2.2.3 Методы ионного распыления

Для получения паровой фазы можно использовать химически инертные ионы достаточно высокой энергии, которые способны выбивать частицы вещества при бомбардировке поверхности мишени (катода). Этот процесс, называемый ионным распылением, происходит в результате передачи импульса налетающих ионов частицам поверхности мишени. Конденсируясь на подложке, выбитые частицы образуют пленку. Процесс ионного распыления имеет ряд характерных особенностей, важных с точки зрения тонкопленочной технологии. 1) Как правило, основная часть распыленных частиц представляет собой нейтральные атомы. Лишь небольшая их доля оказывается положительно или отрицательно заряженной. Среди выбиваемых частиц содержится также некоторое количество молекулярных или многоатомных кластеров, зависящее от параметров процесса распыления и материала мишени. 2) Коэффициент распыления, определяемый как число атомов, выбитых из мишени одним падающим ионом, возрастает при увеличении энергии и массы ионов. Типичные зависимости коэффициента распыления от энергии ионов представлены на рис. 2.2. В большинстве, случаев при энергии ионов, превышающей несколько тысяч электронвольт, коэффициент распыления увеличивается очень медленно с ростом энергии ионов. 3) Коэффициент распыления зависит от угла падения ионов (см. рис. 2.2) и изменяется пропорционально где 8 — угол между нормалью к поверхности мишени и направлением движения ионов. Как видно из рис. 2.2, на котором представлены скорости ионного травления различных материалов, наблюдаются отклоненйя от этой зависимости. 4) В поведении коэффициента распыления существуют также изменения периодического характера, совпадающие с периодичностью свойств элементов в таблице Менделеева. Однако коэффициенты распыления различных элементов ионами с энергией отличаются друг от друга не более чем в 5 раз. 5) Коэффициент распыления монокристаллических мишеней возрастает при уменьшении глубины проникновения ионов в кристалл в направлении распространения ионного пучка. 6) Распределение выбиваемых частиц по энергиям подчиняется закону Максвелла и простирается далеко в область высоких энергий. При увеличении энергии бомбардирующих ионов энергия частиц, соответствующая максимуму распределения, изменяется незначительно, и ее величина в среднем на порядок выше

энергии термически испаряемых атомов при одинаковых плотностях потоковатомов.

Рис. 2.2. Зависимости скорости ионного травления различных материалов от угла падения ионов (а) и зависимости коэффициента распыления материалов от энергии ионов двух видов, имеющих разный угол падения (б).

В процессе ионного распыления легко осуществлять точное регулирование скорости осаждения пленки, так как количество выбиваемых частиц пропорционально числу падающих ионов. Однако, поскольку коэффициенты распыления малы и ионные токи ограничены, скорость осаждения при ионном распылении всегда на один или два порядка величины ниже, чем при термическом испарении, проводимом в обычных условиях. Ионные токи большой плотности и соответственно высокие скорости осаждения могут быть получены только в специальных системах ионного распыления, таких, как магнетронные системы. Заметим, что процесс ионного распыления является низкоэффективным с энергетической точки зрения, поскольку основная часть потребляемой энергии превращается в тепло, что приводит к снижению скорости осаждения пленки. Если физико-химические свойства поверхности мишени из многокомпонентного материала (сплава, соединения или смеси веществ) не изменяются вследствие термодиффузии, химического взаимодействия или обратного распыления, процесс ионного распыления обеспечивает возможность послойного удаления атомов с поверхности мишени и, следовательно, получения

Таблица 2.3. (см. скан) Скорость распыления различных материалов ионами аргона с энергией 500 эВ при плотности тока

однородной пленки, состав которой не отличается от состава мишени. При использовании нескольких мишеней из различных материалов состав пленки будет определяться соотношением площадей и коэффициентов распыления мишеней. Перестройка поверхности и вторичное распыление ионов оказываются значительными, когда материал мишени имеет низкую температуру плавления и высокий коэффициент распыления, поэтому в таких случаях состав пленки может существенно отличаться от состава мишени. И наконец, высокая энергия выбиваемых частиц и сопутствующая бомбардировка осаждаемой пленки (которая действует как анод) электронами и отрицательными ионами оказывают значительное влияние на процессы образования зародышей и роста пленки и, в частности, обусловливают высокую адгезию пленок. Скорости распыления различных материалов приведены в табл. 2.3.

Процессы ионного распыления, несмотря на их большую энергоемкость, обеспечивают получение наиболее прочных пленок многокомпонентных материалов любого вида. В течение ряда лет было разработано большое количество вариантов систем ионного распыления, которые отличаются конфигурацией катода, а также способами генерации и переноса ионов. Методы ионного распыления, их характеристики и свойства получаемых пленок подробно обсуждаются в различных книгах и обзорах [1-4]. Рассматриваемые ниже методы представляют особый интересе, поскольку с их помощью можно получать материалы для тонкопленочных солнечных элементов.