Материал: Sb96853

где Eа – средняя энергия атома газовой среды, определяемая температурой рабочего газа; E02 – средняя энергия атомов, выбитых с поверхности мише-

ни; средняя доля передаваемой энергии (1.10).

После ряда соударений распыленный поток практически полностью термализуется и выбитые из мишени атомы переходят в режим диффузионного распространения по направлению к подложке. Рассчитав длину свободного пробега распыленных атомов по формуле

где 1 2 – диаметры атома газа и распыленного атома соответственно, можно определить среднюю длину направленного движения атомов до состояния термализации:

Таким образом, принятые усреднения позволяют определить координаты области III, в которой происходит термализация распыленных частиц, а также установить значение технологического фактора d – расстояние «мишень подложка». С целью подавления эффектов рераспыления пленки и диффузионного ухода компонентов из области подложки на стенки камеры осаждения расстояние «мишень подложка» следует устанавливать с учетом следующего технологического соотношения: d ~ 1.5Lk.

Процесс переноса может быть проанализирован на основе изучения экспериментальных зависимостей плотности распыленного потока в различных сечениях пространства «мишень подложка» и определения аналитической функции, согласно которой изменяется поток частиц осаждаемого материала. Плотность потока распыленных атомов прямо пропорциональна скорости их осаждения на подложку (v0), помещенную на заданное расстояние от мишени. Зависимость v0 или толщины пленок h различных материалов от расстояния d обладает важным свойством: если условия осаждения не меняются, то зависимость имеет одинаковый характер. В случае осаждения пленок многокомпонентного состава плотность суммарного конденсированного потока рассчитывается по следующей формуле:

26

Осаждение распыленного потока и рост пленки. Для проведения анали-

за процесса переноса распыленных атомов на оценочном уровне достаточно принять значения подгоночных параметров равными единице. Таким образом, задав плотность тока разряда, можно определить плотность парциального распыленного потока при координате x или d, с учетом функции рассеяния распыленного потока (2.12):

Для расчета скорости роста пленок необходимо определить коэффициент захвата (конденсации) компонентов – Sk(Т). В начальном приближении он может быть единым для всех компонентов конденсируемого соединения – S(T). Используя (2.11) и (2.13), выразим скорость осаждения пленки следующим образом:

В результате модельных рассмотрений и анализа экспериментальных данных переноса распыленных атомов от мишени к подложке получено выражение (2.14), которое применяется в оценочных расчетах скорости осаждения пленок в процессе ионно-плазменного распыления композитных мишеней. В формулу входит эффективный коэффициент распыления R, который составляет 70–75 % от значения, соответствующего моноэнергетическому распылению ионным пучком с энергией, равной Uк.

28

3.ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАСЧЕТА

Вкачестве примера расчета рассмотрим осаждение пленок соединения Ba0.6Sr0.4TiO3 (BSTO) в процессе катодного распыления композитной мише-

ни. Мишень состоит из смеси оксидов компонентов в требуемом стехиометрическом соотношении. Будем полагать, что энергия связи катионных компонентов в мишени равна энергии связи чистых элементов. Поэтому энергия связи катионов (Есв) соответствует табличным значениям для элементов (см., например, [14]). Составим таблицу исходных данных (табл. 3.1), в которой присутствует энергия связи, k грамм-атомный стехиометрический коэффициент, k диаметр атома.

Таблица 3.1

Исходные физические величины для расчета параметров процесса осаждения пленок BSTO

На начальной стадии анализа, которую назовем А, рассчитываются параметры областей квазинейтральности плазмы тлеющего разряда, определяемые на основе (1.7)–(1.9). Далее определяется размер ТКП по (2.2), которая после подстановок численных коэффициентов имеет вид

В (3.1) применяются следующие единицы измерений: j [мА/см2]; p [Па]; Uк [кВ]; dк [см]. Для расчета размера ТКП и плотности распыляющего потока необходимо значение плотности тока разряда и напряжение, приложенное к мишени. Выберем два типичных режима получения пленок BSTO в процессе высокочастотного катодного распыления композитных мишеней. В табл. 3.2 приведены технологические факторы выбранных режимов осаждения пленок.

Плотность распыляющего потока рассчитывается по (2.3), где длина свободного пробега иона принимается равной длине пробега атома рабочего

газа: и 4kT . p а2

29

Таблица 3.2

Технологические факторы процесса осаждения при катодном ВЧ-распылении

Значение коэффициента электронно-ионной эмиссии следует принять= 0.1…0.3. Для определения плотности тока разряда при магнетронном распылении необходимо учитывать неравномерное распыление мишени, т. е. плотность тока будет равна частному от деления значения тока разряда на площадь зоны эрозии.

На стадии В анализа процесса осаждения пленок рассчитывается коэффициент распыления в плазме тлеющего разряда, для которого применяется общее выражение (2.4) эффективного коэффициента распыления в газоразрядной плазме, учитывающего энергетическое распределение бомбардирующих частиц, приведенное на рис. 2.3. При распылении в рабочем газе с невысокой или средней атомной массой (кислород, аргон, криптон и др.), при давлении не более 30 Па в широком диапазоне значений удельной мощности разряда jUк [Вт см2] проводятся оценочные расчеты режимов ИПР, в кото-

рых принимается среднее значение коэффициента распыления мишени с учетом доли компонента k и парциального значения Yk.

Размытие энергетического спектра бомбардирующих частиц в сторону низкой энергии учитывается посредством снижения энергии распыляющего потока до уровня, называемого эффективной энергией распыления (Eэф = eUк/1.4). Та-

ким образом, коэффициенты распыления в газоразрядной плазме определяются так же, как для процесса ионного распыления, но для эффективной энергии. Для вычислениякоэффициентовраспыленияYk(Eэф) применимы(1.5) и(1.6).

На стадиях упругого рассеяния частиц С и термализации D определяется наилучшее взаимное расположение мишени и подложки для обеспечения высокой скорости осаждения всех компонентов пленки в термализованном режиме. Для достижения данной цели принимаются следующие технологиче-

Рассчитав значения Lk всех катионных компонентов по (2.9)–(2.11), сле-

дует выбрать единое значение d, которое бы удовлетворяло требованиям (3.2) для всех компонентов. Результаты вычислений удобно представить в виде табл. 3.3. Наряду с характеристиками процесса переноса приведем значения парциальных коэффициентов распыления Yk.

30