ложен по отношению к плазме положительный потенциал, имеет место рост пленки. Это указывает на важную роль некоторых отрицательных ионов кислорода в процессе роста.
Поскольку плазма с холодным катодом обычно образуется при киловольтовых потенциалах, ионы имеют широкий энерге тический спектр и весьма возможно, что при интенсивной бом бардировке подложки могут возникать различные типы ионов. Присутствие в плазме ионов высоких энергий может приводить к распылению анодированной пленки. По мнению Локера и Скольника [121], такое явление способно ограничивать предель ную толщину, в частности, пленок А120 3 на А1, которая должна зависеть от геометрии электродов, градиента электрического поля и других параметров системы. Было обнаружено, что при постоянном токе пленки вырастали до определенной толщины, после чего рост останавливался, хотя ток оставался неизмен ным. По-видимому, на такой стадии роста наступало равнове сие между процессами роста и распыления пленки. Потенциал анодирования по отношению к аноду составлял на рассматри ваемой стадии 20 В. Это позволяет заключить, что потенциал анодирования по отношению к плазме положителен и равен приблизительно 50— 100 В.
Дженнинг и Макнейл [149] также наблюдали распыление при таких потенциалах. Они осаждали пленки золота варьируемой толщины на таиталовую подложку и при различных положи тельных потенциалах подложки по отношению к плазме наблю дали время полного распыления пленки золота. Скорость рас пыления сначала увеличивалась с возрастанием напряжения до 80 В, а затем при дальнейшем увеличении напряжения остава лась почти постоянной. В этой области наблюдался сильный рост тока с возрастанием напряжения, вызванный, по-видимому, увеличением электронной составляющей анодного тока. Этот рост электронной компоненты может быть связан с процессами столкновения, сопровождающимися диссоциацией отрицатель ных ионов кислорода при соударениях с молекулами газов или ионизацией кислорода электронным ударом.
Кроме распыления анодируемого образца, необходимо так же учитывать распыление электродов при анодировании в тлею щем разряде на постоянном токе, которое приводит к загрязне нию растущего окисла. Предохранить образец от попадания распыляемого с электродов материала можно путем целесооб разного расположения образца между электродами. Например, при давлении 0,1 мм рт. ст. и расстоянии анод — катод 20 см, соответствующем двумстам длинам свободного пробега, весь распыляемый материал будет рассеиваться на стенки вакуум ной установки и не попадет на образец. Электроды, в особен ности катод, непрерывно бомбардируемые тяжелыми положи
тельными ионами, должны изготавливаться из материалов с низкой скоростью распыления. Используются W, Та, Ni, Al, Si, Au, Pt, дуралюмин и нержавеющая сталь. Наиболее часто при меняется алюминий, так как он имеет очень низкую скорость распыления благодаря защитному действию окисла, образую щегося на его поверхности. Рекомендуют использовать в каче стве материала для электродов кремний, поскольку он хорошо обезгаживается, слабо распыляется и его окисел не имеет тен денции к расслаиванию или к образованию порошка. Другим потенциально полезным свойством кремния является возмож ность получения спаев между монокристаллическим кремнием и стеклом пирекс, вакуумно плотных при температурах от — 195 до 450 °С [134].
При тлеющем разряде с холодным катодом возникает проб лема получения стабильной и однородной электронной эмиссии. Поэтому желательно применять или катоды типа «щетки» [150], или так называемые инвертированные катоды типа щетки [151]. Геометрическая конфигурация катода типа щетки представляет собой частокол из остриев, тупые концы которых укреплены на плоском основании катода. Увеличение плотностей токов с та ким катодом обусловлено большой напряженностью поля у кон чика острия. Повышение стабильности тлеющего разряда, ви димо, объясняется устранением «горячих пятен», мигрирующих по поверхности плоского катода.
Такую же стабильность можно получить с инвертирован ными катодами типа щетки, представляющими собой сетку близко расположенных отверстий, просверленных в плоском ка тоде. Музэл [151] установил, что катод такого типа дает боль шую плотность тока, чем плоские катоды, работающие при тех же условиях. Это обусловлено тем, что большая часть поверх ности указанных катодов почти параллельна направлению ско рости падающих на поверхность ионов и фотонов, вызывающих эмиссию электронов с поверхности катода. На этой основе мо жно оптимизировать конфигурацию катода путем максималь ного увеличения площади, находящейся под скользящим углом к бомбардирующим ионам. Музэл [152] обнаружил, что катод с концентрическими круговыми V-образными желобками, выре занными на плоском конце скругленного электрода, позволяет дополнительно повысить плотность тока, сохранив стабильность плазмы.
Резюмируя изложенное, можно констатировать, что при тлеющем разряде на постоянном токе с холодным катодом лег ко получить большие плотности тока и высокую стабильность плазмы, но плазма слабо ионизирована и в ней присутствуют малые количества ионов, необходимых для роста окисла. Это
обстоятельство, по-видимому, совместно с эффектами распыле ния пленок бомбардировкой ионами высоких энергий приводит
кочень низким скоростям роста.
2)Горячий катод. Существенное различие между газовым
разрядом с горячим и холодным катодами появляется в обла сти разряда у поверхности раздела катод — газ, т. е. в области астонового темного пространства. Около катода находится об лако объемного электронного заряда, плотность которого опре деляет ток с катода. Электроны, пересекающие область катод ного темного пространства, ускоряются полем, и создаваемый ими объемный заряд уменьшается. Когда электроны приобре тут энергию, большую потенциала ионизации газа, начнется ионизация молекул газа и образование плазмы. Электроны в этой области имеют значительно меньшую кинетическую энер гию, чем электроны, входящие в область отрицательного свече ния при тлеющем разряде с холодным катодом, потому что здесь катодное падение меньше. Но поскольку в случае тлею щего разряда с горячим катодом в этой области находится на много больше электронов, степень ионизации плазмы повы
шается.
В установке для плазменного анодирования с горячим като дом скорость роста АОП, очевидно, должна быть выше. Более того, поскольку для поддержания разряда в этом случае тре буется меньшее падение потенциала в области плазмы, умень шается число частиц с высокими энергиями, участвующих в распылении окиснои пленки. Несмотря на эти преимущества, ра боты по плазменному анодированию с использованием термо электронных катодов практически отсутствуют. Имеется сооб щение Лигензы [153] об относительно высоких скоростях окис ления кремния в подобных условиях. Основные трудности ис пользования горячих катодов в атмосфере кислорода связаны с их быстрой гибелью. Лигенза использовал прямонакальный оксидный катод, а Шуермейер (частное сообщение) и авторы с успехом использовали покрытые торием иридиевые катоды.
б. Высокочастотная плазма. Теория ВЧ-разряда подробно рассматривалась Франсисом [154]. Более высокие концентрации электронов (1013 см-3) по сравнению со случаем тлеющего раз ряда на постоянном токе приводят к увеличению степени иони зации и температуры газа, а следовательно, и скорости аноди рования. Это действительно наблюдалось на опыте. Крейтчман [135] вырастил пленку окиси кремния толщиной около 2000 А за 5 мин, Лигенза [134] после анодирования в течение 100 мин получил пленку окиси . кремния толщиной 6000 А. Эффектив ность тока в обоих случаях не изменялась, оставаясь равной около 4%. В этих экспериментах плазма индуцировалась ми кроволновым генератором на частоту 2,45-109 Гц. Температура
образца составляла, по-видимому, 300—400°С. Несомненно, что при таких температурах пленка отчасти растет за счет терми ческого окисления. Даже при отсутствии на образце напряже ния за 40 мин вырастали пленки SiC>2 толщиной 4000 А. Это мо
жет служить указанием на то, что ионы обладают достаточной энергией, чтобы проникать через толщу окисла.
По мнению Лигензы [134], увеличение скорости роста в элек трическом поле (потенциал кремния положителен по отноше нию к границе раздела окисел — газ) объясняет наблюдавшуюся им обратную зависимость скорости окисления от давления. При снижении давления газа в определенной области давлений тем пература плазмы увеличивается и, следовательно, возрастает отрицательный потенциал стенок. В результате разность потен циалов менаду границами раздела кремний — окисел и окисел — плазма увеличивается, приводя к увеличению скорости окисления.
в. Генерация плазмы электромагнитной ионной пушкой. Ано дирование в подобной плазме проводил Дженнинг и сотр. [127]. В их экспериментах использовался ионный пучок с электромаг нитной системой экстракции, позволявшей исключить попадание электронов в зону анодирования. Данные, приведенные на фиг. 7 их статьи, указывают на то, что эффективность тока при аноди ровании тантала составляет 4%, однако называлась также цифра 17%. При уменьшении концентрации электронов в зоне объекта следовало ожидать увеличения эффективности тока, хотя при этом неизвестно, в какой степени отклонялись от об разца отрицательные ионы.
Увеличения эффективности тока можно достичь, наложив на область тлеющего разряда магнитное поле. Поперечное магнит ное поле, локализованное в области подложки, будет отклонять электронные траектории от подложки, а продольное магнитное поле в промежутке подложка — катод, увеличивая длину про бега электронов, будет повышать скорость ионизации на один электрон. В последующих экспериментах найдут применение, по-видимому, масс-спектроскопические методы для разделения различных ионов кислорода, что позволит бомбардировать под ложку ионами определенного сорта [155]. Хотя эти экспери менты и не относятся к плазменному анодированию, они помо гут установить, какие ионы участвуют в росте пленок.
3. ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕТОДИКИ
Для ВЧ-плазмы характерны наиболее высокие концентрации электронов, а также и максимальные скорости роста пленок, вероятно, из-за наличия высоких концентраций активных ионов кислорода. Другим преимуществом ВЧ-плазмы является отсут ствие загрязнений окисных пленок материалом электродов. Что
касается возможных недостатков метода, то неясно, можно ли добиться здесь такой же однородности пленок, как и в случае разряда на постоянном токе. Лигенза [134] установил, что пленки S i02) полученные в ВЧ-плазме, обычно толще в центре образца, чем на его периферии. Более того, если размеры образца срав нимы с диаметром электродов, толстая центральная область пленки повторяет форму образца; например, она треугольная, если образец имеет форму треугольника.
Однако не все пленки, выращенные в микроволновой плазме, повторяли геометрию подложки. Крейтчман [135] получал об разцы, в которых окисел в области, окружающей наиболее тол стую однородную центральную часть пленки, был тоньше, чем окисел на краях образца. Один из методов определения одно родности пленок состоит в помещении поверх пленки электро дов и проведении измерений емкости. При этом обычно считается, что диэлектрическая проницаемость по пленке неизменна. Тиболь [136], используя тлеющий разряд в большой технологической камере, получал пленки размером 5Х 5см , в которых измене ния емкости по поверхности пленки не превышали 10%. Воз можно, что неоднородность пленок обусловлена изменениями концентрации и энергии ионов в плазме. Однако, по мнению Вратны [130], более важны явления, протекающие на аноде, а именно распыление или образование пленок высокоомных окислов, обусловливающих изменение падения напряжения в плазме между подложкой и анодом.
В стабильной плазме при строгом контроле температуры подложки для получения однородных пленок размеры образца, очевидно, должны быть малы по сравнению с диаметром плаз менной трубки. В первую очередь это относится к тлеющему разряду, где, как показали зондовые измерения, при неизменной электронной температуре наблюдается уменьшение концентра ции электронов и потенциала плазмы от оси трубки к стенкам. Необходимо также, чтобы вспомогательные устройства, вводи мые в плазму около образца, например держатель образца, тер мопары и пр., имели бы меньшие размеры, чем образец. Эти устройства желательно располагать вдоль оси разрядной трубки, чтобы устранить возмущение плазмы вдоль поверхности об разца.
Общей проблемой для всех методов плазменного анодирова ния является подготовка поверхности образца, подвод электри ческих контактов к образцу и чистота системы.
Попьяно [118] установил, что тонкие царапины остающиеся на поверхности алюминия после механической полировки, не влияют на процесс плазменного анодирования в отличие от ано дирования в растворах. Предварительные опыты, проведенные в этой лаборатории по плазменному анодированию тантала в