Технологічні основи електроніки

Технологічні основи електроніки

Реферат

1. Зобразити і описати послідовність формування ізольованих областей в структурі з діелектричної ізоляцією

Рис. 1. Послідовність формування ізольованих областей в структурі з діелектричної ізоляцією:

а - вихідна пластина; б - виборче травлення оксиду, глибоке травлення кремнію, окислення поверхні; в - осадження полікристалічного кремнію; г - шліфування та полірування звороті пластини; д - окислення поверхні; е - готова структура після базової і емітерний дифузії та отримання межз'єднань

На рис.1 представлена послідовність формування структури з діелектричної ізоляцією. У вихідної пластині кремнію n-типу методом фотолітографії витравлюють ділянки окису кремнію, а потім і кремнію по контуру майбутніх елементів. В результаті утворюються канавки по замкненому контуру. Отриману рельєфну поверхню окислюють. Далі цю поверхню покривають товстим шаром кремнію методом осадження. Внаслідок дезорієнтуючі впливу окисно шару обкладена кремній має полікристалічний структуру і служить конструкційних підставою майбутньої ІМС. Зворотній бік шліфують, видаляючи монокристалічний шар до розкриття окису кремнію по межах областей, і виробляють доведення (для видалення порушеного шару). Після протруювання і відмивання поверхні її окислюють. Далі в утворилися ізольованих областях монокристалічного кремнію n-типу дифузійним методом формують елементи (базові галузі, резистори, емітер, області під контакти). Звичайним шляхом отримують і межз'єднань на поверхні пластини. Якщо вихідна пластина містить епітаксиальні n +-шар, то транзистори виходять з прихованим шаром.

2. Зобразити схему технологічного процесу виготовлення ІМС епітаксиальні-планарної структури без прихованого шару.

Рис. 2. Послідовність формування епітаксиальні-планарної структури:

а-вихідна пластина; б-підбурювання оксиду, підготовка поверхні, по-епітаксиальні нарощування n-шару, окислення поверхні; г-розтин вікон у оксиді під ізолюючу (розділову) дифузію домішки; д - дифузія акцепторній домішки, окислення поверхні; е - готова структура після формування дифузійних базових і емітерний областей, а також отримання межз'єднань

Щоб отримати найпростішу епітаксиальні-планарних структуру, в якості вихідної заготовки використовують монокристалічний пластину кремнію, рівномірно леговану акцепторній домішкою. Для нанесення епітаксиальні шару на одну зі сторін пластини її звільняють від оксиду і ретельно очищають (рис.2), після чого проводять осадження монокристалічного шару кремнію n-типу. Далі поверхню пластини окислюють і методом фотолітографії розкривають вікна у вигляді вузьких замкнутих доріжок, відповідних контуру колекторних і ізолюючих областей ПМС. Проводячи через вікна дифузію акцепторній домішки до змикання її з р-областю, отримують таким чином ізольовані один від одного острівці рівномірно легованого епітаксиальні n-кремнію. Розглянутий процес дифузії називають ізолюючої або розділювальної дифузією. В отриманій на даній стадії заготівлі (рис. 2, д) в подальшому формують базові та емітерний області (дифузійним методом), а також контакти і межз'єднань.

3. Яким чином здійснюється ізоляція в ізопланарной структурі

Рис. 3 Послідовність формування ізольованих областей

в ізопланарной структурі:

а-пластина з епітаксиальні і прихованим шарами; б -- нанесення шару нітриду кремнію;

в - виборче травлення нітриду кремнію за контуру майбутніх елементів; г - глибоке окислення кремнію; д - підбурювання нітриду кремнію і окислення поверхні;

е-готова структура після формування базових і емітерний областей а також межз'єднань

На рис. 3, е представлена ізопланарная структура транзистора, в якій донна частина 2 колектора ізольована від монокристалічний пластини

р-n-переходом, а бічна 1 - товстим шаром оксиду, отриманим наскрізним локальним окисленням епітаксиальні шару.

Початкові стадії процесу отримання ізопланарной структури наступні (рис. 3). На поверхню пластини, що містить епітаксиальні n + - і n-шари, беруть в облогу (з газової фази) шар нітриду кремнію Si3N4. Методом фотолітографії в цьому шарі утворюють захисну маску з вікнами по контуру колекторних областей. В процесі окислення нітрідная маска зберігається. Потім її стравлюють і всю поверхню окислюють. Далі проводять дифузію для формування бази і емітера, формують контактні вікна і межз'єднань.

4. Чи використовується епітаксії при створенні КМДП-структури

повна ізоляція МДН-транзисторів забезпечується при формуванні їх у вигляді острівців на монокристалічний ізолюючої пластині. У як ізолюючої пластини зазвичай використовують синтетичний сапфір, який має досить гарна кристалографічної пару з кремнієм. Тому ці структури отримали назву структур «кремній на сапфірі» або скорочено КНС. Епітаксиальні вирощений на сапфірі кремній має високу щільність структурних порушень (дислокації), що помітно знижує рухливість носіїв заряду. Внаслідок цього структури на біполярних транзисторах виявилися не ефективними і найбільш широке застосування знайшли МДП-КНС-структури, особливо КМПД-КНС-структури. На відміну від структур, ізольованих р-n-переходом, коли використовується високоомних (слаболегірованная) пластина, структури на ізолюючої пластині стійкі до температурним та радіаційного впливу.

Рис. 4 Послідовність формування КМДП-КНС-структури:

а-вихідна пластина «сапфір-епітаксиальні кремній-окис кремнію »; б-виборчі анізотропні травлення кремнію з допомогою оксидної маски (освіта острівців), по-виборча дифузія акцепторній домішки; г - зняття маски з острівців; д - маскування острівців з допомогою SiO2; е - виборче покриття фосфорсілікатним склом (ФСС) р-острівців і загальне покриття Боросилікати (БСС); ж-структура після дифузії домішок і підбурювання БСС, ФСС і SiO2, з - готова структура після нанесення SiO2 та формування межз'єднань

У процесі формування КМДП-КНС-структури (рис. 4) методом епітаксиальні нарощування (процес гетероепітаксіі) створюють суцільний шар високоомного п-Si. Після маскування окисом кремнію і анізотропного травлення отримують окремі ізольовані острівці п-Si. Провівши повторне маскування окисом кремнію, методом дифузії частина острівців легують акцепторній домішкою на всю глибину, перетворюючи їх на острівці р-Si. Попередньо захистивши маскою з окису кремнію ділянки майбутніх каналів, вибірково покривають р-острівці фосфоро-силікатною (SiO2.P2O5), а n-острівці - боросилікатне (SiO2.B2O3) склом. Подальшим нагрівом дифундують до-норн (Р) і акцепторні (В) домішки з легованих стекол в області стоків та витоків. Надалі скло і ділянки SiO2 стравлюють, наносять шар окису кремнію, витравлюють ділянки оксиду під затвор, вирощують тонкий шар діелектрика і формують затвори, а також межз'єднань. Гетероепітаксіальние шари, отримані в таких структурах, мають невелику товщину (~ 1 мкм), що обумовлено відносним недосконалістю кристалічної структури, які вирощують на сапфірі: зі збільшенням товщини плівки щільність дислокації збільшується.

МДН-прилади, в яких як каналу використовується тонкий приповерхневих шар, цілком можуть бути реалізовані в тонких епітаксійних шарах порядку десятих часток мікрометра. Проте тонкі епітаксиальні шари практично виключають можливість багаторазового освіти окису кремнію за рахунок термічного окислення, так як товщина шару SiO2, необхідного для захисту при термічній дифузії, порівнянна з товщиною такого епітаксиальні шару. Тому зазвичай шари окису кремнію отримують методом осадження з газової фази, що, до речі, дозволяє використовувати щодо низькі температури.

5. Вказати недоліки методів дифузії

Метод термічної дифузії домішки має ряд недоліків і обмежень.

1. Висока температура процесу призводить до перерозподілу домішки в раніше сформованих шарах і областях і зміщення р-n-переходів, що ускладнює відтворюваність активної бази транзисторів товщиною менше 0,6 мкм.

2. Наявність бічної дифузії збільшує площу окремих дифузії-онних областей і елементів в цілому.

3. Залежність коефіцієнта дифузії і розчинності домішки від температури виключають можливість використовувати багато напівпровідникові матеріали і легуючі елементи, перспективні для мікроелектроніки.

6. Бажано чи ні присутність другого максимуму на профілі розподілу домішки

Профіль розподілу. При опроміненні монокристалічний мішені іонами у напрямках, що відрізняються від основних, профіль розподілу впроваджених атомів описується нормальним законом розподілу (рис. 5):

Рис.5 Профілі розподілу електрично активних атомів бору при різних

енергіях іонного пучка

(1)

де Q -- доза легування [см-2]; - середня довжина пробігу іонів [см]; -Середньоквадратичне відхилення довжин пробігів [см].

Максимальна концентрація домішки, що відповідає середній довжині пробігу,

(2)

а концентрація домішки на рівні р-n-переходу

(3)

Якщо припустити, що в процесі відпалу вся впроваджена домішка переходить в активний стан, а перерозподілом домішки можна зневажити, то глибина залягання р-n-переходу з (2) і (3) виявиться рівною

(4)

Знак «±» вказують на можливість отримання двох переходів на різній глибині, тобто утворення заглубленного (прихованого) шару. Так, наприклад, при впровадженні бору з енергією іонів 160 кеВ і концентрацією Nmax = 1018 см-3 в пластину з концентрацією фосфору Nісх = 1016 см-3 утворюються два переходи на глибині 0,248 і 3,952 мкм. Необхідна при цьому доза легування згідно (2) дорівнює 2,9 х1013 см-2. Рішення зворотної задачі, тобто визначення енергії іонів, необхідної для утворення переходів на заданій глибині, може бути виконано лише на ЕОМ за допомогою ітераційних алгоритмів.

В монокристалах можна виділити напрямки, вздовж яких є періодично розташовані атомні ланцюжки і вільні від атомів канали. При опроміненні мішені в таких напрямках спостерігаються аномально великі пробіги іонів, тому що більша їх частина проникає в глиб грати по каналах, випробовуючи відносно слабкий гальмування. У кремнії ефект каналювання іонів спостерігається у напрямках, і . Найменша щільність атомів має місце в площинах (110) (мал. 6), найбільша - у (111). Відповідно середня довжина пробігу іонів у напрямках вдвічі більше, ніж у напрямках.

Рис. 6 Проекція структури Si на площину (110)

При Каналювання втрати енергії іонів відбуваються в основному за рахунок взаємодії з електронами. Ядерне гальмування в каналі можливо тільки при зіткненні іонів з атомами напівпровідника і домішки, розташованими в міжвузля. Частина іонів відчуває раннє гальмування поблизу поверхні кристала через зіткнення з атомами кристалічної решітки. За мірою опромінення мішені щільність дефектів у приповерхневому шарі зростає (канали перекриваються атомами, зміщеними в область каналу) і ефект каналювання зникає. Характер розподілу домішок, що відповідає описаним явищ, показаний на рис. 7. При великих дозах опромінення в розподілі домішки є два максимуму.

Рис. 7 Розподіл домішки при каналювання іонів:

1 - при помірних дозах легування;

2 - при великих дозах легування

7. Який мінімальний розмір елементів можна отримати при рентгенівської літографії? Чим обмежена роздільна здатність?

За допомогою рентгенівської літографії можна досягти дозволу

до 0,05 мкм.

На відміну від фотолітографії, де експонування проводиться широкими коллімірованнимі світловими пучками, рентгенолітографія НЕ має в своєму розпорядженні відповідної «оптикою» й експонування на рентгенівських установках доводиться виконувати в пучках з великим кутом розбіжність. При наявності зазору між шаблоном і підкладкою це призводить до викривлення розмірів і зміщення елементів малюнка, переданого в шар резіста. Максимальне зміщення елемента виникає на периферії пластини і Один, параметри на рис. 8.

Рис. 8 Схема експонування на рентгенівської установці з обертається мішенню

Крім того, кінцеві розміри плями на поверхні мішені з-за низького ступеня фокусування знижують контрастність зображення в шарі резіста. Розмитість зображення, тобто ширина зони півтіні по контуру елемента,. Задовільні результати одержують при mm, мкм і см.

розходяться пучки рентгенівських трубок мають в площині підкладки невисоку щільність потоку енергії. Це змушує використовувати у виробництві високочутливі негативні рентгенорезісти, що володіють обмеженим (~ 0,5 мкм) дозволом.

8. Дати характеристику діелектричних паст, які використовуються при виготовленні ізоляції товстоплівкових ІМС.

Діелектричні пасти підрозділяють на два види: для діелектриків конденсаторів (типу ПК) і для межслойной ізоляції (типу ПД).

Конденсаторні пасти повинні забезпечувати питомі ємності порядку тисяч пікофарад на 1 см2 при товщині плівки до 40 мкм. У зв'язку з цим функціональну фазу складають з порошків сегнетоелектриків (наприклад, титанату барію ВаТiO3), що мають високі значення діелектричної проникності. Особливі вимоги пред'являються при цьому до конструкційної зв'язці, яка повинна не реагувати з функціональною основою, забезпечувати суцільності структури і утворювати тонкі прошарки між функціональними частками (для забезпечення високих значень). Паста ПК-1000-30 на основі титанату барію добре поєднується з провідниками на основі срібно-паладієвих паст і вжігается при t = 600-650 ° С. При товщині 25-30 мкм вона має питому ємність 3700-10000 пф/см2, тобто того ж порядку, що і тонкоплівкові конденсатори.

Пасти для межслойной ізоляції і захисних покриттів повинні володіти питомою ємністю не вище 200 пф/см2. Товщина ізоляційних шарів досягає 70 мкм. Такі пасти складають на основі скла, які в цьому випадку одночасно є і функціональним, і конструкційної фазами. Наприклад, пасту ПД-2 складають на основі скла СУ-273 з добавкою Al2O3 в якості наповнювача. До складу органічної зв'язки входять каніфоль, стеаринова кислота, вазелінове масло, ланолін, вакуумне масло. Паста забезпечує СO = 120 пф/см2 пробивний при напрузі 500 В.

Основна технологічна задача при формуванні шарів з стекол полягає в тому, щоб уникнути розтікання шару в процесі вжіганія, а також при повторних нагріву. Растекаемости зменшує товщину шару, за рахунок чого зростає питома ємність, а також призводить до затікання скла на контактні площадки.

Гарні результати при створенні межслойной ізоляції дають пасти на основі сіталлоцементов, в яких при нагріванні утворюється кристалічна фаза (по типу ситалів), що запобігає розм'якшення шару при повторних нагріву. Наприклад, сіталлоцемент марки СЦ-273, синтезований на основі стекол системи SiO2-PbO-ZnO-TiO2, вжігается при температурі 750 ° С. Для зменшення його розтікання при вжіганіі вводять наповнювачі: порошок Al2O3 (15-20 мас.%) і порошок 22ХС (0-5 мас.%). Питома ємність у цьому випадку становить 180 пф/см2 при товщині шару 60-70 мкм. При тій же товщині сіталлоцементи СЦ-215 і СЦ-36 на основі SiO2-BaO-Al2O3 з порошком 22ХС забезпечують З = 120 пФ/см2.

При приготуванні паст їх компоненти точно зважують відповідно до рецептури і ретельно перемішують.

9. Описати способи підгонки товстоплівкових елементів

Підгонка товстоплівкових резисторів полягає у видаленні частини їх матеріалу, в результаті чого опір резисторів зростає. Підгонка товстоплівкових конденсаторів полягає у видаленні частини верхньої обкладки, в внаслідок чого ємність конденсаторів зменшується. Тому, щоб виключити несправний шлюб, потрібно налаштовувати процес друку елементів шляхом коригування складу паст або товщини шарів так, щоб резистори мали явно занижені значення опорів, а конденсатори-завищені-значення ємності (рис. 9).

Рис. 9 Відносне розташування полів розсіювання та допуску до підгонки:

а - для товстоплівкових резисторів; б - для товстоплівкових конденсаторів (і - поля допусків на опір резисторів і ємність конденсаторів відповідно)

При підгонці конденсаторів необхідно ретельно підбирати режими обробки щоб уникнути короткого замикання обкладок. У процесі підгонки висновки підкладки встановлюють у контактна пристосування, зв'язує елементи схеми з вимірювальним пристроєм. Потім, послідовно «Опитуючи» елементи, їх вимірюють і обробляють. Для цього кожен елемент схеми повинен мати індивідуальний вихід на висновки підкладки. При необхідності вводять або тимчасові (технологічні) перемички, згодом видаляються (рис. 2.50, а), або тимчасові армовані висновки, які відрізають після підгонки (рис. 2.50,6).

Рис. 10 Підложки з товстоплівкових резисторами (а) і конденсаторами (б)

При підгонки елементів на підкладках, що не мають висновків (за аналогією з сіталловимі підкладками тонкоплівкових мікросхем, контактування здійснюється через контактні площадки елементів за допомогою зондів вимірювального пристрою.

Для підгонки застосовують лазерні установки «Кварц-5», «Темп-10», а у великосерійному автоматизованому виробництві-автомати підгонки «Темп-30». Установка «Кварц-5», наприклад, призначена для підгонки резисторів імпульсами випромінювання з довжиною хвилі 0,34 мкм. Потужність в імпульсі досягає 30 кВт. Продуктивність установки 300 резисторів на годину.

Гетерогенний характер структури товстоплівкових резисторів дозволяє ефективно використовувати і струмів припасування. При подачі на резистор високовольтного імпульсу відбуваються пробої скляній прошарку, розділяє частинки функціональної фази, і виникають додаткові канали провідності. У результаті опір резистора зменшується. Прийнятна швидкість зміни опору (%) досягається при амплітудах імпульсу 50-500 В і тривалості 2-10 мкс. При цьому-число імпульсів зазвичай не перевищує трьох. Випробування підігнаних резисторів під навантаженням у протягом 1000 год показують, що опір резисторів частково відновлюється.

Важливим етапом операції підгонки, як лазерної, так і струмового, є визначення необхідного впливу на резистор в залежності від результатів виміру його опору. При ручних методи вимірювання та управління процесом підгонки потрібний час у багато разів перевищує час власне підгонки. Висока ефективність процесу підгонки можлива лише за використання автоматизованих систем управління процесом (АСУ).

10. Зобразити схему вакуумної системи багатопозиційної установки для вакуумного напилення

Відомо, що для отримання робочого вакууму витрачається час до 1,5-2 год (навіть при розігрітій дифузійному насосі). Так як час напилювання окремого шару рідко перевищує 1-1,5 хв, то прагнуть використовувати багатопозиційні вакуумні установки, що дозволяють, не порушуючи вакууму (за один вакуумний цикл), послідовно або одночасно обробляти кілька підкладок. Ефект ще більш значний, якщо при цьому застосовують групові підкладки. Зазвичай використовують групові сіталловие підкладки стандартного розміру 60х48 або 120х96 мм.

За ступенем безперервності процесу обробки МПВУ можуть бути розділені на дві групи: однокамерні періодичної дії і багатокамерні полунепреривного або безперервної дії.

Установки першої групи працюють за наступною циклу: установка підкладок-відкачування робочого об'єму - обробка (напилення) -- зняття вакууму і розтин-зняття оброблених підкладок. Для таких установок характерно, що допоміжний час на відкачування не перекривається з основним технологічним часом, а також що установка підкладок і їх поєднання з масками виконуються вручну (безпосередньо або через відповідні механізми).

В установках, другої групи відкачування частково (МПВУ полунепреривного дії) або повністю (МПВУ безперервної дії) поєднується з основним процесом обробки. Це досягається за допомогою багатокамерній системи з різним рівнем вакууму в окремих-камерах. У подібних установках можна виконувати повний цикл виготовлення мікросхеми, тобто напилюють всі верстви, тому в обробці одночасно (на різних стадіях) можуть перебувати кілька підкладок. Управління в таких установках (транспортування підкладок і фіксація їх на робочих позиціях) здійснюється автоматично. Таким чином, встановлення другої групи являють собою автоматичні лінії.

Однокамерні установка періодичної дії має внутрішньокамерного Багатопозиційне пристрій карусельного типу, що виконують в одному з двох варіантів: або в кожній позиції каруселі (барабані) встановлюють підкладку в комплекті з трафаретом (якщо такі використовують у даному процесі), або на каруселі встановлюють тільки підкладки, а маски розміщують в нерухомому багатопозиційної диску і, таким чином підкладка, переходячи з позиції в позицію, послідовно поєднується з різними масками.

В установках першого типу зазвичай є одна робоча позиція (позиція напилення), тому в кожний момент часу обробляється лише один підкладка. До таких установок, зокрема, відноситься УВН-2М-2, спрощена схема

Рис. 11 Схема внутрішньокамерного пристрої УВН-2М-2:

1 - карусель випарників; 2 - екрани; 3-діафрагма; 4 - Карусель трафаретів і підкладок; 5 - нагрівач підкладок; 6 - імітатор з датчиками температури і опору плівки; 7 - електроди війною очистки; 8 -- колектор; 9 - заслінка

У даному випадку карусель підкладок і масок має вісім позицій і може безперервно обертатися зі швидкістю 40-150 об/хв. Це забезпечує ідентичність властивостей плівки на усіх підкладках. На базовій плиті змонтована п'ятипозиційна карусель резистивних випарників таким чином, що живлення подається тільки на той випарник, який виведений на робочу позицію.

Технологічні можливості такої установки в основному полягають у напиленні елементів одного шару через трафарети, а також в напиленні двох суцільних шарів (наприклад, резистивного і проводить) з подальшої дворазовий фотолітографії.

внутрішньокамерного пристрій включає в себе також систему іонної очищення, встановлену нерухомо в одній з позицій, систему нагріву підкладок, датчики контролю опору і товщини наноситься плівки.

11. Описати метод отримання плівок шляхом катодного розпилення

Атомарний (молекулярний) потік речовини можна отримати, бомбардуючи поверхню твердого зразка іонами з енергією порядку сотень і тисяч електрон-вольт. Енергія іонів при цьому в кілька разів перевищує теплоту сублімації поверхневих атомів і зразок (мішень) інтенсивно розпорошується. У процесі бомбардування мішень активно охолоджують. Це виключає протікання в ній дифузійних процесів. В умовах підвищеного в порівнянні з термічним вакуумним напиленням тиску значна частина розпорошених атомів розсіюється, що, з одного боку, зменшує швидкість осадження, а з іншого -- підвищує рівномірність осадження плівки по площі підкладки. Цьому ж сприяє і велика площа мішені.

Таким чином, у порівнянні з термічним випаровуванням у вакуумі розпорошення іонної бомбардуванням дозволяє:

1) одержувати плівки з тугоплавких металів, перспективних для мікроелектроніки;

2) наносити на підкладку з'єднання і сплави без дисоціації і фракціонування, тобто без зміни початкового складу;

3) осаджувати окисних, нітрідние та інші плівки за рахунок хімічної взаємодії розпорошується матеріалу з вводяться в камеру хімічно активними газами (реактивне катодного розпилення);

4) отримувати рівномірні по товщині плівки на великій площі, зокрема, за наявності поверхневого рельєфу;

5) багаторазово використовувати як мішень джерела матеріалу, що підвищує однорідність процесу і полегшує його автоматизацію (наприклад, в установках безперервної дії);

6) забезпечувати високу адгезію плівок до підкладки завдяки специфічним умовам на підкладці і високої енергії обложників атомів (часткове впровадження в грати матеріалу підкладки);

7) забезпечувати малу інерційність процесу.

Для розпилення мішені використовують іони інертних газів (зазвичай аргон високої чистоти). Джерелом іонів служить або самостійний тліючий розряд, або плазма несамостійного розряду (дугового або високочастотного). В даний час у виробництві застосовують різні процеси розпилення, що відрізняються характером напруги живлення (постійне, змінне, високочастотне), способом збудження і підтримки розряду (автоелектронная емісія, термоеміссія, магнітне поле, електричне ВЧ-поле і т.д.), числом електродів. Така різноманітність процесів та їх модифікацій обумовлено прагненням покращити основні технологічні показники - швидкість осадження, чистоту і однорідність по товщині одержуваної плівки, а також прагненням розширити коло матеріалів, що використовуються для одержання плівок цим методом.

Фізичні основи процесу доцільно розглянути на прикладі найпростішої його різновиди - катодного розпилення на постійному струмі самостійного тліючого розряду.

Рис. 12 Схема катодного розпилення (двухелектродная система) і характер розподілу потенціалу в просторі між катодом і анодом:

1-анод; 2-підкладка; 3 - ізолятор; 4-екран; 5 - катод-мішень

Фізичні основи катодного розпилення. При катодного розпиленні використовують найпростішу двухелектродную схему (рис.12), звану також діодним схемою розпилення, яка складається з катода (розпилюється мішені) і анода. Підложки розміщують на аноді. Тліючий розряд створюється в розрідженому аргоні при тиску 1-10 Па. У процесі розпилення безперервно працює система відкачування, а аргон з певним витратою надходить в камеру через натекатель, що і забезпечує заданий тиск газу. Катод-мішень наводиться під негативним потенціалом щодо заземленого анода.

Можливі режими самостійного тліючого розряду можна описати за допомогою вольт-амперною характеристики (рис. 13)

Рис. 13 Вольт-амперна характеристика самостійного газового розряду

У вихідному газовому проміжку "катод - анод» внаслідок фотоеміссіі катода, впливу космічного випромінювання та інших причин завжди присутні електрони. Крім того, при високих напругах має місце автоелектронная емісія з холодного катода. Тому пробивна напруженість електричного поля в такому проміжку при тиску 1-10 Па складає близько 0,5 кВ/см. Для відстаней між анодом і катодом L = 38 см напруга необхідне для електричного пробою й запалювання розряду (напруга запалювання) порядку 1,5-4 кВ. Купуючи в електричному полі енергію, електрони рухаються до анода, іонізіруя по шляху атоми газу, внаслідок чого відбувається лавиноподібне наростання потоку електронів до анода і (зустрічного) іонів до катода. Внаслідок цього різко підвищується провідність газового проміжку, зростає струм і знижується напруга [до декількох сотень вольт (ділянка 1 на рис. 13)]. Який виникає при цьому розряд може стати стаціонарним лише за умови, якщо з катода в розрядний проміжок будуть надходити електрони в кількості, достатній для підтримки концентрації електронів та іонів у розряді. Після досягнення катода іони рекомбінують (нейтралізуються) із світлом, які надходять на катод із зовнішнього ланцюга. Звільняється енергія достатня (з певною ймовірністю), щоб викликати емісію електрона з поверхні катода (вторинна іонно-електронна емісія), а при певної кінетичної енергії іони можуть вибивати також атоми з матеріалу катода (розпилення). Вторинні електрони в результаті зіткнень повинні створювати таку кількість іонів (в середньому 1/на один електрон), який, з одного боку, компенсує їх зменшення в результаті нейтралізації, а з другий - забезпечує постійний приплив вторинних електронів з катода. У цьому випадку розряд підтримує сам себе і називається самостійним тліючим розрядом.

Для тліючого розряду характерне певне розподіл потенціалу, обумовлене розташуванням просторових зарядів. Не розглядаючи тонкої структури розряду, можна виділити в ньому дві основні області: темне катодного простір і позитивний світиться стовп (див. рис. 12). Товщина dк темного катодного простору (ТКП) приблизно дорівнює середній відстані, яке проходить вторинний електрон від катода до перший іонізуючого зіткнення. Надалі електрон ще здатний багаторазово іонізувати молекули газу, оскільки його енергія в момент першого зіткнення становить сотні електрон-вольт і суттєво перевищує енергію, необхідну для іонізації атома, наприклад, аргону (15,7 еВ). Тому безпосередньо за ТКП утворюється область іонізованого газу, в якій число електронів і позитивних іонів приблизно однаково. Ця область (область позитивного стовпа) характеризується високою провідністю і малим падінням напруги. Савчин позитивного стовпа пояснюється порушенням нейтральних молекул при їх зіткненні з електронами, а також рекомбінацією іонів. Завдяки екрануючого дії електронів позитивні іони переміщаються в напрямі до катода головним чином за рахунок дифузії, так як їх дрейф у таких умовах незначний. Досягаючи кордону ТКП, іони прискорюються сильним полем і бомбардують катод. Через відмінності в швидкості іонів та електронів у ТКП утворюється позитивний просторовий заряд, який і зумовлює значне падіння напруги і високу напруженість поля. Таким чином, ТКП, в якому практично зосереджено все поле, відіграє вирішальну роль як у забезпечення розряду, так і в процесі розпилення. Воно забезпечує енергію електронів, необхідну для підтримання розряду, та енергію іонів, необхідну для ефективної бомбардування катода-мішені.

У сталому режимі (ділянка 2 ВАХ) падіння напруги в області ТКП приймає певне значення uнк, зване нормальним катодних напругою. Воно залежить від роду газу, його тиску р, матеріалу мішені і до певного значення не залежить від розрядного струму. Останнє пояснюється умовами існування нормального тліючого розряду: при збільшенні розрядного струму (за рахунок збільшення підводиться потужності) площа катода, покрита розрядом, збільшується таким чином, що щільність струму залишається незмінною і мінімально необхідної для емісії вторинних електронів, що підтримують самостійний розряд. Через низьку щільності струму розпилення мішені в режимі нормального тліючого розряду незначно.

Коли вся площа катода покриється розрядом, подальше збільшення струму призводить до зростання його щільності. Це веде до підвищення катодного падіння напруги та підвищенню коефіцієнта вторинної електронної емісії, що забезпечують самостійний розряд. Ділянка 3 ВАХ відповідає аномальному тліючому розряду і використовується для розпилення у виробничих умовах.

З підвищенням струму збільшуються щільність струму і інтенсивність розпилення. При певному значенні щільності струму, що залежить від умов охолодження мішені, катод сильно розігрівається і починає помітно виявлятися термоелектронна емісія. Струм в розряді зростає, а напруга падає, оскільки розряд стає несамостійним і має характер дугового розряду (ділянка 4 ВАХ). Для запобігання переходу тліючого розряду в дугового високовольтний джерело живлення повинен мати обмеження по потужності, а мішень інтенсивно охолоджуватися.

Основною характеристикою, що визначає ефективність розпилення, є коефіцієнт розпилення kp, що представляє собою середнє число атомів мішені, розпорошених одним іоном. Коефіцієнт розпилення залежить від енергії іона ЕИ, його маси (роду робочого газу), матеріалу мішені і в деякій мірі від її температури і стану поверхні, а також від кута падіння іона. У табл. 1 наведені значення коефіцієнтів розпилення для деяких металів.

Таблиця 1 Значення коефіцієнта розпилення

Розподі-ляемое речовина

Коефіцієнт розпилення kP

при ЕИ = 600 еВ

при ЕИ = 1 кеВ

Аг

Кг

Аг

Кг

Сі

2,3

2,8

3,2

3,4

1,3

1,2

1,4

Мо

0,9

1,1

1,2

1,5

2,1

1,7

Коефіцієнт розпилення необхідно розглядати як випадкову величину, що володіє певними статистичними характеристиками. Як випливає з таблиці, збільшення коефіцієнта розпилення можливо за рахунок збільшення як енергії іонів, так і молекулярної маси газу, в середовищі якого відбувається розпорошення (Аг, Кг).

Збільшення тиску робочого газу підвищує вірогідність зіткнення розпорошених атомів з молекулами газу, в результаті чого частина атомів не приходить на підкладку, а розсіюється в обсязі камери або повертається на мішень. При цьому швидкості розпилення і осадження падають. Таким же чином впливає на ці параметри збільшення відстані L від катода до підкладки. Мінімально допустимий значення L має кілька перевищувати ширину темного катодного простору DК, інакше вірогідність іонізуючих зіткнень вторинних електронів різко зменшиться і розряд стане нестабільним. У той же час висока енергія електронів поблизу кордону ТКП призводить до того, що інтенсивність бомбардування поверхні підкладки підвищується і вона розігрівається, результатом чого є зниження швидкості осадження, а в ряді випадків - виникнення небажаний-них радіаційних порушень поверхневого шару. На практиці відстань L підбирають експериментально.

Зі сказаного випливає, що масова швидкість розпилення речовини катода, тобто кількість речовини в грамах, розпорошеного з 1 см2 катода в 1 с, визначається для аномально тліючого розряду виразом

w = k (u-uНК) J/(pL) (5)

де і-напруга «анод-катод»; ІНК-нормальне катодного падіння напруги, при якому розпорошення дуже малий;

J-щільність розрядного струму; р-тиск робочого газу; L-відстань «катод-підкладка»; k-постійна, що залежить від роду газу і матеріалу катода.

З проведеного аналізу зрозуміло, що всі технологічні параметри розпилення (і, Инк, J і р) функціонально пов'язані один з одним і вибір одного з них однозначно визначає значення інших. Це положення ілюструється рис. 14, на якому представлені робочі ділянки вольт-амперних характеристик розряду при різних тисках робочого газу, а також навантажувальна вихідна характеристика блоку живлення. Точка перетину навантажувальної характеристики з ВАХ визначає режим розпилення.

Рис. 14 Сімейство ВАХ аномально тліючого розряду при різних тисках газової

суміші (р1> р2> р3> Р4> Р5) і навантажувальна характеристика (N) блоку харчування

При розпиленні сплавів швидкість процесу для різних компонентів у загальному випадку різна. Забезпечити заданий склад плівок при іонному розпиленні в більшості випадків про