Материал: Sb96853

Основными задачами моделирования процесса осаждения пленок являются определение взаимного расположения подложки и мишени и оценка скорости роста пленок (vр).

Поток заряженных и ускоренных частиц, бомбардирующих мишень,

формируется в ТКП тлеющего разряда. На данной стадии анализа физических процессов необходимо определить толщину ТКП (dк), энергетический спектр и плотность потока (Q ) распыляющих частиц.

Энергетический спектр потока ионов в системах ИПР определяется процессом резонансной перезарядки. При обмене электрическим зарядом ускорившегося в темном катодном пространстве вытянутого из плазмы иона и нейтрального атома рабочего газа появляются высокоэнергетичный атом, а также ион с энергией порядка kТ (Т температура рабочего газа). Образовавшийся энергетичный атом имеет энергию и импульс первичного иона, а вновь образовавшийся ион начинает ускоряться в поле ТКП.

Схема основных процессов, происходящих в ТКП, представлена на рис. 2.2. При отсутствии дальнейших столкновений энергия вновь образовавшихся ионов определяется разностью потенциалов между катодом и координатой х0 в ТКП. В случае линейного приближения распределения потенциала в ТКП (рис. 2.1) энергия иона, появившегося в точке х0, рассчитывает-

ся по формуле Uи = Uк(x0/dк).

Энергия бомбардирующего атома будет определяться разностью потенциалов, которую преодолел первичный ион до места перезарядки:

21

атомов, бомбардирующих мишень в плазме, задается формулой Келлера– СиммонсасучетомлинейнойфункциираспределенияпотенциалавТКП[15]:

где dк – толщина прикатодного слоя; и cредняя длина свободного пробега ионов; е – единичный заряд; eUк = Eк энергия, соответствующая напряже-

вторичной ионно-электронной эмиссии; j – плотность тока разряда. На рис. 2.3 приведено распределение потока ионов (I) и ускоренных атомов (A) (2.1), поступающих на мишень из газоразрядной плазмы, в условиях катодного распыления при давлении (р) рабочего газа порядка 10 Па.

Плотность потока ионов, атомов и эффективность распыления мишени зависят от параметров плазмы, определяемых отношением размера слоя ТКП (dк) к длине свободного пробега ионов ( и).

22

На рис. 2.4 приведена зависимость отношения плотности потоков частиц, способных распылить мишень, к плотности ионного пучка с энергией eUк от

отношения dк/ и. Начальный поток ионов Qи = j/e = nиv0 , где nи – плотность ионов в плазме, которая принимается равной плотности электронов; v0 – скорость ионов с энергией eUк. Способность частицы к распылению мишени ограничена энергией Eпор (1.4). С увеличением давления снижается длина свободного пробега ионов, определяемая общим выражением длины пробега свобод-

Основным видом взаимодействия в плазме тлеющего разряда являются столкновения «ион атом». При давлении, обычно применяемом в ИПР (1...10 Па), плотность заряженных частиц существенно меньше плотности атомов. Для нахождения длины свободного пробега ионов можно применять сечение рассе-

яния равным Dа2 , где Dа – диаметр атома. При таком приближении длины

свободного пробега атома и соответствующего иона равны.

Из рис. 2.4 следует, что вклад быстрых нейтралов в поток распыляющих частиц будет проявляться только при dк/ и > 1, т. е. при сравнительно высоком давлении распыляющего газа (>15 Па). Используя плотность тока разряда, можно определить энергетические характеристики и плотность потока частиц, распыляющих мишень. Плотность потока частиц задается вольт-амперной ха-

рактеристикой (ВАХ) разряда: j Uк Umin 2 , где коэффициент, зависящий от конструкции распылительного устройства и параметров процесса; Umin – напряжение гашения разряда. Параметр играет роль подгоночной константы и может изменяться в широких пределах: 50...500 А/(см · кВ). Зная j, определяют плотность потока ионов (Qи) и суммарный поток атомов и ионов (Q ), поступающих на поверхность мишени:

Физическое распыление происходит на поверхности мишени. Основные физические механизмы и характеристики данного процесса были рассмотрены в 1.2. Если распыляемая мишень имеет многокомпонентный состав, то различают парциальный коэффициент распыления для частиц вида k (Yk) и

эффективный, интегральный коэффициент распыления (Y ), соответствую-

23

щие процессу распыления посредством моноэнергетического ионного пучка. В расчетах условно принимают, что плотности потоков распыленных атомов мишени при воздействии на нее заряженных и нейтральных частиц одинаковой природы и кинетической энергии равны. В тлеющем разряде существует энергетическое распределение частиц, бомбардирующих мишень, которое приведено в общем виде в (2.1) и на рис. 2.3. Эффективный коэффициент распыления в газоразрядной плазме определяется следующим образом:

Eпор

Распыленный поток имеет парциальную и интегральную плотности k и соответственно. Парциальный поток частиц, вылетающих из мишени, может быть определен следующим образом:

где k стехиометрическая доля соответствующего компонента мишени.

Суммарный поток частиц представляется как сумма парциальных потоков. Энергетическое распределение распыленных потоков частиц определяется по модели Томпсона:

где G – функция, зависящая от структуры мишени и температуры. В (2.6) присутствуют угол взаимодействия распыляющей частицы с мишенью φ и телесный угол , в котором происходит «статистический выход» распыленных частиц и определяется их распределение по энергии. Доля энергии, передаваемая при столкновении, определяется по (1.10). Анализ (2.6) показывает, что максимум функции распределения соответствует значению энергии распыленной частицы, равной 0.5Есв. Линейное нарастание количества частиц с малой энерги-

ей при E < 0.5Есв переходит в снижение согласно зависимости E 2 для частиц с высокой энергией. При E = maxEк энергетическое распределение распыленных

атомов обращается в ноль. На рис. 2.5 приведены экспериментальные спектры энергии, полученные при распылении мишени YBaCuO пучком ионов аргона Ar+ с энергией 5 кэВ. На графике видны максимумы, указывающие на значение энергии связи компонентов в материале мишени.

24

Таким образом, используя значение плотности тока разряда, определим суммарную плотность потока частиц в плоскости мишени (х = 0), состоящую из парциальных плотностей, определяемых на основе (2.5):

Перенос распыленного потока от мишени к подложке включает следующие физические процессы (см. рис. 2.1):

– образование распыленного потока частиц k на поверхности мишени

(х = 0);

–упругое рассеяние на атомах рабочего газа (области I и II);

–термализация (область III);

–диффузионное распространение распыленного потока (IV).

Основная задача анализа процесса переноса заключается в определении функции изменения плотности и энергии потока распыленных частиц в пространстве «мишень подложка» – f(x, p, T).

В областях I и II рассматриваются упругие столкновительные процессы на основе модели жестких сфер. За один акт упругого рассеяния распыленный атом рассеивается на угол в лабораторной системе координат. При m2 > m1 можно принять, что arcsin (m2/m1). Это означает, что ускоренный

поток частиц рассеивается в направлении узкого конуса вперед. Среднее число столкновений N распыленных атомов до состояния термализации может быть рассчитано следующим образом:

25