Технологічні основи електроніки

1. Зобразити і описати послідовність формування ізольованих областей і в структурі із діелектричною изоляцией.

Рис. 1. Послідовність формування ізольованих областей і в структурі із діелектричною изоляцией:

а — вихідна пластина; б — виборче травлення окисла, глибоке травлення кремнію, окислювання поверхні; в — осадження поликристаллического кремнію; р — шліфування і полірування зворотного боку пластини; буд — окислювання поверхні; е — готова структура після базової і эмиттерной дифузії й отримання межсоединений.

На мал.1 представлена послідовність формування структури із діелектричною ізоляцією. У вихідної пластині кремнію n-типа методом фотолитографии витравлюють ділянки окису кремнію, та був і кремнію по контуру майбутніх елементів. Через війну утворюються канавки по замкненому контуру. Отриману рельєфну поверхню окисляют. Далі цю поверхню покривають товстим шаром кремнію методом осадження. У результаті дезориентирующего впливу окисного шару обложений кремній має поликристаллическую структуру і є конструкційним підставою майбутньої ІМС. Зворотний бік шліфують, видаляючи монокристаллический шар до розтину окису кремнію на межі областей, і виробляють доведення (видалення порушеного шару). Після протравлювання і відмивання поверхні її окисляют. Далі в які утворилися ізольованих областях монокристалічного кремнію n-типа диффузионным методом формують елементи (базові області, резисторы, эмиттеры, області за контакти). Звичайним шляхом отримують користь межсоединения лежить на поверхні пластини. Якщо вихідна пластина містить эпитаксиальный n±слой, то транзистори виходять зі прихованим слоем.

2. Зобразити схему технологічного процесу виготовлення ІМС эпитаксиально-планарной структури без прихованого слоя.

Щоб самому отримати найпростішу эпитаксиально-планарную структуру, як вихідної заготівлі використовують монокристаллическую пластину кремнію, рівномірно легированную акцепторной домішкою. Щоб завдати эпитаксиального шару одну з сторін пластини її звільняють від окисла і старанно очищають (мал.2), після чого проводять осадження монокристалічного шару кремнію n-типа. Далі поверхню пластини окисляют і методом фотолитографии розкривають вікна як вузьких замкнутих доріжок, відповідних контуру коллекторных і ізолюючих областей ПМС. Проводячи через вікна дифузію акцепторной домішки до змикання її з р-областью, отримують в такий спосіб ізольовані друг від друга острівці рівномірно легованого эпитаксиального n-кремния. Розглянутий процес дифузії називають ізолюючої чи розділової дифузією. У отриманої на даної стадії заготівлі (рис. 2, д) надалі формують базові і эмиттерные області (диффузионным методом), і навіть контакти, й межсоединения.

3. Як здійснюється ізоляція в изопланарной структуре.

На рис. 3, представлена изопланарная структура транзистора, у якій донна частина 2 коллектораизолирована від монокристаллической пластины.

р-n-переходом, а бічна 1— товстим шаром окисла, отриманим наскрізним локальним окисленням эпитаксиального слоя.

Початкові стадії процесу набуття изопланарной структури такі (рис. 3). Поверхню пластини, що містить эпитаксиальные n± і n-слои, в облогу беруть (з газової фази) шар нітриду кремнію Si3N4. Методом фотолитографии у тому шарі утворюють захисну маску з вікнами по контуру коллекторных областей. У процесі окислення нитридная маска зберігається. Потім її стравливают й усю поверхню окисляют. Далі проводять дифузію на формування бази й эмиттера, формують контактні вікна і межсоединения.

4. Використовується чи эпитаксия під час створення КМДП-структуры.

Повна ізоляція МДП-транзисторов забезпечується для формування у вигляді острівців на монокристаллической ізолюючої пластині. Як ізолюючої пластини зазвичай використовують синтетичний сапфір, має хороше кристалографічне поєднання з кремнієм. Ці структури дістали назву структур «кремній на сапфірі» чи скорочено КНП. Эпитаксиально вирощений на сапфірі кремній має високий щільність структурних порушень (дислокації), що помітно знижує рухливість носіїв заряду. У результаті структури на біполярних транзисторах виявилися ефективними і найбільш широке застосування знайшли МДП-КНС-структуры, особливо КМПД-КНС-структуры. На відміну від структур, ізольованих р-n-переходом, коли використовується высокоомная (слаболегированная) пластина, структури на ізолюючої пластині стійкі до температурним і радіаційним воздействиям.

У процесі формування КМДП-КНС-структуры (рис. 4) методом эпитаксиального нарощування (процес гетероэпитаксии) створюють суцільний шар высокоомного п-Si. Після маскування окисом кремнію і анизотропного травлення отримують окремі ізольовані острівці п-Si. Провівши повторне маскування окисом кремнію, методом дифузії частина острівців легируют акцепторной домішкою протягом усього глибину, перетворюючи на острівці рSi. Попередньо захистивши маскою з окису кремнію ділянки майбутніх каналів, вибірково покривають р-островки фосфоро-силикатным (SiO2.P2O5), а n-островки — боросиликатным (SiO2.B2O3) скельцями. Наступним нагріванням дифундують до-норную (Р) і акцепторную (У) домішки з легованих шибок у сфері стоків і витоків. Надалі скло і ділянки SiO2 стравливают, завдають шар окису кремнію, витравлюють ділянки окисла під затвор, вирощують тонкий шар диэлектрика і формують затвори, і навіть межсоединения. Гетероэпитаксиальные верстви, отримані в структурах, мають невелику товщину (~1 мкм), що з відносним недосконалістю кристалічною структури, що вирощується на сапфірі: зі збільшенням товщини плівки щільність дислокації увеличивается.

МДП-приборы, яких у ролі каналу використовується тонкий приповерхностный шар, цілком може реалізуватися в тонких епітаксійних шарах порядку десятих часткою мікрометра. Проте тонкі эпитаксиальные верстви практично виключають можливість багаторазового освіти окису кремнію з допомогою термічного окислення, оскільки товщина шару SiO2, який буде необхідний захисту при термічної дифузії, порівнянна з завтовшки такого эпитаксиального шару. Тому зазвичай верстви окису кремнію отримують методом осадження з газової фази, що, до речі, дозволяє вживати щодо низькі температуры.

5. Вказати недоліки методів диффузии.

Метод термічної дифузії домішки має низку вад і ограничений.

1. Висока температура процесу призводить до перерозподілу домішки в раніше сформованих шарах і областях і зміщення р-n-переходов, що перешкоджає відтворюваність активної бази транзисторів завтовшки менш 0,6 мкм.

2. Наявність бічний дифузії збільшує площа окремих диффузи-онных і елементів в целом.

3. Залежність коефіцієнта дифузії і розчинності домішки від температури виключають можливість вільно використовувати багато напівпровідникові матеріали і легирующие елементи, найперспективніші микроэлектроники.

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

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

У монокристаллах можна назвати напрями, вздовж які є періодично розташовані атомні ланцюжка і позбавлені атомів канали. При опроміненні мішені в напрямах спостерігаються аномально великі пробіги іонів, оскільки велика частина їх проникає вглиб грати каналами, відчуваючи щодо слабке гальмування. У кремнії ефект каналирования іонів зокрема у напрямах, і. Найменша щільність атомів має місце у площинах {110} (рис. 6), найбільша — в {111}. Відповідно середня довжина пробігу іонів у напрямах ще більше, ніж у напрямах .

Рис. 6 Проекція структури Si на площину (110).

При каналировании втрати енергії іонів відбуваються у основному з допомогою взаємодії з електронами. Ядерне гальмування в каналі можливе лише за зіткненні іонів з атомами напівпровідника і домішки, розташованими в междоузлиях. Частина іонів відчуває раннє гальмування поблизу поверхні кристала через сутичок з атомами кристалічною грати. Принаймні опромінення мішені щільність недоліків у приповерхностном шарі зростає (канали перекриваються атомами, усунутими до області каналу) і ефект каналирования зникає. Характер розподілу домішок, відповідальний описаним явищам, показаний на рис. 7. При великих доз опромінення у розподілі домішки є два максимума.

Рис. 7 Розподіл домішки при каналировании ионов:

1 — при поміркованих дозах легирования;

2 — на великих дозах легирования.

7. Який мінімальний розмір елементів можна отримати роботу при рентгенівської літографії? Чим обмежена що дозволяє способность?

З допомогою рентгенівської літографії можна досягнути разрешения.

до 0,05 мкм.

На відміну від фотолитографии, де експонування виробляється широкими коллимированными світловими пучками, рентгенолитография немає відповідної «оптикою» і експонування на рентгенівських установках доводиться виконувати в пучках з великим кутом расходимости. За наявності зазору між шаблоном і підкладкою усе веде до спотворення ж розмірів та зміщення елементів малюнка, переданого в шар резиста. Максимальне усунення елемента виникає на периферії пластини і одно, параметри на рис. 8.

Рис. 8 Схема експонування на рентгенівської установке.

з обертовою мишенью.

З іншого боку, кінцеві розміри плями лежить на поверхні мішені через низьку ступеня фокусування знижують контрастність зображення на шарі резиста. Розмитість зображення, т. е. ширина зони напівтіні по контуру елемента,. Задовільні результати отримують при MM, МКМ І см.

Які Суперечать пучки рентгенівських трубок мають у своєму площині підкладки невисоку щільність потоку енергії. Це змушує залучити до виробництві високочутливі негативні рентгенорезисты, які мають обмеженим (~0,5 мкм) разрешением.

8. Дати характеристику діелектричних паст, що використовуються під час виготовлення ізоляції толстопленочных ИМС.

Діелектричні пасти поділяють на два виду: для діелектриків конденсаторів (типу ПК) й у межслойной ізоляції (типу ПД).

Конденсаторные пасти мають забезпечувати удільні ємності порядку тисяч пикофарад на 1 см² при толщинах плівки до 40 мкм. У зв’язку з цим функціональну фазу створюють із порошків сегнетоелектриків (наприклад, титаната барію ВаТiO3), мають високі значення діелектричним проникності. Особливі вимоги пред’являються у своїй до конструкційної зв’язці, які мають не реагувати з функціональної основою, забезпечувати сплошность структури та утворювати тонкі прошарку між функціональними частинками (задля забезпечення високих значень). Паста ПК-1000−30 з урахуванням титаната барію добре поєднується з провідниками з урахуванням серебряно-палладиевых паст і вжигается при t=600—650 °З. При товщині 25—30 мкм вона не має питому ємність 3700—10 000 пф/см2, т. е. такого ж порядку, як і тонкопленочные конденсаторы.

Пасти для межслойной ізоляції і захисних покриттів повинні мати удільної ємністю не вище 200 пф/см2. Товщина ізоляційних верств сягає 70 мкм. Такі пасти становлять з урахуванням шибок, які у цьому випадку одночасно є і функціональної, і конструкційної фазами. Наприклад, пасту ПД-2 становлять з урахуванням скла СУ-273 з добавкою Al2O3 як наповнювача. До складу органічної зв’язки входять каніфоль, стеаринова кислота, вазелінове олію, ланолін, вакуумне олію. Паста забезпечує СO=120 пф/см2 при пробивном напрузі 500 В.

Основна технологічна завдання для формування верств з шибок у тому, щоб уникнути розтікання шару у процесі вжигания, і навіть при повторних нагревах. Растекаемость зменшує товщину шару, рахунок чого зростає питома ємність, і навіть призводить до затеканию скла на контактні площадки.

Хороші результати під час створення межслойной ізоляції дають пасти з урахуванням ситаллоцементов, у яких при нагріванні утворюється кристалічна фаза (на кшталт ситаллов), предотвращающая розм’якшення шару при повторних нагревах. Наприклад, ситаллоцемент марки СЦ-273, синтезований з урахуванням шибок системи SiO2—PbO—ZnO—TiO2, вжигается за нормальної температури 750 °З. Для зменшення його розтікання при вжигании вводять наповнювачі: порошок Al2O3 (15—20 мас. %) і порошок 22ХС (0—5 мас. %). Питома ємність у разі становить 180 пф/см2 при товщині шару 60—70 мкм. При тієї ж товщині ситаллоцементы СЦ-215 і СЦ-36 з урахуванням SiO2—BaO— Al2O3 з порошком 22ХС забезпечують Со=120 пФ/см2.

При приготуванні паст їх компоненти точно зважують відповідно до рецептурою і старанно перемешивают.

9. Описати способи підгонки толстопленочных элементов.

Припасування толстопленочных резисторів залежить від видаленні частини їхнього матеріалу, у результаті опір резисторів зростає. Припасування толстопленочных конденсаторів полягає у видаленні частини верхньої обкладки, у результаті ємність конденсаторів зменшується. Тому, аби внеможливити несправний шлюб, потрібно налаштовувати процес друку елементів шляхом коригування складу паст чи товщини верств те щоб резисторы мали явно занижені значення опорів, а конденсаторы—завышенные-значения ємності (рис. 9).

Рис. 9 Відносне розташування полів розсіювання і допуску до подгонки:

а — для толстопленочных резисторів; б — для толстопленочных конденсаторів (і - поля допусків на опір резисторів і ємність конденсаторів соответственно).

При припасуванню конденсаторів необхідно старанно підбирати режими обробки щоб уникнути короткого замикання обкладок. У процесі підгонки висновки підкладки встановлюють в контактне пристосування, що пов’язує елементи схеми з вимірювальним пристроєм. Потім, послідовно «опитуючи» елементи, їх вимірюють і обробляють. І тому кожен елемент схеми повинен мати індивідуальний вихід на висновки підкладки. За необхідності вводять або тимчасові (технологічні) перемички, згодом удаляемые (рис. 2.50,а), або тимчасові армовані висновки, які відрізають після підгонки (рис. 2.50,6).

Рис. 10 Підкладки з толстопленочными резисторами (чи конденсаторами (б).

При припасуванню елементів на подложках, які мають висновків (за аналогією з ситалловыми подложками тонкоплівкових мікросхем, контактування здійснюється через контактні майданчики елементів з допомогою зондів вимірювального устройства.

Дляподгонкиприменяют лазерні установки «Кварц-5», «Темп-10», а крупносерийном автоматизованому производстве—автоматы підгонки «Темп-30». Установка «Кварц-5», наприклад, варта підгонки резисторів імпульсами випромінювання із довжиною хвилі 0,34 мкм. Потужність вимпульсе сягає 30 кВт. Продуктивність установки 300 резисторів в час.

Гетерогенний характер структури толстопленочных резисторів дозволяє змогли ефективно використати і токовую підгонку. При подачі на резистор високовольтного імпульсу відбуваються пробої скляній прошарку, що розділює частки функціональної фази, і виникають додаткові канали провідності. Через війну опір резистора зменшується. Прийнятна швидкість зміни опору (%) характеризується амплітудах імпульсу 50—500 У і тривалості 2—10 мкс. У цьомучисло імпульсів звичайно перевищує трьох. Випробування підігнаних резисторів під навантаженням протягом 1000 год показують, що іракський опір резисторів частково восстанавливается.

Важливим етапом операції підгонки, як лазерної, і токовой, є визначення необхідного на резистор залежно від результатів виміру його опору. При ручних методах вимірювання, і управління процесом підгонки необхідний час в багато разів довше власне підгонки. Висока ефективність процесу підгонки можлива лише за використанні автоматизованих системам управління процесом (АСУ).

10. Зобразити схему вакуумної системи многопозиционной установки для вакуумного напыления.

Відомо, що з отримання робочого вакууму витрачається час до 1,5—2 год (навіть за розігрітому диффузионном насосі). Оскільки час напилювання окремого шару рідко перевищує 1−1,5 хв, то прагнуть використовувати многопозиционные вакуумні установки, дозволяють, не порушуючи вакууму (за вакуумний цикл), послідовно чи одночасно обробляти кілька підкладок. Ефект ще більше значний, при цьому застосовують групові підкладки. Зазвичай використовують групові ситалловые підкладки стандартного розміру 60×48 чи 120×96 мм.

За рівнем безперервності процесу обробки МПВУ можна розділити на дві групи: однокамерні періодичної дії і багатокамерні полунепрерывного чи безперервного действия.

Установки першої групи працюють за наступному циклу: установка подложек—откачка робочого обсягу — обробка (напилювання) — зняття вакууму і вскрытие—снятие опрацьованих підкладок. Для таких установок характерно, що допоміжне час на відкачування не перекривається із головною технологічним часом, і навіть що установка підкладок та його суміщення з масками виконуються вручну (безпосередньо чи через відповідні механизмы).

У установках, другої групи відкачка частково (МПВУ полунепрерывного дії) чи цілком (МПВУ безперервного дії) поєднується із головною процесом обробки. Це досягається з допомогою многокамерной системи із різним рівнем вакууму окремимикамерах. У таких установках можна виконувати повний цикл виготовлення мікросхеми, т. е. напылять всі прошарки, у обробці одночасно (різних стадіях) можуть бути кілька підкладок. Управління в установках (транспортування підкладок і фіксація їх у робочих позиціях) здійснюється автоматично. Отже, установки другої групи є автоматичні линии.

Однокамерная установка періодичної дії має внутрикамерное многопозиционное пристрій карусельного типу, яке виконують у одному з цих двох варіантів: або у кожній позиції каруселі (барабані) встановлюють підкладку в поєднанні з трафаретом (якщо вони використав цьому процесі), або на каруселі встановлюють лише підкладки, а маски розміщують реклами у нерухомому многопозиционном диску отже підкладка, переходячи з позиції з позицію, послідовно поєднується з різними масками.

У установках першого типу зазвичай маємо одну робоча позиція (позиція напилювання), у кожен час обробляється лише однієї підкладка. До таких настановам, зокрема, належить УВН-2М-2, спрощена схема внутрикамерного устрою якій подається на рис. 11.

Рис. 11 Схема внутрикамерного устрою УВН-2М-2:

1 — карусель випарників; 2 — екрани; 3—диафрагма;4 — карусель трафаретов і підкладок; 5 — нагрівач підкладок; 6 — імітатор з датчиками температури та опору плівки; 7 — електроди війною очищення; 8 — колектор; 9 — заслонка.

У разі карусель підкладок і масок має вісім позицій, і може безупинно обертатися зі швидкістю 40—150 об./хв. Це забезпечує ідентичність властивостей плівки усім подложках. На базової плиті змонтована пятипозиционная карусель резистивных випарників в такий спосіб, що харчування подається лише з той випаровувач, який виведений на робочу позицию.

Технологічні можливості такий установки переважно полягають у напылении елементів одного шару через трафарети, соціальній та напылении двох суцільних верств (наприклад, резистивного і яка проводить) із наступною двухкратной фотолитографией.

Внутрикамерное пристрій включає у собі також систему іонної очищення, встановлену нерухомо на одній із позицій, систему нагріву підкладок, датчики контролю опору і товщини наносимой пленки.

11. Описати метод отримання плівок шляхом катодного розпыления.

Атомарний (молекулярний) потік речовини можна було одержати, бомбардуючи поверхню твердого зразка іонами з енергією порядку сотень і тисяч електрон-вольт. Енергія іонів причому у кілька разів теплоту сублімації поверхневих атомів і живий взірець (мішень) інтенсивно розпорошується. У процесі бомбардування мішень активно охолоджують. Це виключає перебіг у ній диффузионных процесів. У разі підвищеного проти термічним вакуумним напилюванням тиску значної частини розпорошених атомів розсіюється, що, з одного боку, зменшує швидкість осадження, з другого — підвищує рівномірність осадження плівки площею підкладки. Цьому сприяє і велика площа мишени.

Отже, проти термічним випаром в вакуумі розпорошення іонним бомбардуванням позволяет:

1) отримувати плівки з тугоплавких металів, перспективних для микроэлектроники;

2) наносити на підкладку з'єднання та сплави без дисоціації і фракционирования, т. е. без зміни вихідного состава;

3) осаджувати окисные, нитридные та інші плівки з допомогою хімічного взаємодії распыляемого матеріалу з вводимыми до камери хімічно активними газами (реактивне катод распыление);

4) отримувати рівномірні за «товщиною плівки великий площі, зокрема, за наявності поверхового рельефа;

5) багаторазово використовувати мішень як джерело матеріалу, що підвищує однорідність процесу полегшує його автоматизацію (наприклад, в установках безперервного действия);

6) забезпечувати високу адгезію плівок до підкладці завдяки специфічним умовам на підкладці і високої енергії осаждающихся атомів (часткове запровадження у грати матеріалу подложки);

7) забезпечувати малу інерційність процесса.

Для розпорошення мішені використовують іони інертних газів (зазвичай аргон високої чистоти). Джерелом іонів служить або самостійний тліючий розряд, або плазма несамостійного розряду (дугового чи високочастотного). Нині у виробництві використовують різноманітні процеси розпорошення, відмінні характером яке живить напруги (постійне, змінне, високочастотне), способом порушення та підтримки розряду (автоэлектронная емісія, термоэмиссия, магнітне полі, електричне ВЧ-поле тощо.), числом електродів. Таке розмаїтість процесів та його модифікацій пов’язано з бажанням поліпшити основні технологічні показники — швидкість осадження, чистоту і однорідність за «товщиною одержуваної плівки, і навіть прагненням розширити коло матеріалів, що використовуються отримання плівок цим методом.

Фізичні основи процесу доцільно розглянути з прикладу найпростішої його різновиду — катодного розпорошення постійному струмі самостійного тліючого разряда.

Рис. 12 Схема катодного розпорошення (двухэлектродная система) і характеру розподілу потенціалу до просторі між катодом і анодом:

1—анод; 2—подложка; 3 — изолятор;4—экран; 5 — катод-мишень.

Фізичні основи катодного розпорошення. При катодному розпорошення використовують найпростішу двухэлектродную схему (рис.12), звану також диодной схемою розпорошення, що складається з катода (распыляемой мішені) і анода. Підкладки вони розміщають аноді. Тліючий розряд створюється в розрідженому аргоні при тиску 1—10 Па. У процесі розпорошення безупинно працює система відкачування, а аргон з певним витратою вступає у камеру через натекатель, як і забезпечує заданий тиск газу. Катод-мишень наводять під негативним потенціалом щодо заземленого анода.

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

Рис. 13 Вольт-амперная характеристика самостійного газового разряда.

У вихідному газовому проміжку «катод — анод» внаслідок фотоэмиссии катода, впливу космічного випромінювання та інших причин завжди є електрони. З іншого боку, при високих напругах має місце автоэлектронная емісія з холодного катода. Тому пробивна напруженість електричного поля була в такому проміжку при тисках 1—10 Па становить близько 0,5 кВ/см. Для відстаней між анодом і катодом L=38 див напруга необхідне електричного пробою і запалювання розряду (напруга запалювання) порядку 1,5—4 кВ. Купуючи в електричному полі енергію, електрони рухаються до аноду, ионизируя шляхом атоми газу, у результаті відбувається лавиноподібне наростання потоку електронів до аноду і (зустрічного) іонів до катоду. У результаті різко підвищується провідність газового проміжку, зростає струм і знижується напруга [за кілька сотень вольт (ділянку 1 на рис. 13)]. Що Виникає у своїй розряд може бути стаціонарним лише за умов, якщо з катода в розрядний проміжок надходитимуть електрони у кількості, достатньому підтримки концентрації електронів і іонів в розряді. Після досягнення катода іони рекомбинируют (нейтралізуються) з електронами, які надходять на катод із зовнішнього ланцюга. Вивільнювана енергія достатня (з певною ймовірністю), щоб викликати емісію електрона із поверхні катода (вторинна ионно-электронная емісія), а при певної кінетичної енергії іони можуть вибивати також атоми з матеріалу катода (розпорошення). Побічні електрони внаслідок сутичок повинні створювати стільки іонів (загалом 1/ однією електрон), яке, з одного боку, компенсує їх спад внаслідок нейтралізації, з другого — забезпечує постійний приплив вторинних електронів з катода. І тут розряд підтримує саму себе і називається самостійним тліючим разрядом.

Для тліючого розряду характерно певне розподіл потенціалу, обумовлене розташуванням просторових зарядів. Не розглядаючи тонкої структури розряду, можна назвати у ньому дві основні області: темне катод простір позитивний світний стовп (див. рис. 12). Товщина dк темного катодного простору (ТКП) приблизно дорівнює середньому відстані, яке проходить вторинний електрон від катода до першого іонізуючого зіткнення. Надалі електрон здатний багаторазово іонізуйте молекули газу, оскільки його енергія в останній момент першого зіткнення становить сотні електрон-вольт й суттєво перевищує енергію, необхідну іонізації атома, наприклад, аргону (15,7 еВ). Тому безпосередньо за ТКП утворюється область іонізованого газу, у якій кількість електронів і позитивних іонів приблизно однакове. Ця сфера (область позитивного стовпа) характеризується високої провідністю та з малим падінням напруги. Світіння позитивного стовпа пояснюється порушенням нейтральних молекул за її зіткненні з електронами, і навіть рекомбинацией іонів. Завдяки экранирующему дії електронів позитивні іони переміщаються у напрямку катоду переважно по рахунок дифузії, бо їх дрейф таких умов незначний. Досягаючи кордону ТКП, іони пришвидшуються сильним полем і бомбардують катод. Через розбіжності у швидкості іонів і електронів в ТКП утворюється позитивний просторовий заряд, що й обумовлює значне падіння напруження і високу напруженість поля. Отже, ТКП, у якому практично зосереджено все полі, грає на вирішальній ролі як у забезпеченні розряду, і у процесі розпорошення. Воно забезпечує енергію електронів, необхідну підтримки розряду, та енергію іонів, необхідну ефективної бомбардування катода-мишени.

У що встановилася режимі (ділянку 2 ВАХ) падіння напруги у сфері ТКП приймає певне значення uнк, зване нормальним катодным напругою. Воно залежить роду газу, його тиску р, матеріалу мішені, й до певного значення залежить від разрядного струму. Останнє пояснюється умови існування нормального тліючого розряду: зі збільшенням разрядного струму (рахунок збільшення подводимой потужності) площа катода, покрита розрядом, збільшується в такий спосіб, що щільність струму залишається незмінною і мінімально яка потрібна на емісії вторинних електронів, підтримують самостійний розряд. Через низької густини струму розпорошення мішені як нормального тліючого розряду незначительно.

Коли уся площа катода покриється розрядом, подальше збільшення струму призводить до зростанню його щільності. Це призводить до підвищення катодного падіння напруження і підвищенню коефіцієнта вторинної електронної емісії, які забезпечують самостійний розряд. Ділянка 3 ВАХ відповідає аномальної тліючому розряду і використовується для розпилення виробничих условиях.

З підвищенням струму збільшуються щільність струму і інтенсивність розпорошення. При деякому значенні щільності струму, що залежить від умов охолодження мішені, катод сильно розігрівається й починає помітно виявлятися термоэлектронная емісія. Струм в розряді зростає, а напруга падає, оскільки розряд стає несамостійною і має інший дугового розряду (ділянку 4 ВАХ). Щоб запобігти переходу тліючого розряду в дугового високовольтний джерело харчування повинен мати обмеження з потужності, а мішень інтенсивно охлаждаться.

Основний характеристикою, визначальною ефективність розпорошення, є коефіцієнт розпорошення kp, являє собою середня кількість атомів мішені, розпорошених одним іоном. Коефіцієнт розпорошення залежить від енергії іона ЕИ, його маси (роду робочого газу), матеріалу мішені, й певною мірою від неї температури і стан поверхні, і навіть від кута падіння іона. У табл. 1 наведено значення коефіцієнтів розпорошення декому металлов.

Коефіцієнт розпорошення необхідно розглядати, як випадкову величину, що має певними статистичними характеристиками. Відповідно до таблиці, збільшення коефіцієнта розпорошення можливо рахунок збільшення як енергії іонів, і молекулярної маси газу, серед якої відбувається розпорошення (Аг, Кг).

Збільшення тиску робочого газу підвищить ймовірність зіткнення розпорошених атомів з молекулами газу, у результаті частина атомів неприходить на підкладку, а розсіюється обсягом камери чи повертається на мішень. У цьому швидкості розпорошення і осадження падають. Так само впливає ці параметри збільшення відстані L від катода до підкладки. Мінімально дозволене значення L має трохи перевищувати ширину темного катодного простору dК, інакше ймовірність іонізуючих сутичок вторинних електронів різко зменшиться і розряд стане нестабільним. У той самий час висока енергія електронів поблизу кордону ТКП призводить до того, що інтенсивність бомбардування поверхні підкладки підвищується, і вона розігрівається, результатом чого стало зниження швидкості осадження, а деяких випадках — виникнення нежелатель-ных радіаційних порушень поверхневого шару. Насправді відстань L підбирають экспериментально.

З сказаного слід, що масова швидкість розпорошення речовини катода, тобто. кількість речовини в грамах, распыленного із першого см2 катода один з, визначається для аномально тліючого розряду выражением.

w=k (u-uНК)J/(pL)(5).

де и—напряжение «анод—катод»; иНК—нормальное катод падіння напруги, у якому розпорошення пренебрежимо мало;

J—плотность разрядного струму; р—давление робочого газу; L— відстань «катод—подложка»; k—постоянная, що залежить від роду газу та матеріалу катода.

З аналізу ясно, що це технологічні параметри розпорошення (і, іНК, J і р) функціонально пов’язані один з одним і вибір однієї з них однозначно визначає значення інших. Це становище ілюструється рис. 14, де представлені робочі ділянки вольт-амперних характеристик розряду що за різних тисках робочого газу, і навіть нагрузочная вихідна характеристика блоку харчування. Крапка перетину нагрузочной характеристики з ВАХ визначає режим распыления.

При розпорошення сплавів швидкість процесу задля різних компонентів у випадку різна. Забезпечити поставлене склад плівок при іонному розпорошення здебільшого простіше, аніж за термічному вакуумному напылении. Одне з прийомів залежить від використанні складових (мозаїчних) мішеней, причому співвідношення площ компонентів мішені розраховують, з заданого складу плівки і коефіцієнтів распыления.

Умови конденсації розпорошених атомів. При іонному розпорошення (на відміну термічного вакуумного напилювання) потік атомів речовини на підкладку має такі особенности:

1) енергія і напрям удару атомів про поверхню підкладки мають випадковий характер поверхнею й у времени;

2) щільність потоку атомів на підкладку приблизно значно нижче, що зумовлює нижчі швидкості зростання плівок (~0,5 нм/с);

3) середня енергія атомів, подлетающих до підкладці, на 1—2 порядку більш высокая;

4) поруч із нейтральними атомами серед присутні іони распыляемого речовини і электроны;

5) відносне зміст молекул залишкового газу потоці і підкладці більш высокое.

Ці особливості надають специфічний характер процесу конденсації при іонному розпорошення. Важливим у своїй служить наявність лежить на поверхні підкладки розподіленого негативного заряду: прямуючи до аноду, частина потоку електронів залишається лежить на поверхні діелектричним підкладки (та був і плівки), створюючи статичний заряд, потенціал якого не може досягати 100 У (і більше) щодо заземленого анода. Під упливом негативного заряду виникають потік позитивних іонів залишкового газу, забруднюючої плівку, потік іонів робочого газу, сприяє десорбции газів, і потік іонів распыленного матеріалу катода, який, рухаючись вздовж підкладки до «ямам» потенційного рельєфу, призводить до швидкого освіті великих кристалів. Зростання таких кристалів призводить до раннього освіті суцільний плівки, тобто. знижує значення критичної товщини. З іншого боку, зарядовый механізм конденсації пояснює, чому для плівок не існують критичне значення температури підкладки і критична щільність пучка.

Освіті великих кристалів сприяють і високі торішні енергії нейтральних атомів распыленного речовини і нагрівання підкладки через бомбардування. Обидва ці чинника забезпечують високе міграційне здатність атомов.

При катодному розпорошення легше, аніж за термічному вакуумному випаровуванні, досягти рівномірного розподілу конденсату за «товщиною, оскільки плаский джерело атомів — катод може за величиною перевищувати відстані до підкладки (30—80 мм). Так, при діаметрі катода 300—350 мм досягається рівномірність конденсату за «товщиною ±2% площею анода діаметром 150 мм. При планетарному русі підкладок на обертовому аноді рівномірність у розподілі конденсату поліпшується до ±1%.

Раніше було виявлено деякі побічні явища, які б десорбции залишкових газів з плівки. Проте зміст газів у плівці зазвичай залишається високим. Наприклад, при парциальном тиску залишкових газів 10−4 Па обложена плівка танталу містить до 10 ат. % кисню. Причина підвищеного змісту газу обложеної плівці у низькій щільності потоку розпорошених атомів на підкладку, тоді як щільність потоку залишкових газів на підкладку має приблизно хоча б порядок, що й за термічному вакуумному напылении. З іншого боку, ефективності роботи диффузионного насоса (швидкість відкачування) при тисках вище 0,1 Па помітно знижується, і, попри те, що напуск робочого газу виробляють тільки після відкачування до глибокого вакууму (10−4 Па), у присутності робочого газу залишковий газ видаляється менш ефективно, та її парціальний тиск підвищується.