пленок в вакууме состоит из трех этапов: конденса­ ция атомов пара на подложке, образование многоатомных заро­ дышей и превращение зародышей в большие агрегаты.

Вероятность испарения атомов с подложки тем больше, чем выше ее температура и ниже температура испарения вещества. Для каждого вещества существует критическая температура подложки, выше которой атомы молекулярного потока полностью отражаются от подложки. Энергия теплового движения, которую они приобретают от подложки, превышает энергию связи атомов с поверхностью, миграция оказывается незначительной, скопления не образуются и атомы испаряются с подложки. Увеличение плот­ ности молекулярного потока приводит к тому, что атомы, испаряю­ щиеся с подложки, захватываются частицами молекулярного по­ тока и, вновь осаждаясь на подложке, образуют ядра конденсации. Кроме того, с увеличением плотности потока уменьшается длина пути, необходимая мигрирующим атомам для объединения в кри­ тические зародыши. Поэтому с увеличением плотности молекуляр­ ного потока возрастает критическая температура.

Чем большее число атомов бомбардирует подложку в единицу времени, тем, следовательно, больше вероятность образования цен­ тров конденсации, обусловленных либо столкновением с ранее осажденными атомами, либо миграцией по поверхности.

Таким образом, можно говорить о критической плотности моле­ кулярного потока, ниже которой при данной температуре конден­ сат не образуется.

Критическая плотность паров экспоненциально зависит от тем­ пературы подложки и пропорциональна вероятности ш.

Следует отметить, что критические плотности потока наблюда­ ются только на подложках, поверхность которых содержит загряз­ нения — адсорбированные остаточные газы или пары масла из диффузионного насоса. Это уменьшает число поверхностных ато­ мов, с которыми могут быть установлены стабильные связи атома­ ми молекулярного потока. Кроме того, сила связи через адсорби­ рованный слой меньше. При тщательной очистке подложки кон­ денсат образуется при потоках весьма малой интенсивности.

Сопоставим количество остаточных атомов (молекул) воздуха, находящихся на единице поверхности в единицу времени v, и коли­ чество атомов молекулярного потока, попадающих на ту же по­ верхность также в единицу времени n s. Величина v рассчитывается

Молекулярный поток атомов испаряемого вещества на поверх­ ности сферической капли имеет интенсивность бяФ 2. Его плотность

где Тк— температура атомов испаренного вещества, которую мож­

около 40 адсорбированных атомов воздуха. Чтобы соотношение было v : п5<Л : 10 нужен вакуум не хуже 2,5 - 10~8 мм рт. ст. Экспе­ рименты показывают, что только вакуум не хуже 10~9 мм рт. ст. дает улучшенные свойства конденсата. Улучшить отношение v/ns можно и другим путем—увеличив интенсивность молекулярного потока, т. е. увеличив температуру (скорость) испарения. Этот способ называют форсированным нагревом.

Коэффициент конденсации. Для большинства материалов каж­ дый атом, ударившийся о подложку, адсорбируется ею. Наряду с этим может происходить отражение части атомов от поверхности подложки. Коэффициент конденсации определяется отношением числа атомов, сконденсировавшихся на поверхности, к числу ато­ мов, ударившихся о нее. Он численно равен отношению скорости конденсации к скорости испарения. ,

Начальное значение коэффициента конденсации зависит от давления остаточных газов. Оно тем ближе к единице, чем ниже это давление. По мере роста пленки величина его возрастает, пока не достигнет установившегося значения, которое также зависит от давления остаточных газов. При высоких давлениях газы, ад­ сорбированные подложкой, значительно уменьшают число центров конденсации. Атом пара, поступающий на подложку, должен прой­ ти большой путь, прежде чем он достигнет центра конденсации. С увеличением времени существования несвязанных атомов в зна­ чительной степени возрастает вероятность испарения и отражения. Конденсация происходит главным образом на нескольких участ­ ках осаждения до тех пор, пока не образуется островковая струк­ тура.

Структура тонких пленок может быть стабильной в форме, близ­

а при L > L M— однородный слой. Большинство материалов обра­ зуют агломераты. Склонность к агломерации уменьшается при уве­ личении скорости конденсации пленки. Это связано с большим чис­

226

лом зародышей, из которых развивается мелкозернистая струк­

тура.

Пленка на ранних стадиях роста обладает островковой струк­ турой. Если размеры критических зародышей и свободная энергия их образования велики, то пленка состоит из небольшого числа крупных агрегатов. Если эти величины малы, то пленка состоит из многочисленных мелких скоплений. Такая пленка становится сплошной при относительно малом значении средней толщины. Крупная островковая структура сохраняется до сравнительно боль­ ших толщин пленки. Следовательно, условия роста пленки опреде­ ляют соответственно мелкозернистую или крупнозернистую струк­ туру.

§ 8.3. Катодное распыление '

Металлы с высокой температурой испарения и низким давле­ нием паров целесообразнее наносить катодным распылением, так как термическое испарение их связано с созданием специальных

постоянного или переменного напряжения, зажигается тлеющий разряд. Он может быть самостоятельным или несамостоятельным. Последний требует для своего поддержания эмиссии электронов из катода или образования зарядов в межэлектродном промежутке под действием других внешних факторов. Самостоятельный разряд горит без дополнительной ионизации или эмиссии электронов.

Вначале с увеличением напряжения сила тока растет очень мед­ ленно. Эту область называют несамостоятельным тлеющим разря­ дом, так как какое-либо свечение отсутствует. При достижении потенциала зажигания возникает нормальный тлеющий разряд

схарактерным неравномерным свечением.

Впространстве между катодом и анодом можно видеть сле­ дующие основные области: узкое темное астоново пространство 1, заметное только при низких давлениях; узкое катодное свечение 2; более широкое темное круксово или катодное пространство 5; наи­ более яркое, но не широкое, отрицательное тлеющее свечение 4, для которого характерно не нарастание, а спад потенциала; темное фарадеево пространство 5; широкий светящийся положительный столб 6; яркое анодное свечение 7 и узкое темное анодное про­ странство 8 (рис. 8.5).

Уменьшение давления ведет к расширению круксова простран­ ства и к такому же сокращению положительного столба. При р=10-2 мм рт. ст. круксово пространство имеет длину в несколько сантиметров. Когда оно расширяется до анода, разряд прекра­ щается. В темном катодном пространстве, где сосредоточено мак­ симальное электрическое поле, происходит ускорение электронов До энергии ионизации газа, что необходимо для поддержания раз­ ряда. Положительный столб только осуществляет проводимость

227

между анодом и областью отрицательного тлеющего свечения. Для поддержания самостоятельного разряда каждый электрон, движу­ щийся в газе, должен возбуждать такое количество положительных ионов, которое при соударении с катодом освобождает из него не менее одного нового электрона. Уменьшение давления увеличивает длину пробега электронов; поэтому для той же степени ионизации электрон должен пройти большой путь и круксово пространство расширяется. При сближении электродов вначале уменьшается длина положительного столба, вплоть до полного исчезновения, за­ тем — темного фарадеева пространства и отрицательного тлеющего свечения, после чего заряд гаснет.

Это связано с тем, что длина ионизационного пути электронов при неизменном напряжении на электродах уменьшается незначи-

ОЬласть анодного

тельно (но уменьшается, так как электрическое поле в катодном пространстве немного возрастает вследствие перераспределения падения потенциала между прикатодным пространством и поло­ жительным столбом). При нормальном тлеющем разряде только часть поверхности катода покрыта свечением. С увеличением на­ пряжения вырастает сила тока, но плотность тока остается посто­ янной. Когда свечение охватывает всю поверхность катода, рост силы тока связан с ростом плотности тока. Эту область называют аномальным тлеющим разрядом. При дальнейшем увеличении тока значительная мощность, рассеиваемая на катоде, приводит к его разогреву и появлению термоэлектронной эмиссии — тлеющий раз­ ряд переходит в дуговой. Напряжение падает и сила тока опреде­ ляется сопротивлением внешней цепи.

Теории катодного распыления. В рабочей камере устройства для катодного распыления, показанной на рис. 8.6, размещены водоох­

228

лаждаемый катод К из распыляемого материала, анод А, подлож­ ка Я и кварцевый стакан С. При напряжении 1—3 кв и вакууме 1СМ—10~2 мм рт. ст. зажигается тлеющий разряд. Ионы рабочего газа (например, аргона), ускоренные в круксовом пространстве, бомбардируют поверхность катода, в результате чего материал ка­ тода распыляется и переносится на подложку, а также на внутрен­ нюю поверхность стакана С.

Существует несколько теорий катодного распыления. Одна из наиболее ранних — теория химического распыления. Ионы газа вследствие большой энергии, попадая на катод, образуют с метал­ лом газообразные соединения, которые разлагаются в области по­ ложительного столба. Освободившиеся атомы металла осаждаются на подложке. Доказано, что процесс химического распыления не может быть преобладающим. Более достоверна теория ударного распыления. При бомбардировке ионами поверхности катода воз­ никают сильные локальные перегревы, в результате которых про­ исходит испарение отдельных атомов металла. Вследствие хорошей теплопроводности локальная температура быстро падает и сред­ няя температура подложки остается невысокой. Интенсивность рас­ пыления определяется зарядом, массой и энергией ионов и возра­ стает с ростом атомного веса и электроотрицательности газов. Любой металл распыляется быстрее в азоте, чем в водороде. Ско­ рость распыления в аргоне в 6 раз больше, чем в водороде. Удар­ ная теория, однако, не может объяснить всех экспериментальных

зависимостей.

Наибольшее признание получила гипотеза об импульсном меха­ низме катодного распыления. Ионы, ускоренные в прикатодной об­ ласти,— медленные, их энергии недостаточно для выбивания ато­ мов из катода. Ионы только увеличивают частоту колебаний ато­ мов. Ударная волна более эффективно передается вдоль плотно упакованных атомных рядов кристаллической решетки. Часть энер­ гии может передаваться по ним к поверхностным слоям и в ре­ зультате наложения многих колебаний поверхностный атом может получить от соседних атомов энергию, достаточную для преодоле­ ния силы связи. В этом случае атом вылетает с поверхности катода.

Количество вещества катода, распыляемого в единицу времени, пропорционально силе ионного тока i, разности напряжений между приложенным U и величиной, названной критическим катодным

Обычно величина UKблизка к 500 в.

*При малых катодных напряжениях скорость распыления очень мала. Если

о>500 в, то скорость значительно возрастает. Граничную величину U K~ 500 в

называют критическим катодным падением.

229