Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ литературных источников. Постановка задачи 15
1.1 Использование емкостного высокочастотного разряда для напыления тонких пленок 15
1.1.1 Особенности напыления пленок сложного состава 15
1.1.2 Одностадийный процесс напыления-синтеза в емкостном высокочастотном разряде при повышенном давлении кислорода 18
1.1.3 Напыление пленок с использованием импульсного разряда 21
1.2 Асимметричный емкостный высокочастотный разряд, его энергетические свойства и особенности 22
1.2.1 Вентильные свойства и постоянный потенциал плазмы 22
1.2.2 Асимметричный разряд 24
1.2.3 Контроль тока, напряжения и мощности асимметричного емкостного высокочастотного разряда 25
1.3 Методы исследования емкостного высокочастотного разряда 26
1.3.1 Математическое моделирование 27
1.3.2 Измерение тока, напряжения и исследование вольтамперных характеристик 27
1.3.3 Исследование зондовыми методами 28
1.3.4 Исследование оптическими методами 29
1.3.5 Спектроскопические исследования 30
1.3.6 Исследование пространственного распределения интенсивности линий эмиссии 31'
1.3.7 Времяимпульсные методы исследований'. 32
1.4 Выводы. Постановка задачи 33
Глава 2. Экспериментальная техника 35
2.1 Конструкция и параметры разрядной камеры 35
2.2 Система измерения тока, напряжения и мощности емкостного высокочастотного разряда 37
2.3 Система исследования оптических характеристик плазмы 42
2.4 Система измерения зондовых характеристик 47
2.5 Система измерения импульсных оптических характеристик 48
Глава 3. Особенности энергетических характеристик асимметричного емкостного высокочастотного разряда 54
3.1 Временные характеристики и эквивалентная схема асимметричного емкостного высокочастотного разряда 54
3.1.1 Анализ вольтамперных характеристик 54
3.1.2 Эквивалентная схема емкостного высокочастотного разряда 56
3.1.3 Свойства асимметричного разряда и потенциал автосмещения ... 59
3.1.4 Временные зависимости тока и напряжения асимметричного разряда 63
3.1.5 Эквивалентная схема асимметричного емкостного высокочастотного разряда 64
3.2 Ток и напряжение емкостного высокочастотного разряда в асиммет ричной камере 67
3.2.1 Эквивалентная схема разрядной камеры. Влияние паразитных элементов, методы компенсации, согласования и учета 67
3.2.2 Вычисление и анализ тока асимметричного емкостного высокочастотного разряда в напылительной камере 72
3.3 Электрическая мощность асимметричного емкостного высокочас тотного разряда 80
3.3.1 Метод определения мощности по мгновенным значениям тока и напряжения 80
3.3.2 Мгновенная и средняя мощность емкостного высокочастотного разряда 82
3.3.3 Контроль мощности по косвенным показателям и сравнение с разрядом постоянного тока 85
3.4 Выводы
Глава 4. Особенности пространственного распределения интенсивности линий эмиссии ионов и атомов рабочего газа, их связь с параметрами разряда при распылении железосодержащих электродов разного типа 88
4.1 Пространственное распределение интенсивности линий эмиссии ионов рабочего газа для ряда значений электрической мощности, их обработка и анализ 88
4.2 Сравнительные исследования пространственного распределения интенсивности линий эмиссии ионов кислорода в разрядах постоянного тока, пульсирующем низкочастотном и высокочастотном 93
4.3 Энергетические зависимости пространственного распределения эмиссии атомов рабочего газа при распылении железосодержащих электродов 97
4.4 Пространственная аппаратная функция оптической измерительной
системы и реальное пространственное распределение эмиссии плазмы... 103
4.4.1 Пространственная аппаратная функция оптической системы 103
4.4.2 Экспериментальное измерение пространственной аппаратной функции оптической системы 105
4.4.3 Пространственная разрешающая способность оптической системы, моделирование измеряемых зависимостей 107
4.4.4 Частное решение обратной задачи для профилей эмиссии ионов кислорода, атомов кислорода и атомов железа 111
4.5 Выводы 115
Глава 5. Оптическая- ЗМИССИЯЇ атомов распыленных металлов в плазме разряда, ее спектральные и пространственные характери стики для электродов разного типа 117
5.1 Сравнительные исследования спектров эмиссии при распылении сложнооксидных и металлических железосдержащих электродов 117
5.1.1 Спектры оптической эмиссии плазмы кислородного разряда при распылении электрода из феррита висмута и их особенности 117
5.1.2 Сравнение спектрального состава и интенсивностей линий при распылении электрода из феррита висмута и электродов из стальных сплавов 120
5.2 Сравнительные исследования пространственного распределения интенсивности линий эмиссии атомов металла при распылении электродов разного типа 123
5.2.1 Отличие пространственного распределения интенсивности линий эмиссии рабочего газа и распыленного металла 123
5.2.2 Пространственные зависимости интенсивности эмиссии атомов железа при распылении электродов из нержавеющей стали и феррита висмута 126
5.2.3 Пространственное распределение интенсивности линий эмиссии металлических компонент для широкого диапазона условий разряда... 131
5.3 Выводы 133
Глава 6. Влияние амбиполярной диффузии на профили оптической эмиссии атомов металлов распыленного электрода 134
6.1 Модель пространственного распределения эмиссии атомов металлов 134
6.1.1 Анализ механизмов возбуждения оптической эмиссии распыленных компонент плазмы разряда 134
6.1.2 Основные соотношения 136
6.1.3 Расчет распределения концентрации электронов вдоль осиразряда 138
6.1.4 Анализ экспериментальных результатов, их сравнение с расчетными 139
6.2 Экспериментальная проверка модели двухзондовым методом 144
6.2.1 Методика эксперимента 144
6.2.2 Анализ экспериментальных результатов для кислородного разряда 145
6.2.3 Анализ экспериментальных результатов для разряда в аргоне... 148
6.3. Экспериментальная проверка модели методом измерения продольной напряженности электрического поля 152
6.3.1 Обоснование метода, модельные расчеты, методика эксперимента 152
6.3.2 Анализ экспериментальных результатов в кислородном и аргоновом разрядах 154
6.3.3 Влияние амбиполярной диффузии на процесс напыления пленок 159
6.4 Выводы 160
Глава 7. Сравнительная динамика распыления компонентов электрода в импульсном емкостном высокочастотном разряде. Временные и энергетические зависимости 162
7.1 Энергетические параметры асимметричного импульсного высокочастотного разряда 162
7.2 Временные зависимости эмиссии ионов кислорода при распылении железосодержащих электродов 166
7.3 Временные зависимости эмиссии распыленного металла при использовании электродов из сложных оксидов и металлического сплава 168
7.4 Связь динамики оптической эмиссии с электрическими характеристиками разряда 172
7.5 Пространственные характеристики временной динамики эмиссии распыленных компонент электрода 175
7.6 Выводы 178
Заключение 179
Список литературы 181
Приложение 196
- Асимметричный емкостный высокочастотный разряд, его энергетические свойства и особенности
- Система исследования оптических характеристик плазмы
- Свойства асимметричного разряда и потенциал автосмещения
- Контроль мощности по косвенным показателям и сравнение с разрядом постоянного тока
Введение к работе
Актуальность темы.
Высокочастотный разряд широко используется для изготовления различных устройств микроэлектроники. Наиболее успешным технологическим применением емкостного высокочастотного разряда (ЕВЧР) является напыление тонких пленок из диэлектрических материалов [1-5]. В частности, рекордное качество тонких пленок сложных оксидов (ТПСО) с сегнетоэлектрическими свойствами удается получить при повышенном (около 1 Тор) давлении кислорода [1,5]. Получены результаты при напылении ТПСО из феррита висмута, обладающего свойствами мультиферроика [6]. Особенность технологии состоит в том, что синтез пленок происходит в процессе напыления без дополнительной обработки. Подложку помещают в зону отрицательного свечения, основные процессы сосредоточены в объеме существенно неоднородной плазмы в приэлектродной области.
В процессе напыления ТПСО в ЕВЧР проявляется ряд особенностей разряда, не характерных для других применений. Геометрия разрядной камеры, продиктованная технологическими потребностями, приводит к высокой асимметрии разряда вследствие малой площади распыляемого электрода, что отражается на параметрах разряда [7]. Происходит интенсивное разрушение многокомпонентного ВЧ электрода и распространение распыленного материала по всему объему камеры. Диэлектрические или металлические подложки, на которых осаждаются пленки, находятся под плавающим потенциалом и подвергаются воздействию убегающих электронов [8]. В качестве рабочего газа используется электроотрицательный химически активный кислород, входящий также и в состав распыляемого сложного оксида (СО) [1]. Неоднородная плазма с большим числом компонентов и высокой плотностью мощности интенсивно излучает в широком диапазоне спектра [1,9]. Распределение излучения линий эмиссии в пространстве напылительной камеры имеет ряд особенностей [1,2,4], отражающих структуру и свойства разряда. Развитие методов диагностики, не требующих проникновения в рабочий объем, имеет важное технологическое значение [1,9].
Несмотря на значительный прогресс в изготовлении пленок, многие вопросы, связанные с происходящими разрядными процессами, еще неясны. Недостаточно развита техника измерения энергетических параметров ЕВЧР с учетом влияния всех электрических элементов конструкции напылительной установки [10]. Остается открытым вопрос о принципиальном отличии осевых распределений интенсивности эмиссии распыленных атомов металла и ионов кислорода [1,2,4]. Не исследовано влияние подложки на пространственное распределение излучения и структуру ЕВЧР в целом. Не установлены собственные характеристики оптической системы, используемой для регистрации осевых распределений интенсивности излучения компонент плазмы. Накоплены результаты изучения оптических характеристик плазмы с использованием сегнетоэлектрических СО, но еще не исследовалось распыление перспективных СО, обладающих свойствами мультиферроика. Чтобы установить соответствия между различными свойствами ЕВЧР, наиболее подходящими могут оказаться сравнительные исследования с использованием как сложнооксидных, так и металлических электродов в различных средах. До настоящего времени при ВЧ распылении СО исследовались только стационарные режимы разряда и не затрагивались вопросы динамики плазменных процессов. Между тем импульсный режим имеет ряд преимуществ при напылении пленок простого состава и одновременно является методом исследования временных характеристик плазмы разряда.
Таким образом, задача исследования асимметричного емкостного высокочастотного разряда при распылении в кислороде сложных оксидов, в частности со свойствами мультиферроика, в настоящее время является актуальной и представляет несомненный научный и практический интерес.
В связи с этим в качестве объекта исследования выбран кислородный емкостной высокочастотный разряд в технологической камере напыления тонких пленок сложных оксидов.
Предмет исследования - закономерности, возникающие в емкостном высокочастотном разряде при распылении материалов сложного состава и отражающиеся на энергетических и оптических характеристиках.
Исходя из этого, целью настоящей работы являлось:
1. Исследование свойств разряда, проявляющихся в процессе напыления тонких пленок сложных оксидов.
2. Установление энергетических характеристик асимметричного кислородного емкостного высокочастотного разряда в технологически значимом диапазоне давлений и мощностей.
3. Комплексные исследования плазмы разряда при распылении феррита висмута - сложного оксида со свойствами мультиферроика.
4. Физическая интерпретация особенностей пространственного распределения интенсивности эмиссии компонент плазмы разряда.
5. Исследование влияния подложки на распределение излучения плазмы и электрическое поле разряда.
6. Исследование динамики распыления электродов из сложного оксида и определение возможных режимов импульсной технологии напыления.
Научная задача состоит в разработке методов исследования электрических характеристик асимметричного емкостного ВЧ разряда и оптических свойств излучения плазмы, алгоритмов обработки измеряемых величин, исследовании возникающих закономерностей и физической интерпретации полученных результатов.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база.
Основными методами исследования являются:
- невозмущающие плазму экспериментальные измерения электрических и оптических величин;
- компьютерное моделирование;
- метод сравнения результатов, полученных при разных условиях;
- анализ теоретических и экспериментальных результатов, проверка модели известными и вновь разработанными способами.
Теоретическая база включает теорию цепей, частотно-временной анализ сигналов, квантовые и классические законы излучения и распространения оптического излучения, уравнения физики плазмы и газового разряда.
Эмпирическая база включает собственный экспериментальный материал и опубликованные результаты других исследователей.
Научная новизна диссертации определяется поставленными задачами, представленными методами их решения и впервые полученными результатами:
1. Впервые проведены комплексные исследования ЕВЧР при распылении в кислороде феррита висмута, включая энергетические характеристики, спектральный состав излучения плазмы, пространственное распределение интенсивности линий эмиссии рабочего газа и распыленного металла с учетом его асимметрии (различий в форме и составе электродов). Выявлены ранее не описанные особенности.
2. Предложена и обоснована модель формирования пространственного распределения интенсивности линий эмиссии металла, входящего в состав распыляемого электрода, впервые объяснившая известное явление и подтвержденная экспериментально.
3. Впервые проведено исследование распыления сложного оксида в импульсном режиме ЕВЧР. Получены экспериментальные временные зависимости интенсивности эмиссии ионов кислорода и атомов металлов. Показано принципиальное отличие механизмов образования эмитирующих центров и возбуждения для ионов кислорода и атомов железа. Выявлена временная связь интенсивности эмиссии атомов железа с потенциалом автосмещения активного электрода и диффузией распыленного вещества. Получены основные параметры динамики распыления и транспортировки материала электрода в импульсном режиме ЕВЧР, что может явиться базисом для разработки импульсной технологии напыления тонких пленок сложных оксидов
4. Предложен и отработан метод математической обработки данных высокоскоростного двухканального АЦП, позволяющий многократно повысить разрешающую способность по времени и точность регистрации ВЧ сигналов. Впервые проанализированы гармонические составляющие тока емкостного ВЧ разряда, выявлены причины их возникновения, обнаружено доминирование высших гармоник в сильноточном асимметричном разряде.
5. Предложен и испытан метод экспериментального исследования амбиполярной диффузии в асимметричном разряде в продольном направлении путем измерения напряженности электрического поля. Впервые получены результаты, доказывающие смену знака суммарного поля подложки и поля разряда вблизи подложки при технологически значимых параметрах разряда.
6. Предложен и применен метод сравнительных исследований ЕВЧР при использовании сложнооксидных и металлических мишеней. Полученные результаты подтверждают достоинства метода для исследования энергетических и оптических свойств разряда. Подтверждена применимость аналогий ЕВЧР и разряда постоянного тока в асимметричной конфигурации.
7. Предложен метод определения пространственной аппаратной функции многощелевой оптической системы и ее последующего учета для анализа пространственного распределения интенсивности эмиссии различных компонент плазмы разряда.
Таким образом, разработаны положения и получены результаты, совокупность которых можно квалифицировать как решение новой научной задачи, соответствующей паспорту научной специальности 01.04.03 “радиофизика” по пункту 2. «Изучение линейных и нелинейных процессов излучения, распространения, дифракции, рассеяния, взаимодействия и трансформации волн в естественных и искусственных средах» и пункту 6 «Разработка физических основ и создание новых волновых технологий модификации и обработки материалов».
Научная и практическая значимость.
Научная значимость работы заключается в развитии теории асимметричного емкостного высокочастотного газового разряда при интенсивном распылении материала электрода.
Практическая ценность работы определяется созданными средствами диагностики разряда, обеспечивающими оптимальный контроль параметров в процессе напыления тонких пленок сложных оксидов. Выполнены расчеты измерительных систем, созданы и испытаны измерительные устройства, отработаны алгоритмы обработки сигналов. Определены важные технологические параметры.
Полученные результаты использованы в НИИ физики ЮФУ и ЮНЦ РАН при создании и эксплуатации технологических установок для напыления тонких пленок сложных оксидов в асимметричном емкостном высокочастотном кислородном газовом разряде, а также в учебном процессе при подготовке студентов физического факультета ЮФУ.
Поставленные в диссертации задачи решались в ходе выполнения ряда проектов, в частности гранта РФФИ № 06-08-00419 и темы ЮФУ №05/6-180.
Внедрение результатов подтверждено соответствующими документами.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Сильноточный асимметричный емкостный высокочастотный разряд с рабочим давлением около 1 Тор является многочастотным, основная причина появления гармоник заключается в импульсах тока проводимости, протекающих во время касания электронным облаком ВЧ электрода.
2. При распылении электрода из феррита висмута в плазме кислородного емкостного ВЧ разряда обнаружены две линии эмиссии атомов железа 306,7 нм и 613,7 нм c аномально высокой яркостью, в 4 и более раз выше, чем для других линий железа. Эти же линии практически отсутствуют при распылении металлических железосодержащих материалов в разряде с аналогичными параметрами.
3. Осевое распределение интенсивности эмиссии атомов распыленных металлов в области отрицательного свечения, характеризующееся монотонным снижением к нулевому значению у подложки, является следствием изменения концентрации электронов в результате амбиполярной диффузии в продольном направлении, при этом возбуждение атомов распыленного металла осуществляется равновесными электронами плазмы.
4. Установлено, что время достижения максимального значения интенсивности эмиссии распыленных атомов металла в асимметричном сильноточном емкостном ВЧ разряде при давлении кислорода около 1 Тор более 100 мкс, в то время как для ионов рабочего газа оно составляет менее 10 мкс. Временные характеристики эмиссии атомов металла связаны с формированием потенциала автосмещения и диффузным распространением распыленного вещества в объеме камеры.
Степень обоснованности научных положений и выводов.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается использованием обоснованных физических моделей и строгих (или с известными оценками погрешностей) математических методов решения поставленных задач; тщательно отлаженной экспериментальной базой; верификацией сделанных выводов различными экспериментальными методами; совпадением полученных расчетных и экспериментальных результатов с данными других авторов.
Апробация.
Результаты диссертации докладывались на Симпозиуме «Лазеры на парах металлов» (ЛПМ-2008), Лоо, 22-26 сентября 2008; VI Всероссийской конференции по рентгеноспектральному анализу, Краснодар, 5-10 октября 2008; I-IV ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр Южного Научного Центра РАН, г. Ростов-на-Дону, 2005-2008 гг.; на международном симпозиуме “Multiferroics-2”, Лоо, 23-28 сентября 2009.
Публикации.
По материалам диссертационной работы опубликовано 14 работ, (общим объемом 1,2 п.л., в том числе лично соискателю принадлежит 0,8 п.л.), из которых - 2 статьи [1,2] (0,35 п.л., в том числе лично соискателю принадлежит - 0,3 п.л.), опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 2 статьи в журналах (0,35 п.л., в том числе лично соискателю - 0,2 п.л.), 10 тезисов докладов в сборниках трудов научных конференций и симпозиумов (0,4 п.л., в том числе лично соискателю принадлежит - 0,3 п.л.).
Объем и структура.
Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Она содержит 198 страниц машинописного текста, включая 121 рисунок и список цитируемой литературы из 153 наименований.
Асимметричный емкостный высокочастотный разряд, его энергетические свойства и особенности
В напылительных установках используется, как правило, асимметричный ЕВЧР в гамма-режиме. Этот режим, характеризующийся доминированием при- электродных областей и интенсивным распылением электродов, существует в широком интервале параметров, даже при атмосферном давлении [66]. Не выявлено принципиальных отличий в свойствах и структуре разряда при использовании металлических и диэлектрических электродов [22]. Отличаются лишь энергетические характеристики за счет включения в цепь дополнительной емкости и разных эмиссионных свойств поверхности электродов [22,67]. Диэлектрические электроды в ряде случаев позволяют повысить площадь, занимаемую1 разрядом, и его плотность [66]. ЕВЧР используется в технологии не только для-напыления, но и длятравления [68,69], обработки поверхностей.[66], спектроскопии диэлектрических материалов [70,71] и других областях [22]. Поскольку электроны очень подвижны, то они следуют за полем внутри каждого цикла, в то время как ионы.не успевают заметно сместиться за полупериод до смены полярности. Это приводит к образованию пульсирующего СПЗ [22,72] и отрицательного постоянного потенциала на гальванически не связанных электродах по отношению к плазме [19,73]. Величина потенциала автосмещения электродов, появляющегося вследствие вентильных свойств, порядка приложенного ВЧ напряжения [22]. Важнейшую роль в существовании и свойствах ЕВЧР играет приэлек-тродная область подобно роли прикатодной области РПТ [22,73,74]. Структура приэлектродной области, параметры СПЗ и стационарное поле вблизи электродов интенсивно исследовались в широком диапазоне давлений и состава газа [20,57,67,73,74,75]. Интересные перспективы открывает метод исследования распределения потенциала в СПЗ при помощи микрочастиц, приобретающих заряд в плазме [76]. Распределение потенциала в СПЗ имеет важнейшее значение в технологических применениях ЕВЧР, поскольку определяет энергию ионов, бомбардирующих поверхность электрода, подвергающегося распылению [77]. Ряд работ посвящен созданию математических моделей СПЗ и всей приэлектродной зоны ЕВЧР [78,79], существуют модели СПЗ для широкого диапазона высоких частот [80] и для несимметричного разряда с несинусоидальным током [81]. Модели хорошо согласуются с экспериментальными данными для простых геометрий разряда в инертных газах.
Исследования разряда в кислороде и других электроотрицательных газах стали интенсивно развиваться лишь сравнительно недавно, и вызваны потреб 3 ностями технологии [39,82]. Экстраполировать свойства разряда в инертных газах на кислородный, забывая об отрицательных ионах, нельзя. При определенных условиях концентрация отрицательных ионов кислорода в разрядной плазме того же порядка, что и положительных, как получено, например, в работе [83] методом масс-спектрометрии при распылении кремния. Исследования разряда в смеси аргона и кислорода [84] показали снижение электронной температуры почти на треть при добавлении всего 0,5% кислорода. Практически все работы, посвященные кислородному ВЧР, основываются на модельных расчетах [85,86], экспериментальный материал беден и относится к области давлений ниже ОД Тор или индуктивному ВЧ разряду [87]. Недавно проводились экспе рименты с разрядом при атмосферном давлении, но для смеси кислорода и аргона [84]. При ВЧ напылении в разряд вносится диэлектрическая или металлическая подложка, несомненно, оказывающая влияние на параметры плазмы [88]. Находящаяся в приэлектродной области ЕВЧР подложка подвергается интенсивной бомбардировке убегающими электронами [11,89,90] и ионами [91]. Электрические свойства подложки и ее потенциал оказывают существенное влияние на процесс напыления, дополнительно приложенное к ней напряжение позволяет в ряде случаев управлять параметрами напыляемых пленок [91]. Особую роль в разряде играет асимметрия, характерная для напылитель-ных установок, поскольку площадь распыляемого электрода на 2-3 порядка меньше площади заземленной камеры. Активные процессы концентрируются у ВЧ электрода, где высокая плотность тока, остальной же объем плазмы выполняет пассивную роль подобно положительному столбу РПТ. Проводились исследования разряда со ступенчато изменяемой степенью симметрии [92], на симметрию влияет не только площадь, но и свойства электродов. Существуют эмпирические выражения, связывающие в частности постоянный потенциал, который является сложной функцией плотности тока на электродах, с их площадью. Считается, что отношение потенциалов автосмещения электродов обратно пропорционально отношению их площадей, но степень пропорциональности может составлять от 1-1,5 [22] до 4 [16, 93]. В асимметричном разряде вентиль формируется только у активного электрода, потенциал плазмы близок к потенциалу заземленного корпуса, а потенциал активного электрода, гальванически не связанного с землей, отрицателен [7,16;81]. В итоге среднее по времени напряжение на ВЧ электроде равно потенциалу автосмещения, величина которого порядка амплитуды приложенного напряжения [16]. В асимметричном разряде плотность электронного пучка у активного электрода значительно выше, чем в симметричном [90] при равных
Система исследования оптических характеристик плазмы
Основным наиболее информативным средством исследования параметров разряда являлась система регистрации спектров оптической эмиссии и их пространственного распределения [2,4,10-13,109-111]. Система была существенно доработана и модифицирована по сравнению с ранее использовавшимися. Общая схема экспериментальной установки приведена на рис. 2.4. Разрядная камера (1) имела три прозрачных окошка из кварцевого стекла для контроля параметров разряда. Диаметры окошек составляли 60 мм, одно из них использовалось для регистрации спектров оптической эмиссии, второе для юстировки камеры на голографическом столе, ввода зондов, термопары и других устройств, а при их отсутствии для визуального контроля разряда. Над третьим окошком, обращенным вверх, помещалась светоделительная пластина, отражающая половину светового потока горизонтально для визуального контроля. Другая половина потока, прошедшая через пластину, поступала через ослабляющий фильтр на фотодетектор, входящий в систему контроля интегральной интенсивности и автоматической защиты. Защита работала таким образом, что отключала электрическую мощность, подводимую к электроду, при резком ослаблении светового излучения или резком увеличении его интенсивности для защиты от образования дуги и повреждения электрода. В качестве фотодетектора использовался фотодиод ФД-24К. 1 - разрядная камера; 2 - монохроматор; 3 - блок ФЭУ; 4 - блок питания ФЭУ; 5 - предварительный усилитель; 6 - низковольтный блок питания; 7 - регулируемый усилитель; 8 - компьютерная плата сбора данных; 9 - компьютер; 10 -шаговый двигатель сканирования спектра; 11 - шаговый двигатель горизонтального перемещения; 12,13 — блоки управления шаговыми двигателями; 14 -вакуумноплотный привод перемещения подложки; 15 - микрометрический винт; 16 - катодная сборка; 17 - вакуумметр; 18 - выпускной клапан; 19 - фор-вакуумный насос; 20 - впускной клапан; 21 - баллон с газом; 22 - насос системы жидкостного охлаждения; 23 - радиатор системы охлаждения; 24 - резервуар с охлаждающей жидкостью; 25 - блок согласования и измерения; 26 - мощный генератор или источник питания Для измерения давления в камере использовался преобразователь манометрический терморезистивный ПМТ-6-ЗМ-1, который подключался экранированным кабелем к измерителю давления Мерадат-ВТ12СТ2.
Система позволяла достоверно измерять давление в диапазоне от МО-2 Тор до 1 атмосферы даже в присутствии ВЧ помех. Показания вакуумметра считывались в цифровом виде. В непосредственной близости от одного из боковых окошек располагался монохроматор типа МДР-23 со сменными решетками. Для регистрации сигналов в диапазоне 200-600 нм нами использовалась одна решетка, а в диапазоне 600-1000 нм другая. В большинстве экспериментов ширина входной и выходной щелей монохроматора равнялась 0,6 мм, что соответствовало разрешению по длине волны около 0,2 нм. В установке применялась дополнительная входная щель шириной около 0,5 мм, при помощи которой осуществлялось вырезание оптической эмиссии из узкого пространственного слоя [133] толщиной около 0,6 мм параллельного поверхности электрода (рис.2.5). Для измерения спектров эмиссии в определенном слое, а также регистрации пространственных профилей эмиссии отдельной линии, необходимо перемещать входную щель монохроматора относительно камеры. Ранее [2,4,10-13,109-111] для этого осуществлялось движение монохроматора, который располагался на подвижной платформе. Проведенные эксперименты показали, что1 лучшее отношение сигнал/шум достигается, при неподвижном монохроматоре, жестко связанном с системой регистрации, а подвижной является разрядная камера. В дальнейших исследованиях мы использовали перемещаемую камеру. Установка позволяла изменять положение оси щелевой системы, в пределах от минус 20 до плюс 280 мм по отношению к поверхности электрода. Перемещение платформы осуществлялось при помощи шагового двигателя, управляемого компьютером. Благодаря этому можно не только регистрировать излучение из выбранного на определенном расстоянии от электрода слоя плазмы, но и снимать осевые профили интенсивности выбранной спектральной линии, получая, таким образом, пространственное распределение оптической эмиссии. Перемещение подпружиненной платформы осуществлялось за счет вращения микрометрического винта со шкалой, позволяющего визуально контролировать положение платформы, а при необходимости установить ее положение вручную. (Винт и шаговый двигатель (рис. 4 приложения) находятся слева внизу). Перестройка монохроматора по спектру осуществлялась при помощи другого шагового двигателя, соединенного через редуктор с приводом дифракционной решетки.
Для сканирования по спектру монохроматора использовались штатный механизм и шкала длин волн, заменен был лишь встроенный двигатель на двигатель типа ДТТТИ 200-2. Переключение фазных обмоток осуществлялось при помощи токовых ключей на полевых транзисторах. В схеме управления использована динамическая стабилизация тока обмоток, обеспечивающая высокую скорость переключения и низкую потребляемую мощность. Вращение двигателя производилось в полушаговом режиме для более точной установки монохроматора на требуемую длину волны. Формирование фаз осуществлялось программно микроконтроллером ATMega 8535 по тактовым сигналам, поступающим с компьютера. В приложении на рис. 5 приведена фотография специально разработанной и изготовленной платы управления шаговым двигателем. Для регистрации интенсивностей оптических эмиссионных спектров в диапазоне от 250 до 900 нм использовался фотоэлектронный умножитель ФЭУ-100. Питание ФЭУ осуществлялось от высоковольтного стабилизированного источника напряжением от 1000 до 1800 В. ФЭУ помещался сначала в металлический экранирующий кожух, а затем в металлический блок, закрепленный непосредственно на выходной щели монохроматора (рис. 3 Приложения).
Свойства асимметричного разряда и потенциал автосмещения
Асимметрия разрядной камеры, используемой при напылении тонких пленок, вносит дополнительную нелинейность в свойства разряда, приводя и к изменениям формы тока и напряжения. Высокая степень асимметрии приводит к существенным изменениям структуры разряда. Ввиду большой площади заземленных стенок камеры плотность тока в этой области разряда низка. Разрядный ток у стенок камеры обеспечивается током проводимости благодаря присутствующим в плазме электронам и ионам. Для обеспечения протекающего тока электроны, находящиеся у активного электрода малой площади, должны сместиться на значительное расстояние, образуя при этом слой пространственного заряда. При прочих равных условиях у электрода значительно большей площади количество электронов намного больше, и для обеспечения той же величины тока требуется лишь незначительное смещение электронов, не превышающее дебаевский радиус и не приводящее к образованию СПЗ. Следовательно, основные процессы, направленные на поддержание разряда и определяющие-его параметры, сосредоточены у ВЧ электрода. Это подтверждается и отсутствием оптической эмиссии у стенок камеры. Заметим, что». сказанное верно для диапазона частот от 1 до 40 МГц, обычно используемых для напыления тонких пленок, и для которых плазма за время порядка периода не успевает остыть. На более низких частотах свойства разряда отличаются. В НЧР происходит существенная рекомбинация зарядов за промежуток времени, в течение которого приложенное напряжение ниже падения на разряде. В результате пробой разрядного промежутка происходит в каждый полупериод. ВЧР обладает вентильными свойствами, на каждом из двух электродов переменное ВЧ напряжение детектируется, в результате чего образуется потенциал автосмещения электрода и постоянный потенциал прилегающей к нему плазмы. В ВЧР формируется два встречно включенных газоразрядных диода, каждый из них работает в свою катодную часть периода. Если разряд строго симметричен, то постоянные потенциалы, образующиеся на каждом электроде в результате детектирования, одинаковы. Но если площади или эмиссионные свойства двух электродов отличаются, то параметры диодов разные, и постоянные потенциалы отличны, т.е. появится разность потенциалов, которую сравнительно легко измерить [7,22].
Сказанное верно в том случае, когда активный электрод развязан от внешних цепей конденсатором. Поскольку сложные оксиды, в том числе и феррит висмута, являются диэлектриками, то рабочая поверхность электрода, обращенная к разряду, всегда развязана по постоянному току от корпуса. Во всех экспериментах мы использовали разделительный конденсатор в согласующей цепи, чтобы исключить протекание постоянного тока даже через проводящий электрод. Пульсирующий СПЗ приводит к возникновению постоянного потенциала, являющегося средним во времени значением пульсирующего потенциала. И СПЗ, и постоянный потенциал плазмы у каждого электрода зависит от свойств электродов и является сложной функцией плотности тока [22]. Плотность, в свою очередь, определяется площадью электродов, и если площади электродов не равны, то потенциал плазмы относительно электрода с меньшей площадью будет выше. В" работах [16,22,93] утверждается, что зависимость потенциалов автосмещения электродов от их площади (при одинаковых эмиссионных свойствах) определяется формулой где SI и S2 — площади электродов, U1 и U2 потенциалы на соответствующих электродах, h - степенной параметр. Авторы [22] считают, что значение h находится в пределах от 1 до 1,5, в других работах [16,93] со ссылкой на недоступный источник, степенной параметр h считается равным 4. В напыли-тельных установках, включая используемую нами, площадь камеры на 2-3 порядка превышает площадь электрода, даже со степенным параметром, равным 1, получаем значение потенциала корпуса камеры относительно плазмы в сотни раз меньше потенциала на рабочей поверхности электрода. При условиях разряда в камере ВЧ напыления можно считать, что плазма находится почти под потенциалом земли, а поверхность электрода отделенная блокирующей емкостью от внешних цепей, смещена в отрицательную сторону. В литературе [7,22] приводятся сведения, что постоянный потенциал нагруженного ВЧ электрода составляет сотни вольт и зависит от ВЧ мощности, такие же значения получены экспериментально и нами. Следовательно, потенциал корпуса камеры относительно плазмы составляет не более единиц Вольт и им можно пренебречь. Асимметрия разряда приводит к тому, что все активные процессы происходят у электрода, и это хорошо, иначе происходило бы распыление и стенок камеры. На рис. 3.6 показаны примеры временной зависимости ВЧ тока (I) и напряжения (U) разряда, измеренного на активном электроде из проводящего материала (а) и из диэлектрика (BiFe03) (б). Хорошо видно, что на рис. 3.6 а) напряжение существенно смещено в отрицательную область, что является следствием наложения на ВЧ напряжение потенциала автосмещения. Рисунок 3.6 - Формы напряжения и тока асимметричного ВЧР для проводящего электрода НС (а) и диэлектрического (BiFeCte) электрода (б) Для электрода из проводящего материала потенциал автосмещения можно легко измерить на внешнем контакте при помощи вольтметра или резистив-но-емкостного делителя и осциллографа. Если же электрод диэлектрический, то постоянный потенциал присутствует лишь на внутренней, обращенной к разряду, стороне электрода.
На внешнем же контакте средний потенциал равен нулю. Постоянный потенциал ВЧ электрода определяется, прежде всего, приложенным переменным напряжением и увеличивается с его ростом. На рис. 3.7 показана экспериментальная зависимость постоянного потенциала автосмещения металлического электрода от амплитудного значения переменного ВЧ напряжения на разрядной камере. Когда приложенное напряжение лишь незначительно превышает напряжение ВЧ пробоя, близкое в данном эксперименте к 200 В, постоянный потенциал почти равен нулю. Чем выше амплитуда ВЧ напряжения, тем больший отрицательный потенциал создается на ВЧ электроде. Потенциал автосмещения активного электрода является выпрямленным приложенным ВЧ напряжением и определяется лишь его амплитудой. Влияние на потенциал электрода других параметров разряда, в частности давлениям камере, может осуществляться не напрямую, а лишь через изменение параметров соответствующего вентиля. На рис. 3.8 показаны экспериментальные зависимости потенциала автосмещения нагруженного электрода от ВЧ напряжения при различных давлениях кислорода. Для давлений, отличающихся в 2,7 раза по-тенциал автосмещения отличается не более, чем на 10 %, что близко к погреш ности измерений. Полученные экспериментальные результаты согласуются с данными других авторов [7]. Перейдем к анализу временных зависимостей тока и напряжения для реальных условий напыления. Совместное поведение напряжения и тока в виде амплитудно-фазовых кривых для ряда значений мощности показано на рис. 3.9. Измеряемое напряжение содержит потенциал автосмещения, поэтому кроме увеличения амплитуды наблюдается еще и смещение среднего уровня в отрицательную область. Поскольку величина постоянного потенциала приближается к амплитуде ВЧ напряжения, то происходит лишь увеличение отрицательного максимума полного напряжения, положительный же максимум наоборот уменьшается с ростом амплитуды ВЧ напряжения. Рисунок 3.9 - Экспериментальные амплитудо-фазовые зависимости напряжения и тока разряда в камере при значениях прикладываемой мощности: 60, 100, 150, 180, 220 и 250 Вт. Давление кислорода 0,8 Тор, электрод НС Заметно увеличение гармонических составляющих по мере роста мощности. Смещается положение отрицательного максимума напряжения в сторону положительного максимума тока, что говорит об уменьшении сдвига фаз вследствие увеличения активной компоненты тока. Отношение площади фазовой кривой к амплитуде уменьшается по мере увеличения мощности, что таюке свидетельствует об увеличении активной составляющей импеданса по отношению к реактивной. Результаты вычисления по экспериментальным данным сдвига фазы между током и напряжением показаны на рис. 3.10.
Контроль мощности по косвенным показателям и сравнение с разрядом постоянного тока
Описанный выше алгоритм вычисления ВЧ мощности корректный, но громоздкий, требующий временных затрат или разработки автоматических средств. Для практики нужны пусть и не очень точные, но оперативные способы измерения этого параметра. Очень часто для этих целей применяют косвенные показатели. В конечном итоге большая часть вводимой в разряд ВЧ мощности преобразуется в тепло и излучение. Были попытки оценивать мощность разряда по температуре тыльной стороны подложки, находящейся в зоне ОС, но мы отказались от этого метода, он не работает при использовании принудительного нагрева подложки. Для быстрого контроля мощности нами использовалось ОС плазмы в широком спектральном диапазоне, регистрируемое фотодиодом. Хорошо зарекомендовал себя для косвенного контроля мощности метод, основанный на измерении температуры стенки или внутри разрядного объема, поскольку основная часть электрической энергии превращается в разряде именно в тепловую [110,111]. Нами также в ряде экспериментов была использована термопара, введенная в разрядную камеру примерно посередине между электродом и подложкодержателем вблизи оси камеры. Измерительный спай термопары помещался непосредственно в зону разряда, расстояние от поверхности электрода до термопары составляло около 10 мм. Для защиты термопары от распыляемых компонент электрод, а также для исключения влияния электронных пучков на измерение температуры в зоне разряда, термопара со стороны катода была прикрыта экраном из нержавеющей стали.
Проведенные эксперименты позволили нам непосредственно измерить температуру плазмы при разных значениях мощности. Кроме того, мы провели корректное сравнение мощности в режиме ВЧ и ПТ (рис. 3.28). При сравнимых температурах разряда в режиме ВЧ мощность, вводимая в камеру, выше примерно на 30 Вт. Разница.мощностей объясняется потерями на паразитных элементах конструкции и с учетом погрешности измерений близка к приведенным Рисунок 3.28 - Значения температуры разряда при различных значениях вводимой в разрядную камеру мощности для режимов ПТ и ВЧ При существенных изменениях в конструкции камеры (смене катодного блока, установке нагревателя подложки и т.д.), а также использовании новых электродов, применялся метод контроля мощности по характерным спектральным линиям. В кислородном разряде при давлении от 0,2 до 2 Тор доминирующие линии ионов кислорода и атомов кислорода наблюдаются всегда [2,4,10-13]. Интенсивность этих линий при неизменных параметрах системы регистрации четко коррелирует с разрядной мощностью. Характер этой зависимости будет рассмотрен подробнее в следующей главе. 1. В сильноточной фазе ЕВЧР велика доля кратных к основной гармонических составляющих тока. При симметричном возбуждении разряда проявляются преимущественно четные гармоники, при асимметричном - нечетные. 2. Предложены эквивалентные схемы симметричного и асимметричного ЕВЧР. 3. Показана роль импульсов тока проводимости в искажении синусоидальной формы разрядного тока. 4. Исследованы зависимости постоянного потенциала активного электрода, показана его роль в энергетике асимметричного ЕВЧР. 5. Выполнен количественный анализ паразитных элементов напылитель-ной камеры. 6. Исследованы временные зависимости тока и напряжения для реальной разрядной камеры в широком интервале условий. 7. При помощи математической обработки измеренных зависимостей получены формы разрядного тока для камеры сложной конструкции. 8. Показано доминирование гармонических компонент тока по отношению к основной частоте при технологически значимых режимах. 9.
Сделан вывод о неприменимости В АХ для описания асимметричного сильноточного ЕВЧР, в частности в напылительных установках с высокой конструктивной емкостью. 10. Показаны преимущества определения мощности разряда путем вы числения мгновенных значений с последующим усреднением за ВЧ период. Важнейшую роль в разряде играют ионы кислорода [2,4,10-13]. Они обеспечивают ионную компоненту тока, приводящую к разрушению электрода и поглощают энергию убегающих электронов, о чем свидетельствуют яркие ионные линии в зоне ОС. На рис. 4.1 показаны типичные ПРИЛЭ ионной линии кислорода 397,3 нм, измеренные при значениях мощности, указанных в Ваттах. Подобные зависимости наблюдались ранее при распылении сегнетоэлек-трических ТП, на каждой кривой выделяется 3 участка [2,10,11]. Первый участок простирается от ВЧ электрода до конца СПЗ и занимает около 2 мм. Он характеризуется резким ростом интенсивности до основного максимума и перегибами с изменением крутизны- подъема. На втором участке происходит плавное снижение интенсивности, он соответствует области ОС. И, наконец, на третьем участке наблюдается резкий спад интенсивности, поскольку поток пучковых электронов перекрывается подложкой, и лишь те, что огибают ее с боков, возбуждают ионные уровни кислорода. Если эмиссия первого и третьего участков находится под влиянием электрода и подложки, то второй характеризует плазменные процессы в области ОС. В ряде публикаций [2,11,109-111] показано, что ПРИЛЭ ионов кислорода на втором участке хорошо аппроксимируется экспоненциальной зависимостью, которая связана с диссипацией энергии убегающих электронов. Это было продемонстрировано в частности моделированием методом Монте-Карло для РПТ [111]. С ростом мощности интенсивность на всех участках растет, характер изменения формы ясен после амплитудного нормирования, результаты которого показаны на рис. 4.2.
