1.3.1 Гистерезисные явления при реактивном распылении

На рисунке 5 наглядно продемонстрированно особенность реактивного ионно-плазменного распыления при регулировании расходом реактивного газа и постоянном парциальном давлении инертного газа [6].

Петля гистерезиса присутствует в режиме стабилизации мощности разряда при изменении потока реактивного газа (или в постоянном потоке реактивного газа при изменении мощности разряда) на зависимости парциального давления реактивного газа p_R от потока реактивного газа Q_R. При небольших значениях Q_R (точка А на рисунок 5), практически весь поступивший реактивный газ в камеру реактивный газ поглощается поверхностями мишени и конденсирующейся на подложке и стенках камеры пленки. В итоге при увеличении Q_R не видно значительного изменения p_R от предыдущего уровня. Нанесенная таким образом компонентная пленка имеет недостаток реактивного газа. Такое состояние продолжается до тех пор, пока Q_R не достигнет критической величины Q_R1 (точки В на рисунок 5.). В данной точке поток реактивного газа в камеру становится большим, чем скорость поглощения газа распыленным материалом.

Р исунок 5 – Гистерезис при реактивном ионно-распылении: а – зависимость парциального давления реактивного потока реактивного газа в камеру

При этом на поверхности мишени формируется тонкий слой компонентной пленки. Скорость распыления соединений в несколько меньше по сравнению со скоростью распыления металлических главным образом по двум причинам: (i) коэффициент распыления металла из компонентной пленки на поверхности мишени чистой металлической мишени; и (ii) соединения имеют более значения коэффициента ионно-электронной эмиссии по сравнению с металлами, следовательно, большая часть энергии бомбардирующих расходуется на разрушение связей, генерацию и ускорением электронов. Следовательно, распыляется меньше атомов металла образования соединения в реакции потребляется меньше реактивного что ведет к резкому увеличению парциального давления реактивного до нового значения p_R1, (точка C на рис. 5.). При этом нанесенной пленке присутствует необходимое количество реактивного газа. Если после увеличения p_R до высокого уровня уменьшить Q_R до прежнего значения, то p_R не будет уменьшаться по той же самой траектории, по которой оно увеличивалось. ∆p_R будет оставаться постоянной до некоторого Q_R2 (точка D на рисунок 5), где оно резко увеличивается и давление реактивного газа уменьшается до начального уровня. Это происходит потому, что парциальное давление реактивного газа остается высоким не будет удален компонентный слой на поверхности мишени и опять станет распыляться материал мишени. В результате опять увеличивается поглощение реактивного газа, и полученные пленки снова будут иметь недостаток реактивного газа. Зависимости скорости поглощения реактивного газа и скорости нанесения слоев от скорости натекания реактивного газа показаны соответственно на рисунке 6.

а) б)

Рисунок 6. a-зависимость скорости поглощения реактивного газа от потока реактивного газа в камеру, б – скорости нанесения от потока реактивного газа в камере.

Для характеристики данного явления используется так называемый “параметр отравления”. Это отношение парциального давления реактивного газа в реактивной моде процесса p_RM к парциальному давлению реактивного газа в металлической моде процесса p_MM.

H=p_RM/p_MM (1) Чем больше это отношение, тем более неуправляем процесс в промежуточной моде процесса. Этот параметр зависит от системы материал мишени – реактивный газ.

Как видно при одном значении QR когда f_r находится в области гистерезиса существует два устойчивых состояния функционирования системы, соответствующих индивидуальному значению f_r. При этом при одном значении потока реактивного газа возможно нанесение компонентных пленок с различной стехиометрией и как следствие с различными физическими свойствами. Поэтому гистерезисный эффект является крайне нежелательным и должен быть устранен. Для работы в области гистерезиса необходимы сложные и быстрые системы управления технологическим процессом.