Материал: Sb96853

–заряженных частиц: e, R+, R (электроны и ионы);

–колебательно- и вращательно-возбужденных атомов и молекул;

–нейтральных невозбужденных частиц.

Благодаря высокой подвижности электроны принимают практически всю энергию от электрического поля и далее расходуют ее на возбуждение, ионизацию или разрыв нейтральных частиц. Плазма различается по основным параметрам – температуре электронов (Tэ) и концентрации носителей

заряда nэ и nи. Плазму условно делят на высоко- и низкотемпературную.

Граничным значением принято считать 106 К. В технологических процессах электроники применяется низкотемпературная газоразрядная плазма. Основным свойством плазмы является квазинейтральность, характеризующаяся следующими параметрами: r0 радиус Дебая; плазменная частота.

Плазма – квазинейтральное состояние зарядов, сохраняющееся за время

1 , на расстояниях больше r0.

Размер области Дебая можно выразить через другие параметры, если

принять то, что потенциальная энергия заряженной частицы в области с линейным размером r0 при полном разделении зарядов должна быть равна

энергии теплового движения частицы kT (eU kT). Запишем уравнение не-

где = n0e плотность зарядов (n0 – концентрация заряженных частиц); относительная диэлектрическая проницаемость среды. Упростив уравнение

(1.12), запишем: E ~ x/ . Принимая вместо x линейный размер r0, получим:

UE x r02 n0 e r02 .

Тогда из условия равенства кинетической и потенциальной энергий за-

ряженной частицы получим выражение для радиуса Дебая:

Здесь Т – температура плазмы, которая в данном случае принимается одинаковой для электронного и ионного компонентов. На рис. 1.11 показана зави-

16

симость радиуса Дебая от концентрации носителей для разной температуры.

Поскольку r0 определяет пространственный масштаб области декомпенса-

ции, то время, в течение которого эти области существуют, можно получить, разделив r0 на скорость электронов (v (kT/m)1/2):

где m – масса электрона. Силы электростатического взаимодействия приводят плазму к поведению системы связанных осцилляторов.

r0,

мкм

1000

Рис. 1.11

Собственная частота электростатических плазменных колебаний = 1/ называется ленгмюровской плазменной частотой:

Допустим, что в плазму введен пробный точечный заряд е. На достаточно малом расстоянии от этого заряда потенциал будет равен e/r. На больших расстояниях ход потенциальной функции изменится вследствие поляризации плазмы, вызываемой полем заряда e. Возникающее экранирующее поле будет сосредоточено в области тем меньших размеров, чем плотнее плазма и чем ниже ее температура. Плотность заряда в плазме может быть выражена через плотность ионов (nи) и электронов (nэ). Для простоты ограничимся случаем

однозарядных ионов: = e(nи nэ).

17

Концентрации ионов и электронов выражаются следующим образом:

В плазме следует различать электронную Tэ и ионную Tи температуры, которые входят в (1.13). Вследствие разницы массы всегда выполняется соотношение Tэ >> Tи. Внешние источники электрического питания, с помощью которых создается плазма, передают энергию электронной компоненте. Ионы обретают тепловую энергию благодаря столкновениям с электронами. Доля кинетической энергии, которая может быть передана иону или атому газовой среды с последующей возможной ионизацией, составляет:

где m и mи – масса электрона и иона соответственно. Поскольку mи >> m, то= 4m/mи. Электрон должен испытать множество столкновений, чтобы передать атомам избыток энергии. Обмен энергией между электронами и атомами идет параллельно с приобретением энергии электронами от внешнего источника питания и уходом энергии из плазмы вследствие излучения и теплопередачи.

Столкновения между электронами и атомами определяют механизм прохождения электрического тока, при котором ионы считаются неподвижными, и ток создается потоком электронов. Электрон испытывает столкновений в секунду, при каждом столкновении он теряет импульс mu, где u – направленная скорость электрона. Сила торможения электрона в электрическом поле Е равна mu , и условие равновесия имеет вид eE mu .

Плотность тока в плазме определяется выражением j = enu, поэтому за-

Электрическое поле стремится распрямить траекторию электрона, в то время как взаимодействие с ионами приводит к ее искривлению. Если прирост направленной компоненты скорости не компенсируется рассеянием, то равновесие сил не может установиться и электрон будет продолжать ускоряться до

18

тех пор, пока находится в области поля. Электрическая мощность, подводимая к плазме, расходуется на электрон-атомные соударения, посредством которых и передается энергии. Удельная мощность, передаваемая от электрического поля E электронам плазмы, определяется законом Джоуля–Ленца:

После подстановки (1.14) в (1.15) и преобразований может быть получено выражение для температуры электронов в плазме тлеющего разряда.

Важная роль в плазменной технологии электроники принадлежит процессам, использующим комбинированные электромагнитные поля. Наиболее распространенным является магнетронный метод, в котором электрическое и магнитное поля, создаваемые различными источниками в области электродов газового разряда, имеют взаимную перпендикулярную направленность. Сила Лоренца приводит к увеличению траекторного пробега элементарных частиц и, соответственно, числа соударений и актов ионизации атомов газовой среды. В обычных магнетронных распылительных устройствах (МРУ) реализуется аномальный тлеющий разряд. Магнитное поле направлено параллельно катоду, электрическое поле в скрещенном направлении – от катода к аноду. Вектор силы Лоренца и результирующий вектор скорости электрона имеют взаимно перпендикулярное направление к векторам H и E. Электроны двигаются по циклоидальным траекториям у поверхности катода, что приводит к повышению эффективности работы распылительной системы. При одинаковой мощности, приложенной к катодному узлу, плотность потока распыленного материала для МРУ существенно увеличивается.

19

2.ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОСАЖДЕНИЯ ПЛЕНОК

ВПРОЦЕССЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

Стадии процесса получения пленок методом ионно-плазменного распы-

ления выделяются для наглядного представления физических явлений, имеющих разную природу, и для применения аналитического моделирования. Выделим в рассматриваемом процессе следующие стадии:

–формирование потока частиц, бомбардирующих мишень;

–физическое распыление композитной мишени;

–направленное рассеяние потока распыленных частиц;

–термализация распыленного потока;

–диффузионное распространение компонентов;

–адсорбция, конденсация, формирование пленки.

Перечисленные стадии процесса реализуются в определенных областях пространства «мишень подложка», обозначенных на рис. 2.1. Здесь показано типичное распределение потенциала U(x) при катодном распылении на постоянном токе. Для моделирования применяется прямолинейная аппроксимация, при которой полное падение потенциала (Uк) происходит в области темного катодного пространства (ТКП).

III ОТ

L2

IV ОДР

x

Рис. 2.1

Модельное изображение включает следующие обозначения технологических областей: М – мишень; П – подложка; I темное катодное пространство (ТКП); II область упругого рассеяния (ОУР); III область термализации (ОТ); IV область диффузионного распространения распыленных частиц (ОДР).

20