РАЗДЕЛ 2
САМОСОГЛАСОВАННЫЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ; МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И
ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЛОЕВ
2.1. Магнетронные распылительные системы и их модификации
Среди ионных распылительных систем наиболее широко представлены устройства, в
которых для стабилизации тлеющего разряда (реализации стационарной конденсации)
и увеличения его тока используются скрещенные электрические и магнитные поля
(магнетронные распылительные системы) [179]. Возможность решения значительного
количества технологических задач предлагаемой работы при помощи магнетронных
распылительных систем (МРС) обусловлено следующими факторами:
а) высокой стабильностью разряда и возможностью варьирования его мощностью, а
следовательно, и скоростью наращивания конденсата в широких пределах;
б) значительной продолжительностью во времени технологического процесса при
постоянстве основных технологических параметров;
в) универсальностью процесса ионного распыления любых проводящих твердых;
г) относительно высокой энергией распыленных атомов (~1-100 эВ);
д) возможностью получения беспримесных конденсатов при использовании очищенной
инертной среды;
е) возможностью получения двукомпонентных конденсатов с широким спектром
контролируемых химических составов при распылении составных мишеней.
Важная особенность конденсации магнетроннораспыленного вещества состоит в
облучении ростовой поверхности потоком вторичных электронов, причем повышение
подводимой к распылителю мощности разряда соответствующим образом усиливает
поток вторичных электронов. В этой связи температура ростовой поверхности может
существенно превышать (на 50% [102]) температуру объемной части подложки, что
может определять близость к фазовому равновесию системы пар-конденсат. Именно в
окрестности равновесной конденсации можно реализовать распределенные в
пространстве зарождение и рост конденсатов, т.е. получение высокопористых
наноструктур. В дальнейшем распылительные системы, в которых ростовая
поверхность облучается пропорциональным подводимой мощности потоком заряженных
частиц, будем называть самосогласованными. Следует отметить, что, в силу слабой
интенсивности потока вторичных электронов, достичь существенное снижение
коэффициента конденсации только за счет вторичных электронов не представляется
возможным. Очевидно, термодинамическое равновесие достижимо в этом случае
только при существенном разогреве подложки и слабых осаждаемых потоках.
Следовательно, магнетронные системы на постоянном токе относятся к
слабосогласованным распылительным системам.
Используемые в работе МРС представляли собой планарные магнетроны, состоящие из
охлаждаемого водой цилиндрического катодного узла, и анода. При максимально
возможном напряжении разряда (~0,9 кВ) предельно большая мощность МРС
составляла 1,5 кВт. Необходимый нагрев объема подложки осуществлялся при помощи
галогенных ламп, а индикация температуры проводилась посредством
терморезисторов с выводом показаний на цифровой прибор.
Получение металлических слоев проводилось на установке ВС-350, снабженной
диффузионной откачкой с использованием эфира и тремя магнетронными
распылителями на постоянном токе, вмонтированными в вакуумную камеру (рис. 2.1
б).
Хорошо известно, что физические основы работы магнетронных распылительных
систем базируются на взаимодействии высокоэнергетичных ионов с поверхностью
распыляемого материала. При этом стабилизация разряда в магнетронных
устройствах производится при помощи скрещенных электрических и магнитных полей,
причем поперечное магнитное поле у поверхности мишени воздействует на плазму
разряда, локализуя ее около распыляемой поверхности. Из этой локализованной
плазмы извлекается для бомбардировки мишени ионный пучек рабочего газа гораздо
большей плотности, чем в обычных системах ионного распыления диодного типа, что
определяет существенное увеличение скорости распыления материала мишени и
высокую стабильность технологического процесса [102].
Варьируя давление рабочего газа, а также изменяя расстояние мишень-подложка и
подводимую к МРС мощность, можно реализовать многообразие технологических
условий формирования слоев с достаточно высокой степенью их контроля. Это
позволило использовать магнетронное распыление на постоянном токе для получения
различных слоев, обладающих широким спектром свойств [105,183]. Однако вопросы,
связанные с пониманием влияния параметров распыления на физические процессы
зарождения и роста слоев в условиях приближения к равновесию в системе
пар-конденсат, до настоящего времени практически не изучены.
Последнее время привлекают все большее внимание многомагнетронные
распылительные системы [180,181]. Так, используя в одной вакуумной камере
нескольких магнетронов с сильными магнитными полями, можно создать объемную
многополюсную систему, позволяющую существенно стабилизировать разряд при его
малой мощности (~2-5 Вт) и тем самым реализовать условия осаждения, близкие к
фазовому равновесию системы пар-конденсат. Кроме этого, распыляя различными
магнетронами разные материалы, можно получать многокомпонентные слои с
достаточным контролем химического состава и при необходимой близости к условиям
фазового равновесия в системе пар-конденсат. При использовании
многомагнетронных систем существенно расширяются и другие технологические
возможности. Так, комплектация одной вакуумной камеры тремя МРС позволила
решить в настоящей работе следующие технологические проблемы:
1. Получать конденсаты системы Ti-C при помощи двух магнетронных распылителей,
оси которых ориентированы под углом 300 по отношению друг к другу и лежат в
одной плоскости (см. рис.2.1 а
- Київ+380960830922