Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Применение, свойства и технология осаждения пленок оксинитрида титана (обзор литературы) 10
1.1. Области применения 10
1.1.1. Пленки оксинитрида титана Ti02(i-.T)N.r 10
1.1.2. Пленки оксида титана ТЮ2 12
1.1.3. Пленки нитрида титана TiN
1.2. Управление составом и кристаллической структурой 14
1.3. Технология осаждения
1.3.1. Особенности метода реактивного магнетронного распыления 25
1.3.2. Диагностика процесса осаждения 29
1.4. Моделирование процессов реактивного распыления 33
Выводы и постановка задач диссертационного исследования 35
Глава 2. Контроль процесса осаждения: оптическая эмиссионная спектроскопия 37
2.1. Диагностика плазмы методом ОЭС 38
2.2. Идентификация линий в спектрах испускания плазмы
2.2.1. Экспериментальное оборудование 39
2.2.2. Распыление титановой мишени в среде аргона 40
2.2.3. Распыление титановой мишени в среде кислорода 44
2.2.4. Распыление титановой мишени в среде азота 45
2.3. Оптическая эмиссионная спектроскопия при осаждении пленок оксинитрида титана 47
2.3.1. Распыление титановой мишени в среде аргона и кислорода 48
2.3.2. Переходные процессы при распылении титановой мишени в среде аргона и кислорода
2.3.3. Распыление титановой мишени в среде аргона и азота 54
2.3.4. Переходные процессы при распылении
титановой мишени в среде аргона и азота 57
2.3.5. Распыление титановой мишени в среде аргона,
кислорода и азота 60
Выводы 66
Глава 3. Контроль процесса осаждения: Зонд Ленгмюра 69
3.1. Диагностика плазмы с помощью зонда Ленгмюра 69
3.2. Основные приближения зондовой теории Ленгмюра и погрешности зондовых измерений
3.2.1. Влияние постоянного магнитного поля магнетрона 71
3.2.2. Возмущение плазмы, вносимое зондом 72
3.2.3. Загрязнение поверхности зонда 73
3.2.4. Влияние колебаний потенциала плазмы на зондо вую характеристику 74
3.3. Метод двойного зонда Ленгмюра 75
3.3.1. Конструкция и схема включения двойного зонда 75
3.3.2. Обработка ВАХ двойного зонда 76
3.4. Определение параметров плазмы 78
3.4.1. Определение параметров плазмы при распылении титановой мишени в среде аргона 78
3.4.2. Определение параметров плазмы при распылении титановой мишени в среде аргона и кислорода 80
3.4.3. Определение параметров плазмы при распылении титановой мишени в среде аргона и азота 83
Выводы 85
Глава 4. Неизотермическая модель распыления металла в
трехкомпонентной газовой среде 87
4.1. Основные допущения 87
4.2. Система уравнений
4.2.1. Кинетика формирования слоя оксинитрида за счет поверхностной химической реакции 89
4.2.2. Уравнение стационарного состояния поверхности мишени 93
4.2.3. Уравнение стационарного состояния поверхности подложки и стенки камеры 95
4.2.4. Газовые потоки при реактивном распылении 98
4.2.5. Система уравнений 99
4.3. Анализ обобщенной модели 101
4.3.1. Взаимное влияние потока азота и кислорода 101
Выводы 104
Глава 5. Рекомендации по практическому применению технологии осаждения пленок оксинитрида титана 105
5.1. Разработка технологии осаждения 105
5.1.1. Применение модели для оценки границ рабочих режимов 105
5.1.2. Экспериментальное уточнение границ рабочих режимов 107
5.1.3. Влияние основных независимых параметров 109
5.1.4. Влияние термообработки
5.2. Дифференциальный УФ фотоприемник 116
5.3. Пленочные электроды 118
Выводы 119
Заключение 120
Литература
- Управление составом и кристаллической структурой
- Идентификация линий в спектрах испускания плазмы
- Основные приближения зондовой теории Ленгмюра и погрешности зондовых измерений
- Экспериментальное уточнение границ рабочих режимов
Введение к работе
Актуальность работы. Пленки оксинитрида титана находят широкое применение для изготовления солнечных фотоприемников, датчиков видимого и УФ излучения, газовых сенсоров, а также для использования в качестве фотокатализаторов и антиотра-жающих покрытий. В микроэлектронике данные пленки нашли применение в качестве химически стойких проводящих электродов, диффузионных барьеров, газовых барьеров материала для создания омических контактов. Перспективным направлением также является применение пленок оксинитрида титана в качестве high-& диэлектрика в МОП-структурах при изготовлении СБИС.
Под термином пленки оксинитрида титана понимают химическую формулу Ті02(і-ж)Нж, в которой 0 < х < 1. Для осаждения таких пленок многие исследователи используют метод реактивного магнетронного распыления. Такое внимание обусловлено тем, что этот метод позволяет контролируемо осаждать пленки, используя недорогие исходные материалы (металлы и газы) высокой чистоты. Кроме того, пленки возможно осаждать на подложки большой площади (до 20 м2).
Метод реактивного магнетронного распыления хорошо изучен для случая двух-компонентной газовой среде с одним реактивным газом. Одновременное применение в процессе реактивного распыления двух реактивных газов приводит к существенному изменению нелинейных и гистерезисных эффектов, характерных для данного метода с применением одного реактивного газа. Вследствие этого возникает необходимость в комплексном исследовании процессов протекающих в вакуумной камере, в разработке корректной физико-химической модели процесса реактивного распыления в трехкомпо-нентной газовой среде с двумя реактивными газами и разработке научно обоснованной технологии осаждения пленок Ті02(і-ж)Нж.
Цель диссертационной работы состоит в исследовании метода реактивного маг-нетронного распыления в трехкомпонентной газовой среде с двумя реактивными газами и разработке научно обоснованной технологии осаждения пленок оксинитрида титана данным методом.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Исследовать процесс распыления титановой мишени в реактивной трехкомпонентной газовой среде с помощью методов диагностики плазмы.
Разработать физико-химическую модель процесса распыления металлической мишени в реактивной трехкомпонентной газовой среде.
Разработать технологию осаждения пленок оксинитрида титана методом реактивного магнетронного распыления.
Разработать рекомендации по практическому применению технологии осаждения пленок оксинитрида титана.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
Выявлены особенности реактивного распыления титановой мишени в трехкомпо-нентной газовой среде Ar+02+N2.
Установлен эффект появления атомов титана в плазме при добавлении азота в кислородсодержащую среду при оксидном режиме работы.
Установлен эффект снижения интенсивности линии атомов аргона на 30-35 % при переходе мишени в реактивный режим работы.
Разработана обобщенная неизотермическая физико-химическая модель реактивного распыления металлической мишени в трехкомпонентной среде Ar+02+N2.
Практическую ценность представляют:
Реконструкция установки магнетронного распыления путем оснащения спектрофотометром, позволяющая проводить исследование состава аномального тлеющего разряда.
Методика исследования плазмы с помощью метода оптической эмиссионной спектроскопии.
Реконструкция установки магнетронного распыления, путем оснащения двойным зондом Ленгмюра, позволяющая исследовать температуру и концентрацию электронов в плазме.
Методика исследования плазмы с помощью метода зонда Ленгмюра.
Методика разработки технологии осаждения пленок оксинитрида титана с помощью обобщенной модели процесса распыления металлической мишени в трехкомпонентной газовой среде.
Технология осаждения пленок оксинитрида титана методом реактивного магнетронного распыления.
Метод оценки химического состава и кристаллической структуры пленок с помощью оптических измерений.
Исследование влияния дополнительной термообработки на кристаллическую структур и свойства пленок оксинитрида титана.
Рекомендации по использованию технологии осаждения пленок
ТЮ2(1_Ж)ЫЖ для изготовления дифференциального УФ фотоприемника (патент РФ на полезную модель №77047)
10. Рекомендации по использованию технологии осаждения пленок TiN для изготовления пленочных электродов.
Реализация в науке и технике.
Значительная часть теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы выполнена в рамках следующих проектов, поддержанных Российским фондом фундаментальных исследований: «Синтез и исследование супергидрофильного титаносодержащего материала» (грант 07-03-00543), «Плазменный синтез и исследование слоевых оксинитридных структур Ti^NyO^ с нано- и ультраразмерными составляющими» (грант 08-03-90015-Бел_а).
Разработанные в диссертационной работе методы используют в исследовательской работе и в производстве изделий ОАО «Авангард»
Физические представления, теоретические результаты и практические методы, полученные в диссертации, использованы автором в курсах лекций и лабораторных практикумах дисциплин «Технология материалов и изделий электронной техники» и «Основы физики вакуума» для студентов СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина).
Научные положения, выносимые на защиту.
Ввод азота в вакуумную камеру при оксидном режиме работы мишени приводит появлению в спектрах испускания плазмы линий Ті, интенсивность которой зависит от расхода кислорода и азота.
При распылении титановой мишени в трехкомпонентной газовой среде Ar+02+N2 переход в оксинитридный режим работы приводит к уменьшению степени возбуждения атомов аргона примерно в 1.1-1.3 раза и зависит от расхода кислорода и азота.
При переходе мишени в оксинитридный режим работы температура электронов увеличивается примерно в два раза, а их концентрация уменьшается примерно в 6 рази, эти изменения зависят от расхода кислорода и азота.
Модель реактивного распыления металлической мишени в трехкомпонентной газовой среде, основанная на поверхностных химических реакциях, протекающих в неизотермических условиях, корректно отражает экспериментально наблюдаемые эффекты и служит методической базой для разработки технологии осаждения пленок оксинитрида титана.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях, а также на научно-технических семинарах, среди которых: Научно-технический семинар
«Вакуумная техника и технология» (г. Санкт-Петербург, 2006-2008 гг.), XII Международная конференция «Высокие технологии в промышленности России» (г. Москва, 2006 г.), III Всероссийская конференция «Физико-химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах «ФАГРАН-2006» (г. Воронеж, 2006 г.), 60-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава университета (г. Санкт-Петербург, 2007 г.), 8-я Международная конференция «Пленки и покрытия» (г. Санкт-Петербург, 2007 г.), XX Всероссийское совещание по температуроустойчивым функциональным покрытиям (г. Санкт-Петербург, 2007 г.), I Международная научная конференция «Наноструктурные материалы-2008: НАНО-2008» (г. Минск, 2008 г.), IV научно-техническая конференция молодых специалистов по радиоэлектронике (г. Санкт-Петербург, 2011 г.)
Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 16 статьях и докладах, из них по теме диссертации 16, среди которых 4 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 2 статьи в других изданиях. Доклады доложены и получили одобрение на 9 международных, всероссийских и межвузовских научно-практических конференциях перечисленных в конце автореферата. Основные положения защищены 1 патентом на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав с выводами, заключения и практических рекомендаций. Она изложена на 143 страницах машинописного текста, включает ПО рисунков, 5 таблиц и содержит список литературы из 165 наименований, среди которых 17 отечественных и 148 иностранных авторов.
Управление составом и кристаллической структурой
Другим частным случаем обширной группы материалов Ti02(i_il.)Nr в случае значения стехиометрического коэффициента х = 1 являются пленки TiN.
Пленки TiN имеют высокую электропроводность, обладают высокой твердостью и химической инертностью [36, 37], вследствие этого их применяют в качестве износостойких покрытий [38], используют в кремниевой приборной технологии в качестве диффузионных барьеров в алюминиевой и медной металлизации [39], при создании МОП-транзисторов [40, 41], кроме того, применяют как омические и выпрямляющие контакты [42]. Так, например, применение пленок TiN в качестве проводящих электродов [43] связано с их низким удельным сопротивлением, которое составляет величину порядка 0.27-0.3 мОм-см [44], в то время как удельное сопротивление широко используемых проводящих пленок оксида олова Sn02 лежит в пределах 3-Ю мОм-см [45].
Еще одним применением пленок TiN является создание диодов Шотт-ки с малой высотой потенциального барьер в быстродействующих интегральных схемах и для пассивации поверхности алюминия [46]. В работе [47] было показано, что нитрид титана может применяться в многослойных омических контактах AuiNx-GaAs и что такой контакт может стабильно работать при температурах до 550 С без изменения электрических параметров. Для определения состава получаемых пленок широко используют метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) [48, 49]. В качестве первичного источника возбуждения в методе РФЭС используется мягкое рентгеновское излучение, и регистрируются фотоэлектроны, непосредственно вырываемые рентгеновскими квантами с внутренних оболочек атомов. Поскольку энергетическое положение фотоэлектронных линий очень чувствительно к химическому окружению атомов, составляющих исследуемое вещество, данный метод позволяет определить химический состав материала. На рисунке 1.1 показан типичный спектр РФЭС пленок Т1О2, полученных Masahiko [50] методом химического осаждения из газовой фазы. На рисунке 1.1 видны наиболее интенсивные пики соответствующие испусканию 2р электронов Ті и Is электронов О. Пик Ti2p3/2 с энергией связи 459.1 эВ (рисунок 1.1, а) соответствует состоянию титана Ті4+ в структуре T1O2, пик с энергией связи 531 эВ (рисунок 1.1, б) соответствует состоянию кислорода О2 в металлическом оксиде [50-52]. Известны также еще несколько спектральных линий: пик 523.5 эВ соответствует состоянию кислорода О2- в молекуле воды, адсорбированной на поверхности пленки [51], пики 460.8 и 455.0 эВ (Ti2p3/2) соответствуют состоянию Ті2+ в оксиде ТіО, а пики 462.7 эВ и 456.9 эВ соответствуют состоянию Ті3+ в оксиде ТЇ2О3 [53].
Типичный спектр РФЭС пленок TiN, полученных Sullivan [54] методом реактивного распыления в среде Ar+N2 показан на рисунке 1.2. В эксперименте парциальное давление азота составляло от 0 до 25 % от
Энергия связи, эВ Содержание Ті Рисунок 1.2 - Спектры РФЭС пленок TiN, Рисунок 1.3 - Диаграмма состава пленок полученные при разном парциальном давлении оксинитрида титана Ti02(1„.r)Nx. азота относительно суммарного давления суммарного давления в вакуумной камере. На рисунке 1.2 видно, что при отсутствии азота в газовой среде (кривая 0 %) в спектрах РФЭС обнаруживаются пики соответствующие металлическому состоянию чистого титана 460.0 эВ (Ti2p!/2) и 454.1 эВ (Ті2р;}/2)- При увеличении парциального давления азота в камере в процессе распыления было обнаружено смещение пиков к 460.8 и 455 эВ (кривая 12 %), соответственно. Данные состояния характерны для стехиометрического нитрида титана [55, 56].
В общем случае состав пленок оксинитрида титана записывают в форме Ti02(i_x)Nx и описывают с помощью диаграммы изображенной на рисунке 1.3. Как было показано Dreo и Petitjean [57, 58] возможно получение непрерывного ряда пленок оксинитрида с различным содержанием в них кислорода и азота. При этом третьим компонентом могут выступать как атомы неметаллов [59-63], так и атомы благородных и переходных металлов [64-69].
Идентификация линий в спектрах испускания плазмы
Как было показано в п. 1.3.1 магнетронное распыление металлической мишени в реактивной газовой среде является в высокой степени нелинейным процессом. Эта нелинейность и характерные гистерезисные эффекты обусловлены сложными процессами, протекающими в системе распыления (мишень, подложка, стенка камеры и плазма), и при экспериментальном исследовании наблюдаются в зависимостях парциального давления каждого реактивного газа от направления изменения их объемных расходов или плотности тока разряда.
В зависимости от значений указанных параметров и количественного соотношения между ними мишень может находиться в одном из стационарных режимов: металлическом или реактивном.
Общая методика разработки технологии осаждения пленки окси-нитрида любого металла в этих условиях должна включить на первом этапе выявление указанных особенностей процесса. Выполняя такие исследования на конкретном оборудовании технолог определяет интервалы изменения основных независимых параметров, в границах которых может быть осаждена пленка оксинитрида данного металла.
Для трехкомпонентной среды таковыми являются объемные расходы кислорода Qoi» Q02 и плотность тока разряда Jp. В результате исследования, носящего прикладной характер, могут быть выявлены и некоторые фундаментальные свойства процесса реактивного магнетронного распыления.
Данная глава посвящена исследованию процесса распыления, титановой мишени в трехкомпонентной газовой среде методом оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС). Материалы этой главы опубликованы в работах автора [A3-A7J. 2.1. Диагностика плазмы методом ОЭС При распылении металлической мишени в двухкомпонентной газовой среде (Аг+Ог и Аг+Ыг) было установлено, что мишень может иметь два стационарных режима работы: металлический и реактивный [112].
В случае металлического режима поверхность мишени представляет собой чистый металл. Данный режим возникает либо в случае распыления металла в среде чистого А г, либо при относительно большой плотности тока и малом объемном расходе реактивного газа. В случае реактивного режима работы предполагают, что поверхность мишени полностью покрыта химическим соединением металла с реактивным газом (оксида или нитрида) [ПО, 151]. При распылении мишени в среде Ar-N2 этот режим называют нитридным, для газовой среды Аг+02 — оксидным. Тогда для среды Ar+02+N2 его можно назвать оксинитридным. Данные режимы возникают при относительно малой плотности тока и больших объемных расходах реактивного газа.
Состояние поверхности мишени неразрывно связано с параметрами плазмы газового разряда при реактивном магнетронном распылении. В нестационарном состоянии эта связь носит двухсторонний характер. Изменение параметров плазмы влекут за собой изменение состояния поверхности мишени, которое, в свою очередь, влияет на параметры плазмы. Поэтому детальное изучение изменение состояния поверхности мишени можно осуществить с помощью диагностики плазмы газового разряда.
Тонким инструментом такой диагностики служит оптическая эмиссионная спектроскопия. Ее применяют во многих областях, например, для изучения состава объемных материалов [152], характсризации аргоновой [153] и кислородной плазмы [118]. С помощью ОЭС исследовано влияние кислорода на спектр испускания аргоновой плазмы [131]. ОЭС часто используют при изучении процессов осаждения тонких пленок: при импульсном лазерном испарении [134], химическом газофазном осаждении, активированном плазмой [154], магнетронном распылении [129], реактивном магнетронном распылении при осаждении нитридов [135], оксидов [114, 127] и оксинитридов [155].
При анализе спектров испускания плазмы первой и наиболее важной задачей является идентификация наблюдаемых линий.
Эта задача при реактивном распылении облегчается знанием используемых химических элементов: металл М, Аг и реактивные газы. При металлическом режиме работы мишени, когда реактивные газы поглощает стенка вакуумной камеры, основными компонентами среды являются Аг, Ar+, М и М+. Концентрациями атомов и молекул остаточных газов, а также технических жидкостей, применяемых в средствах откачки, можно пренебречь.
Для идентификации спектральных линий всех элементов в диссертационном исследовании были проведены серии экспериментов по распылению титановой мишени (чистота 99.99 %) в однокомпонентных газовых средах: Аг, Ог и N2.
Исследование процесса распыления в двухкомпонентной газовой среде Аг+Ог или Ar+N2 проводились в типовой вакуумной системе показанной на рисунке 2.1 с остаточным давлением 5-Ю-4 Па. Аксиальный магнетрон с титановой мишенью, показанной на рисунке 2.2 диаметром ПО мм работал на постоянном токе (/р = 0.3-5 A, U = 300-600 В). Вакуумная система установки оснащена диффузионным насосом с номинальной быстротой действия 0.3 м3/с и механическим насосом 2НВР-5Д с номинальной быстротой действия 0.005 м3/с. Установка оснащена механической рычажной системой переключения насосов. Для измерения давлений использовался вакуумметр УИП—2, оснащенный термопарным и ионизационными датчиками. Объем вакуумной камеры равен 0.076 м3. Для напуска газов использованы игольчатые натекатели. Дросселирование откачки осуществлялось с помощью затвора.
Основные приближения зондовой теории Ленгмюра и погрешности зондовых измерений
Известно, что постоянное магнитное поле искажает максвелловское распределение электронов [159]. Задачу об электрическом зонде в магнитном поле рассматривали многие авторы, однако до сих пор корректной теории зондовых измерений в сильном магнитном поле нет. В магнитном поле заряженные частицы движутся вдоль силовых линий по спиральным траекториям. Если магнитное поле не очень сильное, то оно мало влияет на зондовую характеристику, т.к. слабо искривляет траектории заряженных частиц вблизи зонда, и они определяются главным образом электрическим полем. Для магнитных полей средней напряженности (до нескольких тысяч Эрстед) часто средний радиус ионов намного превышает размеры зонда. В этом случае магнитное поле слабо влияет на ионную часть зондовой характеристики [159].
Исходя из этого, была проведена серия экспериментов по измерению величины магнитной индукции магнетрона. На рисунке 3.1 показано рас пределение магнитного поля при изменении радиального (координата у) и аксиального расстояний (координата г). Как видно из рисунка максималь в, тл А _7=п в Распределение магнитного поля вдоль поверхности мишени на различных / ч мере удаления от мишени расстояниях z (мм) от нее r J Распределение магнитного поля по ная величина магнитной индукции составляет 0.68 Тл, т.е. максимальная величина напряженности магнитного поля, исходя из выражения : В = Щ)-Н. (3.1) не превышает 679.6 Э. В выражении (3.1) приняты обозначения В — магнитная индукция, Тл; Н — напряженность магнитного поля, А/м; U.Q = 1.256 х 10_6 — магнитная постоянная, Гн/м.
На рисунке 3.2 показано распределение магнитного поля вдоль аксиальной оси z при радиальном расстоянии 20 мм и указана точка, соответствующая типичному положению зонда (z = 30 мм). Видно, что при расположении зонда на расстоянии 30 мм от поверхности мишени, величина магнитной индукции составляет 0.007 Тл, что соответствует величине напряженности магнитного поля в данной точке не более 50 Э. Таким образом влиянием магнитного поля можно пренебречь.
Размеры зонда ограничиваются тем, что слишком большой зонд существенно влияет на режим разряда и характеристики плазмы в исследуемой зоне. Во-первых, зонд, как постороннее тело, влияет на состояние плазмы, например на геометрические условия протекания разрядных токов. Он может также вызвать изменение температуры газа вблизи своей поверхности. При высокой плотности и температуре газа холодный зонд вызывает заметное охлаждение и увеличение плотности прилегающих слоев газа. Во-вторых, зонд вносит возмущения электрического характера. При увеличении потенциала зонда его ток увеличивается и при большой площади поверхности может стать сравнимым с разрядным током; при большом напряжении происходит зажигание самостоятельного разряда на зонд. В обоих случаях зонд сильно возмущает концентрацию заряженных частиц. Основным критерием оценки размеров зонда и вносимых им возмущений плазмы является соотношение геометрических размеров зонда и длиной свободного пробега заряженной частицы [159]. Возмущениями, вносимыми цилиндрическим зондом можно пренебречь, если: r L (3.2) где г — радиус цилиндрического зонда, L — длина свободного пробега. Длина свободного пробега в неравенстве (3.2) определяется [161] выра 73 жением: где р — давление, Па. Таким образом, для типичного рабочего давления 2 мТорр длина свободного пробега составляет величину порядка 25 мм. Исходя из этого была разработана конструкция зонда с изолятором, в которой применялся зонд цилиндрической формы с радиусом г — 0.5 мм и длиной / = 6 мм. Исходя из условия (3.2) возмущения такого зонда малы и ими можно пренебречь.
Загрязнение поверхности зонда приводит к изменению коэффициента вторичной электронной эмиссии, которое в свою очередь приводит к завышению величины ионного тока. Этот фактор оказывает особенно сильное влияние при применении зонда в средах с высокой концентрацией метастабильных атомов вследствие того, что метастабильные атомы, ударяясь о поверхность зонда, вызывают вторичную электронную эмиссию при переходе в основное состояние. Как было показано в п. 2.2.2 аргоновая плазма магнетронного разряда содержит большое количество метастабильных атомов. Кроме того, при переходе системы в реактивный режим работы поверхность зонда покрывается слоем оксинитрида титана, коэффициент вторичной электронной эмиссии которого лежит в диапазоне 0.172-0.185 что больше коэффициента вторичной электронной эмиссии титана, равного 0.102 [162]. Таким образом, основными источниками загрязнения поверхности зонда при исследовании плазмы магнетронного разряда при распылении титановой мишени в среде аргона, кислорода и азота являются частицы титана и оксинитрида титана.
Для определений погрешности измерений была проведена серия экспериментов по изучению влияния загрязнения поверхности двойного зонда. На рисунке 3.3 приведены ВАХ: чистого зонда (кривая /), при его запылении титаном (кривая 2) и нитридом титана (кривая 3) в течение 10 минут. Из рисунка видно, что запыление титаном уменьшает ток насыще 74 Большее искажение вносит запыление зонда оксидом титана, что показано на рисунке 3.4. В данном случае можно говорить о совсем другом характере изменений. В области малых смещений потенциала наблюдается сильное занижение показаний, в то время как при значительном смещении, подаваемом на зонд, показания завышены. Это объясняется тем, что оксид титана является диэлектриком и при покрытии поверхности зондов слоем диэлектрического материала в окрестности зонда появляется слой объемного заряда, который не преодолеть заряженным частицам, участвующим в создании зондового тока при малой разности потенциалов, приложенной между зондами. При увеличении же этой разности частицы легче преодолевают этот барьер и, к тому же, один из зондов очищается под действием бомбардирующих его частиц. Результаты расчета по вольтамперным характеристикам запыленного в течение 10 мин зонда (рисунок 3.3, кривая /, 2) показали, что погрешность измерений не превышает 20 %.
При низком давлении газа почти всегда имеют место колебания потенциала плазмы. Эти колебания могут проявляться, например, в виде переменного анодного падения в тлеющем разряде или переменной разности потенциалов между различными участками плазмы. Это приводит к колебаниям потенциала зонда относительно плазмы. Если частота этих колебаний не очень велика, так что электронный ток успевает установиться за период колебаний, то зондовыи ток усредняется. Поскольку зондовая характеристика резко нелинейная, то это усреднение приводит к ее деформации. Кроме колебаний потенциала в плазме могут происходить периодические и беспорядочные колебания других параметров - концентрации заряженных частиц и их температуры. Если колебания не заходят в область насыщения, то они не влияют на наклон характеристики и на определение температуры электронов. Если же амплитуда колебаний потенциала такова, что они заходят в область насыщения, то происходит «сглаживание» характеристики. В случае двойного зонда существенными являются лишь колебания разности потенциалов между участками плазмы, в которых находятся зонды. Эти колебания намного меньше, чем в случае одиночного зонда [159]. Для уменьшения влияния колебаний плазмы на результаты измерения параметров плазмы был применен двойной зонд Ленгмюра.
Экспериментальное уточнение границ рабочих режимов
Разработанная модель для двух реактивных газов была применена к случаю распыления титановой мишени в среде азота и кислорода. На рисунках 4.4 и 4.5 в виде зависимостей рх = f(Qoi) и Vi = /(Qoi). соответственно, приведено решение системы уравнений (4.46)-(4.53) при фиксированной плотности тока разряда Jp и объемном расходе азота Q . Случай Q02 = 0 см3/мин на рисунке 4.4 представляет собой частный случай распыления в среде аргона и кислорода. Из рисунка 4.4 видно, что во всех случаях кривые содержат три участка: 1) от нуля до точки А слабая зависимость парциального давления кислорода р\ от его объемного расхода Qoi- На этом участке мишень находится в металлическом режиме; 2) от точки А до точки С участок с отрицательной производной все точки которого неустойчивы; 3) от точки С до точки В и далее прямая пропорциональность между парциальным давлением кислорода р\ и его объемным расходом Qoi- На этом участке мишень находится в оксинитридном режиме работы.
При проведении экспериментов в зависимости pi = f(Qoi) будет наблюдаться гистерезис: при увеличении объемного расхода кислорода Qm в точке А будет скачкообразное увеличение его парциального давления Рі до точки В, а при уменьшении объемного расхода кислорода Qoi в точке С его давление скачкообразное уменьшается до точки D. Модель показывает, что при увеличении объемного расхода азота Q02 происходит сдвиг точек неустойчивости А и С в область меньших значений объемного расхода кислорода Qoi.
Отметим, что объемный расход кислорода Qoi влияет не только на парциальное давление кислорода р\, но и на парциальное давление азота Р2 в вакуумной камере. В экспериментах в этой зависимости также будет наблюдаться гистерезисный эффект, т.е. парциальное давление азота р2 (см. точки А и С на рисунке 4.5) будет изменяться скачкообразно. При этом стационарное значение давления азота р2 в оксинитридном режиме работы мишени пропорционально объемному расходу азота Q02 и не зависит от объемного расхода кислорода Q0i Сравним экспериментальные результаты приведенные на рисунке 2.34 и результаты расчета на основе неизотермической модели, показанные на рисунке 4.5. Это сравнение может быть проведено только на качественном уровне, поскольку на рисунке 2.34 показано влияние объемного расхода кислорода Q0i на интенсивность линии азота N2H и на парциальное давление азота р2 (рисунок 4.5), соответственно. Но это сравнение следует считать корректным поскольку при Jp = const интенсивность линии азота N2II в спектре испускания плазмы зависит главным образом от концентрации азота в газовой среде, т.е. от его парциального давления р2.
Исходя из этого можно сделать вывод, что модель корректно предсказывает влияние объемного расхода кислорода Qoi на парциальное давление азота р2 в камере. При этом следует учесть, что при Jp = const экспериментально не наблюдаются участки зависимости с отрицательной производной, изображенные штриховыми линиями на рисунке 4.5. В то время как сплошные линии на рисунках 4.5 и 2.34 идентично описывают процессы, происходящие в системе распыления, в частности: при увеличении объемного расхода кислорода Qoi в оксинитридном режиме работы мишени парциальное давление азота р2 остается постоянным и определяется только объемным расходом азота QQ2\ при увеличении объемного расхода азота Q02 точка перехода в окси-нитридный режим смещается в область меньших объемных расходов кислорода Qoi
