Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Применение и технология плёнок оксида тантала 10
1.1 Кристаллическая структура и физические свойства 10
1.1.1 Кристаллическая структура 10
1.1.2. Диэлектрические свойства 12
1.1.3. Ток утечки 14
1.1.4. Оптические характеристики пленок оксида тантала 15
1.1.5. Неравновесный заряд
1.2 Области применения 19
1.3 Методы осаждения 21
1.4 Реактивное магнетронное распыление 23
Выводы и постановка задач диссертационного исследования 30
ГЛАВА 2 Технологическое и измерительное оборудование
2.1 Экспериментальное технологическое оборудование 32
2.1.1. Экспериментальная установка для осаждения однослойных оксидных структур 35
2.1.2. Экспериментальная установка для осаждения двухслойных структур 40
2.1.3. Испытания экспериментальной установки
2.2 Стенд для измерения оптических спектров отражения и пропускания плёночных структур 44
2.3 Стенд для измерения вольт-амперных характеристик 47
2.4 Стенд для измерение неравновесного заряда в плёнке диэлектрика
2.4.1. Модель измерительного устройства 50
2.4.2. Потенциал на границах пленки 52
2.4.3. Потенциал на электродах 54
2.4.4. Динамический режим 56
2.4.5. Измерение заряда в пленке методом динамического конденсатора с компенсаци ей 57
2.4.6. Стенд для измерения неравновесного заряда 58
Выводы 61
ГЛАВА 3 Исследование плазмы разряда при распылении танталовой мишени в реактивной среде 63
3.1 Особенности распыления танталовой мишени в реактивной газовой среде 63
3.2 Исследование плазмы
3.2.1. Распыление мишени в среде аргона 66
3.2.2. Распыление мишени в среде кислорода 68
3.2.3. Распыление мишени в среде аргона и кислорода 70
3.2.4. Нестационарные условия работы мишени
3.3. ВАХ магнетронного разряда 74
3.4. Основные положения методики разработки технологии осаждения пленок з
3.4.1. Точки неустойчивости процесса 78
3.4.2. Алгоритм выхода в рабочий режим 80
3.4.3. Устойчивость процесса осаждения пленки 82
Выводы 85
ГЛАВА 4 Разработка и исследование технологии пленок 87
4.1 Основные этапы технологии пленок 87
4.2 Технологические параметры 91
4.3 Объемный расход кислорода 98
4.4 Ток разряда 100
4.5 Парциальное давление аргона 102
4.6 Температура подложки 102
4.7 Потенциал смещения на подложке 104
4.8 Состав и структура 105
4.9 Дополнительная термообработка 107
Выводы 108
ГЛАВА 5 Рекомендации по практическому применению пленок оксида тантала 109
5.1 Электроника 109
5.1.1 Ток утечки пленки ПО
5.1.2 Элементы электронных компонентов 117
5.2. Устройства для стимуляция репарации поврежденных тканей 121
5.2.1 Инжекция заряда 121
5.2.2 Релаксация заряда в воздушной среде 124
5.2.3 Релаксация заряда в модели биологической среды 126
5.2.4 Релаксация заряда при внешних воздействиях 127
5.2.5 Влияние материала подложки на релаксацию заряда 127
5.2.6 Электростимуляции репарации поврежденных тканей 130
Выводы 133
Заключение 135
Литература
- Оптические характеристики пленок оксида тантала
- Испытания экспериментальной установки
- Распыление мишени в среде кислорода
- Релаксация заряда в модели биологической среды
Введение к работе
1.1. Актуальность темы
В мире большое внимание уделяется исследованию пленок оксидов переходных металлов с целью поиска перспективных материалов для приборов вакуумной и плазменной электроники, микроэлектроники и устройств медицинского назначения и т. д.
Среди оксидов переходных металлов интерес представляет оксид тантала (ТагС^), пленки которого обладают высокой стабильностью свойств, обусловленной наиболее высокой химической стойкостью среди оксидов других переходных металлов. Электрофизические свойства пленок оксида тантала (є ~ 25-30, низкие токи утечки и пр.) позволяют считать этот материал перспективным для применения в электронике.
Спектр технологий осаждения пленок ТагС^ чрезвычайно широк. Наиболее стабильные электрофизические свойства пленок достигаются применением магнетронного распыления материалов. Но, несмотря на все достоинства, практическая реализация метода реактивного магнетронного распыления осложнена отсутствием обобщенной методики, позволяющей научно обоснованно выполнить разработку технологического процесса.
1.2. Цель работы
Целью данной диссертационной работы является исследование и разработка технологии осаждения пленок оксида тантала методом реактивного магнетронного распыления.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
Задача первая: разработать и изготовить комплекс экспериментального оборудования для осаждения и исследования пленок.
Задача вторая: экспериментально исследовать физические процессы и явления, происходящие при осаждении пленки.
Задача третья: сформировать общую методику разработки технологии осаждения оксидных пленок методом реактивного магнетронного распыления.
Задача четвертая: разработать технологию осаждения пленок оксида тантала методом реактивного магнетронного распыления.
Задача пятая: экспериментально исследовать свойства пленок и влияние на них технологических параметров.
Задача шестая: выработать рекомендации по практическому применению разработанной технологии для изготовления приборов вакуумной и плазменной электроники и других приложений.
1.3. Научная новизна
Существенно новые научные результаты диссертации состоят в следующем: 1. Разработаны теоретические основы компенсационного метода измерения поверхностного потенциала диэлектрической пленки, используемого для контроля технологического процесса.
Установлены особенности физических процессов и явлений происходящих при осаждении пленки. Исследование проведено по спектрам испускания плазмы аномального тлеющего разряда при распылении танталовой мишени в инертной и реактивной средах и вольт-амперным характеристикам разряда.
Исследовано влияние основных и вспомогательных технологических параметров на химический состав, кристаллическую структуру и физические свойства пленок.
Установлено, что при электрическом поле менее 1 мВ/см ток утечки в пленках Таг05 имеет низкий уровень и формируется за счет двух основных механизмов - эмиссии Шоттки и эффекта Пула-Френкеля.
Установлено, что релаксация встроенного в осажденную пленку технологического заряда в осажденной пленке проходит по однозонной модели и характеризуется малой скоростью релаксации. Релаксация инжектированного в поверхность осажденной пленки Таг05 заряда проходит по двухзонной модели и характеризуется высокой скоростью релаксации в первой зоне.
Установлено, что металл подложки, на которую осаждена пленка, оказывает существенное влияние на скорость релаксации неравновесного заряда.
1.4. Практическая ценность
Практическую ценность представляют следующие результаты работы:
Комплекс рекомендаций по составу и техническим характеристикам экспериментального технологического оборудования для осаждения пленок Т^О^ методом реактивного магнетронного распыления.
Комплекс технологического и измерительного оборудования для исследования технологии осаждения оксидных пленок методом реактивного магнетронного распыления.
Методика разработки технологии осаждения пленки оксида, основанная на обобщенной неизотермической физико-химической модели и результатах эксперимента.
Результаты анализа возможных последствий нестабильности работы устройств, обеспечивающих в системе распыления расход реактивного газа и ток разряда.
Использование оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС) как метода, который позволяет наблюдать за состоянием плазмы и служит эффективным инструментом исследования и контроля технологического процесса.
Технология осаждения аморфных пленок Та205 х-
Методы инжекции в пленку неравновесного отрицательного заряда.
Практическое применение разработанной технологии, для изготовления защитных покрытий в приборах вакуумной и плазменной электроники и диэлектрических покрытий для микроэлектроники и устройств медицинского назначения.
Нанесение на поверхность изделий медицинского назначения, изготовленных из титана, буферного подслоя тантала толщиной не более 500 нм, увеличивающего время релаксации неравновесного заряда.
1.5. Реализация в науке и технике
Значительная часть теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» (государственный контракт № У-0032 от 31.07.2002 г.), а также следующих проектов, поддержанных Российским фондом фундаментальных исследований: «Синтез и исследование композиционного биоактивного материала ТагС^/Ті» (грант 04-03-32253), «Синтез новых композиционных материалов на основе многослойных наноструктур ТагС^/ТЮг и исследование их физико-химических свойств» (грант 10-03-00845-а), Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере «Разработка установки и технологии нанесения биоактивных электретных нанопокрытий на изделия медицинского назначения» (госконтракт 5828р/8180 от 31.03.2008 г.) и Комитетом по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга «Разработка технологии и создание принципиально нового биоактивного электретного материала на основе тонких плёнок оксида тантала» (договор №352/09 от 30.10.2009 г.)
Разработанные в диссертационной работе методы используют в исследовательской работе и производстве изделий ОАО НПП «ЭЛЕКТРОН» г. СПб, ОАО «Завод Магнетон» г. СПб и ГУЗ «Городская больница Святой преподобной мученицы Елизаветы» г. СПб.
Физические представления, теоретические результаты и практические методы, полученные в диссертации, использованы автором в лабораторном практикуме дисциплин «Технология материалов и изделий электронной техники» и «Основы физики вакуума» для студентов СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина), а также при создании учебного пособия «Технология материалов и изделий электронной техники», изданного в 2010 году.
1.6. Научные положения, выносимые на защиту
Применение компенсации выходного сигнала по первой гармонике в устройстве измерения заряда пленки, осажденной реактивным магнетронным распылением, обеспечивает уменьшение абсолютной погрешности примерно в 2 раза, по сравнению с традиционно используемой методикой.
Переход магнетронной распылительной системы в режим осаждения пленки оксида тантала сопровождается уменьшением тока разряда на 25-30%, одновременно с этим, в спектре испускания плазмы тлеющего разряда появляются линии атомарного кислорода и уменьшаются интенсивности всех линий аргона, что является критерием выхода мишени в оксидный режим и может быть использовано при оперативном контроле процесса осаждения.
Осаждение на танталовые подложки при положительном потенциале смещения в диапазоне 100-150 В создает условия для захвата электронов из плазмы на глубокие ло-
4 вушки в пленке, что приводит к формированию в ней отрицательного заряда с поверх-ностной плотностью не менее 210 Кл/м и временем релаксации не менее 6000 часов.
4. Осаждение аморфных пленок оксида тантала, близких к стехиометрическому составу Тъ20% достигается при наибольшем расходе кислорода и наименьшей плотности тока разряда в области установленных допустимых значений основных технологических параметров.
1.7. Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы представлены на Международных и Всероссийских конференциях, а также на научно-технических семинарах. В том числе: 8-я и 9-я международные конференции «Пленки и покрытия» (г. Санкт-Петербург, 2009-2011 гг.), Научно-технический семинар «Вакуумная техника и технология» (г. Санкт-Петербург, 2008 - 2011 гг.), III Международная научной конференции «Наноструктурные материалы-2009: НАНО-2009» (г. Екатеринбург, 2009 г.),, XI международная конференция «Физика диэлектриков «Диэлектрики - 2008» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), XVII Международная научно-техническая конференция «Высокие технологии в промышленности России, Материалы и устройства функциональной электроники и микрофотоники» (г. Москва, 2011г.), XXIV Международный симпозиум Тонкие пленки в микроэлектронике (г. Москва, 2011г.), IV Международная научно-техническая конференция «НАНОИНЖЕНЕРИЯ» (г. Москва, 2011г.)
1.8. Публикации
Автор имеет 24 научных публикаций по теме диссертационной работы, включая 8 статей, опубликованных в рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 5 статей опубликованных в других журналах, 7 работ -в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций и симпозиумов, 4 патента на изобретение и полезную модель.
1.9. Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 157 наименований, и приложения. Основная часть диссертации изложена на 148 страницах машинописного текста. Работа содержит 113 рисунков и 12 таблиц.
Оптические характеристики пленок оксида тантала
Научная литература достаточно насыщена публикациями об исследовании тонких пленок оксидов и оксидных систем на их основе. Разнообразие возможных применений этих пленок стимулировало разработку и исследование методов их осаждения на различные подложки (кремний, кварц, стекло, керамику). Каждый из указанных в таблице 1.1 методов обладает определенными достоинствами и недостатками. Метод Источник Химические методы Химическое газофазное осаждение [82] Фотоиндуцированное химическое газофазное осаждение [26] Химическое газофазное осаждение, активированное плазмой [18] Химическое газофазное осаждение из металлоорганического соединения [61], [82-84] Золь-гель метод [20], [50] Анодное оксидирование [65], [85] Атомно-слоевое осаждение П61 Методы испарения Электронно-лучевое испарение; [13], [18], [65] Конвенционное электронно- лучевое испарение; [17] Реактивное электронно-лучевое испарение [86] Импульсно-лазерное осаждение [14], [69-70] Методы распыления Ионно-лучевое распыление [42-43], [46] Реактивный ионный пучок [38] Ионно-плазменное осаждение [49] Реактивное магнетронное высоко- [14], [19], [33] частотное распыление; Реактивное магнетронное распыле- [15], [66], [71], [87] ние на постоянном токе Среди указанных технологий нельзя выделить наиболее универсальный метод. Так, например выбор метода для промышленного применения определяется в первую очередь особенностями технологического процесса изготовления конкретного устройства. Однако изучение публикаций показало, что исследования ведутся широким фронтом. Различные группы специалистов, используя свой технологический опыт и имеющееся оборудование, получают пленочные структуры, изучают их электрофизические свойства, создавая, таким образом, фундамент развития электроники. Как следует из таблицы 1.1, наиболее часто для осаждения пленочных структур применяют вакуумно-плазменные методы.
Наиболее стабильные электрофизические свойства тонких пленок достигается применением магнетронного [88-89] распыления материалов. Этот метод распыления, обеспечивая высокую скорость осаждения пленок, позволяет получать пленки с высокой химической чистотой, плотностью, адгезией к подложке и равномерностью физических свойств по площади поверхности подложки [49, 87-88]. Также необходимо отметить возможность нанесения покрытий на поверхности подложек большой площади и сложной геометрической формы.
Метод магнетронного распыления, запатентованный еще в 1939 г. (ячейка Пеннига), основан на использовании скрещенных магнитного и электрического полей для повышения эффективности ионизации рабочего газа и создания над поверхностью катода - мишени области плотной плазмы [66].
В таблице 1.2 приведены некоторые параметры пленок Та205, полученных различными методами [69]. Как видно из таблицы 1.2 пленки, полученные реактивным распылением, обладают наибольшей емкостью и высокой диэлектрической проницаемостью, но по диэлектрическим потерям уступают пленкам, полученным методами анодирования. Однако, как показали исследования [90] применение ВЧ-магнетронного реактивного распыления позволяет значительно улучшить этот показатель. Таблица 1.2 - Основные параметры пленок ТагОэ, полученных различными методами Параметр Метод получения Электролитическое осаждение Реактивное распыление Плазменное анодирование Удельная емкость для оксида толщиной 0,2 мкм, пФ/см2 1Х105 1.2.-2.2 Х105 1-1.5Х105 Диэлектрические потери при 1 кГц 0,01 0,1-0,2 0,01-0,078 Диэлектрическая постоянная 22,2 25-50 30-50
Распыление металлических мишеней в плазме инертного газа (обычно аргона) - известная и эффективная методика осаждения тонких пленок металлов. Добавление в среду Аг реактивного газа (02, N2, В2Н6 и др.) позволяет осаждать пленки оксидов, нитридов, боридов и др. Для решения этих задач применяют достаточное разнообразие распылительных систем, работающих на постоянном или переменном токе, с применением магнитного поля или без него.
За последние 30 лет внимание к реактивному распылению оставалось на очень высоком уровне. Установлены многообразные эффекты, сопровождающие этот процесс. В ранних работах для многих оксидов, в том числе и для Та205, было обнаружено значительное влияние концентрации кислорода в газовой смеси или его парциального давления на скорость роста пленки, напряжение разряда и состав пленки [123-134]. Например, при распылении мишени из Fe в среде Аг + 02 в [133] выявлено скачкообразное уменьшение почти на порядок скорости роста пленки при увеличении парциального давления кислорода. В более поздних работах было установлено, что парциальное давление 02 не является независимой переменной. В исследованиях с независимой переменной в виде объемного расхода реактивного газа QQ В [132] обнаружено лавинообразное увеличение суммарного давления рш при определенном (критическом) значении Q0 (рисунок 1.14). После скачка давление рш нарастает пропорционально величине QQ. ки за счет геттерирования при реактивном магнетронном распылении Ті в среде Аг+02, которая получилась поряд-ка 4.5 м /с. Было высказано предположение, что на поверхности металлической мишени, распыляемой в реактивной среде, конкурируют два процесса: окисление поверхности и распыление оксидной пленки. При малом расходе кислорода скорость распыления превышает скорость роста оксидной пленки
Испытания экспериментальной установки
В колпак установки были вмонтированы два плоских аксиальных магнетрона с диаметром мишени 70 мм (магнетрон серии МАК-3). Магнитная система МРС изготовлена из SmCo постоянного магнита прямоугольной формы. Такой диаметр мишени обеспечивает высокую равномерность пленки по толщине (перепад по площади не более ± 5 - 7%) и неизменность физических свойств покрытия на всей площади образца при использовании подложек с максимальным геометрическим размером 30x30 мм. Параметры блока питания и характеристики магнита экспериментальным путем подобраны так, чтобы обеспечить сопоставимую с большим аксиальным магнетроном плотность тока. Для предотвращения взаимного перераспыления мишеней установка оснащена защитной заслонкой. По оснащенности дополнительными приборами и устройствами вторая установка полностью соответствует ранее собранной, за исключением системы реверсивного перемещения.
Установка позволяет в рамках единого технологического цикла произвести контролируемое осаждение двухслойной гетероструктуры «металл -Та205» с заданными свойствами и составом для изучения влияния металлического подслоя на физические свойства пленок Та205. 2.1.3. Испытание экспериментальной установки
Испытания и последующая работа экспериментальных установок продемонстрировали стабильную работу новых систем и устройств и высокую воспроизводимость экспериментальных результатов. Все параметры соответствуют расчётным: Ток магнетронного разряда зависит от многих факторов, например от рабочего напряжения, давления рабочего газа, индукции магнитного поля, конфигурации магнитной системы, распыляемого материала и опреде ляется, в первую очередь, мощностью источника питания. Одной из основ 43 ных характеристик разряда является вольт-амперная характеристика (ВАХ). На рисунках 2.6 и 2.7 приведены соответственно ВАХ магнетронного разряда при распылении тантала в среде аргона при разных давлениях плазмообра зующего газа для магнетронных
Кроме того, во время испытания МРС с диаметром мишени 70 мм был обнаружен эффект снижение скорости роста пленки при увеличении тока разряда (рисунок 2.8). Возможно, что наблюдаемый эффект объясняется частичным распылением растущей пленки за счёт ее бомбардировки высокоэнергетичными частицами, концентрация которых в плазме возрастает при увеличении напряжения.
Были проведены испытания спектрофотометрической приставки. На рисунке 2.9 приведен типичный спектр испускания плазмы магнетронного разряда, полученный на спектрофотометрической приставке при распылении Та в среде аргона. Идентификация наблюдаемых линий в спектре облегчается
Типичный спектр испускания плазмы при распылении Та в среде аргона знанием используемых химических элементов. При распылении химически чистой мишени из Та в среде Аг основными компонентами плазмы являются нейтральные и ионизированные атомы этих элементов, находящиеся в основном и возбужденном состоянии. Концентрации атомов и молекул остаточных газов, а также технических жидкостей, применяемых в средствах откачки, незначительны и ими можно пренебречь.
В спектрах на рисунке 2.9 в области 750 - 800 нм имеются три наиболее интенсивные линии возбужденных атомов аргона (Arl): 750.4, 763.5 и 810.4 нм. Линии возбужденных атомов тантала (Таї) наблюдаются в спектрах на рисунке 2.9 в области 450-550 нм: 481.2, 521.2 и 540.2 нм.
Проведенные испытания показали, что созданное экспериментальное оборудование позволяет обеспечить контролируемый и управляемый рост тонкопленочных покрытий с заданными свойствами и высокой повторяемостью.
Общий вид стенда представлен на рисунке 2.10. Основным элементом стенда является спектрофотометр (СФ), позволяющий выполнить измерения спектральных коэффициентов отражения и пропускания структур пленка-подложка в диапазоне длин волн 250 - 1000 мм. Диапазон длин волн, в котором можно выполнять измерения, определяется источником освещения. Для измерения в области прозрачности оксидных пленок (400-900 нм) была использована галогеновая лампа. Измерение спектров отражения и пропускания в установке выполняется по разным схемам.
Иизмерение спектра отражения выполняется при двух углах падения световой волны на образец. На рисунке 2.11 изображена схема измерения при угле падения 30. Световой поток от лампы 1, напряжение на которую подано от источника питания ИП, формируют линзы 2, 4 и щель 3. Далее через световод 6 с оптоволокном диаметром 0.6 мм поток попадает на образец 9. Выходная оправка 5 световода 6 вставлена в держатель 8 под углом 30. Отраженный от образца световой поток попадает в световод 7, входная оправка 5 которого вставлена в держатель 8 тоже под углом 30. СФ осуществляет автоматический анализ спектра отраженного сигнала. Результат выводится на экран монитора персонального компьютера (ПК).
Распыление мишени в среде кислорода
Для измерения реального заряда в диэлектрической пленке, осажденной на проводящую подложку, был создан измерительный стенд, общий вид которого приведен на рисунке 2.21. В стенде реализован метод динамического конденсатора с компенсацией [51], теоретические основы которого изложены в пп.
Датчиком сигнала в стенде служит измерительное устройство (рисунки 2.22 и 2.23), измерительный электрод которого приводит в движение над поверхностью пленки электроакустический преобразователь (ЭАП).
Выходной сигнал измерительного устройства возникает за счет переменного тока I(t) во внешней цепи, который описывает выражение (2.20). На измерительный электрод от отдельного источника подается напряжение компенсации U. Значение поверхностного потенциала пленки при таком способе измерения равно значению величины U. Кроме этого по значению U с помощью выражения (2.24) можно определить реальный неравновесный заряд Q, содержащийся в пленке. Однако, как отмечено в п. 2.4.5, для корректного определения реального заряда Q, независимо от вида плотности его распределения р(х), необходимо измерить поверхностный потенциал на обеих плоскостях пленки. Измерения со стороны только одной плоскости пленки будут корректны в единственном случае, когда заряд, расположен на этой плоскости.
В традиционных схемах приборов, построенных на методе динамического конденсатора, выходной переменный сигнал измерительного устройства наблюдают на экране осциллографа или измеряют вольтметром. Однако при малом заряде в пленке приходится иметь дело с уровнями сигналов порядка долей вольта. В этом случае отношение сигнал-шум на выходе преобразователя не превышает 3-5 дБ, что существенно усложняет задачу измерения. Кроме этого ЭАП в измерительном устройстве имеет неравномерную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), которая для изготовленного в лаборатории стенда приведена на рисунке 2.24.
Из рис. 2.24 видно, что штырь с измерительным электродом значительно изменяют АЧХ ЭАП. Для измерительного устройства в целом характерны и нелинейные искажения. При раскачке ЭАП на определенной частоте в спектре выходного сигнала помимо первой наблюдается ряд высших гармоник (рисунок 2.25). Все отмеченные особенности свидетельствуют о том, что применение в стенде для регистрации выходного сигнала измерительного устройства осциллографа или вольтметра существенно снижает точность измерений.
В разработанном измерительном стенде использована компьютерная обработка выходного сигнала измерительного устройства. На экране монитора наблюдается спектр этого сигнала. Компенсацию проводят по его первой гармонике.
Результаты исследования измерительного устройства стенда, приведенные на рисунок 2.26, показывают, что он обладает резонансными свойствами. Это позволило выбрать рабочую частоту, равную 1.2 кГц. Кроме этого были определены относительная и абсолютная погрешности измерений.
Сравнительная характеристика погрешности измерений по традиционной методике (с помощью осциллографа) и с помощью компьютерной обработки по первой гармонике выходного сигнала измерительного устройства приведена на рисунок 2.27.
Релаксация заряда в модели биологической среды
На третьем этапе необходимо выполнить комплекс исследований по выявлению влияния значимых технологических параметров на химический состав, кристаллическую структуру и физические свойства пленок. К этим параметрам отнесем в первую очередь два основных: объемный расход кислорода Qo и плотность тока разряда J. Кроме этого включим в состав изучаемых параметров парциальное давление аргона, /?АГ температуру подложки Ts и напряжение смещения на подложке Us. Решение ограничиться этими параметрами опирается на многочисленные предварительные и уточняющие эксперименты на оборудовании, которое было разработано и изготовлено в рамках данной диссертационной работы.
Допустимые границы по параметрам QQ И J определяют не только по режиму работы мишени, хотя это и служит основным критерием. Но при этом необходимо учесть особенности работы магнетронного источника. Если ориентироваться только на данные таблицы 4.1, то в ней отсутствуют верхние ограничения по расходу кислорода. Исходя из использованной модели, при любой плотности тока разряда в оксидный режим можно выйти за счет увеличения расхода кислорода. Но из рисунка 4.1 видно, что увеличение расхода кислорода в оксидном режиме приводит к увеличению парциального, а значит и суммарного давления в вакуумной камере. Это допустимо до тех пор, пока магнетрон работает в устойчивом режиме. При возрастании суммарного давления до 1-5- 1(Г2 Торр магнетрон может перейти в режим недопустимого катодного разряда.
Кроме этого нулевые нижние границы по току разряда, указанные в последнем столбце таблицы 4.1, не следует понимать буквально. Очевидно, что плотность тока можно уменьшать до тех пор, пока сохраняется стабильная работа магнетрона.
Выполнение третьего этапа при разработке технологии пленок требует многочисленных экспериментов по изготовлению опытных образцов и их исследованию. Для сокращения трудоемкости и затрат на этом этапе было принято решение отказаться от исследования химического состава и кристаллической структуры пленки в каждом образце.
Типичный спектр пропускания образца «пленка Та205_ -кварцевое стекло» косвенным признакам были применены оптические измерения. В данном исследовании для каждого образца выполнялись измерения оптических спектров пропускания и отражения в видимом диапазоне длин волн и ближнем УФ диапазоне. На рисунке 4.4 приведен типичный экспериментальный спектр пропускания одного из образцов в наших экспериментах. Спектр имеет характерный для слабо поглощающих пленок осциллирующий вид, который обусловлен ин 93 терференцией в пленке. Общей закономерностью таких спектров является увеличение частоты осцилляции при увеличении толщины пленки.
Измерение оптических спектров позволяет достаточно оперативно изучить фундаментальные физические свойства диэлектрических пленок. По спектрам определяют толщину, а значит и скорость осаждения пленки, край фундаментального поглощения, ширину энергетической щели и дисперсию ее оптических констант (зависимости оптических констант пленок Та205-Л от длины волны К). Эти измерения дают возможность косвенно оценить степень стехиометричности пленки и наличие в ней кристаллических фаз. Для такой оценки были использованы опубликованные результаты исследований других авторов. В диапазоне длин волн 600-900 нм у пленок Та205_ стехиомет-рического состава показатель преломления лежит в диапазоне 2.1—2.4, а показатель поглощения не превышает значения 0.005 [13-15]. При этом край фундаментального поглощения близок к 280 нм, а ширина оптической щели не превышает значения 4.3 4.5 эВ [40]. п(Х) = Щ + 2.0Ь (4.3) (A,) = L29; +0.0011- (4-4)
Типичные дисперсии оптических констант, полученные в наших экспериментах, описывают выражения (4.3) и (4.4), по которым построены графики на рисунках 4.5 и 4.6. Зависимости (4.3) и (4.4) соответствуют нормальной дисперсии, характерной для аморфных пленок Ta205- .
Очевидно, что в силу случайных ошибок пленки, осажденные даже при постоянных технологических режимах, будут иметь отличия в числовых коэффициентах выражений (4.3) и (4.4). Однако, если формулы (4.3) и (4.4) будут адекватны экспериментальному результату для конкретной пленки, то это может служить косвенным признаком того, что химический состав такой пленки близок к стехиометрическому.
Дисперсия показателя преломления Рисунок 4.6. Дисперсия показателя поглощения пленки Та205_„ построенная по выражению (4.3) пленки Та205-х, построенная по выражению (4.4)
Типичные спектры пропускания образцов «пленка Та205- -кварцевое стекло» с пленками, осажденными в разных условиях Ширину оптической щели пленок оксидов определяют по спектру про пускания в области фундаменталь- т, ного поглощения. На рисунке 4.7 приведены такие спектры для двух образцов «пленка Та205 _ х-кварцевое стекло», пленки в которых осаждены при разных технологических режимах.
Поскольку подложка, изготовленная из кварцевого стекла, прозрачна в ближнем УФ диапазоне, поглощение, наблюдаемое на рисунке 4.7, возникает только в пленке. Поэтому изучение особенностей спектров пропускания на рисунке 4.7 позволяет оценить ширину энергетической щели пленки [154]. Для этого по экспериментальному спектру пропускания Т(к) в области фундаментального поглощения необходимо определить зависимость коэффициента поглощения пленки: 1пТ(Х) (4.5) а(Х) = от энергии фотона: Т7 L242 т» Е , эВ, (4.6) где d - толщина пленки, см; X - длина волны, мкм. По виду зависимости коэффициента поглощения (4.5) от энергии фотонов (4.6) определяют тип межзонных переходов. Для прямых переходов эта зависимость имеет вид (aE)2=Al(E-Eg). При непрямых переходах используют зависимость вида (4.7) Л/; az =A2(E-Eg). (4.8) В выражениях (4.7) и (4.8) А\ и А2 - числовые коэффициенты, Eg - ширина энергетической щели, эВ.
На рисунке 4.8 точками показаны значения, вычисленные по экспериментальным спектрам в системе координат Va2 -fiE), соответствующие выражению (4.8). На рисунке 4.9 построены зависимости в системе координат (a)2 —fiE), полученные по тем же спектрам и соответствующие выражению 4.7. Сплошными линиями на рисунках 4.8 и 4.9 показаны аппроксимирующие линии. Откуда видно, что аппроксимирующие прямые адекватны экспериментальным зависимостям только на рисунке 4.8. Это позволяет считать, что поглощение в пленках возникает за счет непрямых переходов.
Экстраполяция прямых на рисунке 4.8 до пересечения с осью абсцисс дает значения Eg пленок, которые близки и равны примерно 4.1 эВ, т.е данные пленки относятся к широкозонным материалам.
