Исследование асимметричного емкостного высокочастотного разряда при распылении феррита висмута в кислороде

На правах рукописи

Пляка Павел Стефанович

Исследование асимметричного емкостного высокочастотного разряда при распылении феррита висмута в кислороде

01.04.03 – радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Ростов-на-Дону

2010

Работа выполнена

в отделе физики и астрономии Южного научного центра РАН

и отделе квантовой радиофизики НИИ физики ЮФУ.

Научный руководитель:	кандидат физико-математических наук Толмачев Геннадий Николаевич
Официальные оппоненты:	доктор физико-математических наук Иванов Игорь Григорьевич кандидат физико-математических наук Пруцаков Олег Олегович
Ведущая организация	Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Защита состоится « 26 » февраля 2010 г. в 1400 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.208.10 по физико-математическим наукам Южного федерального университета по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге 5, Южный федеральный университет, физический факультет, ауд. 318.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке ЮФУ

по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148

Автореферат разослан « 21 » января 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д 212.208.10

доктор физико-математических наук,

профессор Заргано Г.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Высокочастотный разряд широко используется для изготовления различных устройств микроэлектроники. Наиболее успешным технологическим применением емкостного высокочастотного разряда (ЕВЧР) является напыление тонких пленок из диэлектрических материалов [1-5]. В частности, рекордное качество тонких пленок сложных оксидов (ТПСО) с сегнетоэлектрическими свойствами удается получить при повышенном (около 1 Тор) давлении кислорода [1,5]. Получены результаты при напылении ТПСО из феррита висмута, обладающего свойствами мультиферроика [6]. Особенность технологии состоит в том, что синтез пленок происходит в процессе напыления без дополнительной обработки. Подложку помещают в зону отрицательного свечения, основные процессы сосредоточены в объеме существенно неоднородной плазмы в приэлектродной области.

В процессе напыления ТПСО в ЕВЧР проявляется ряд особенностей разряда, не характерных для других применений. Геометрия разрядной камеры, продиктованная технологическими потребностями, приводит к высокой асимметрии разряда вследствие малой площади распыляемого электрода, что отражается на параметрах разряда [7]. Происходит интенсивное разрушение многокомпонентного ВЧ электрода и распространение распыленного материала по всему объему камеры. Диэлектрические или металлические подложки, на которых осаждаются пленки, находятся под плавающим потенциалом и подвергаются воздействию убегающих электронов [8]. В качестве рабочего газа используется электроотрицательный химически активный кислород, входящий также и в состав распыляемого сложного оксида (СО) [1]. Неоднородная плазма с большим числом компонентов и высокой плотностью мощности интенсивно излучает в широком диапазоне спектра [1,9]. Распределение излучения линий эмиссии в пространстве напылительной камеры имеет ряд особенностей [1,2,4], отражающих структуру и свойства разряда. Развитие методов диагностики, не требующих проникновения в рабочий объем, имеет важное технологическое значение [1,9].

Несмотря на значительный прогресс в изготовлении пленок, многие вопросы, связанные с происходящими разрядными процессами, еще неясны. Недостаточно развита техника измерения энергетических параметров ЕВЧР с учетом влияния всех электрических элементов конструкции напылительной установки [10]. Остается открытым вопрос о принципиальном отличии осевых распределений интенсивности эмиссии распыленных атомов металла и ионов кислорода [1,2,4]. Не исследовано влияние подложки на пространственное распределение излучения и структуру ЕВЧР в целом. Не установлены собственные характеристики оптической системы, используемой для регистрации осевых распределений интенсивности излучения компонент плазмы. Накоплены результаты изучения оптических характеристик плазмы с использованием сегнетоэлектрических СО, но еще не исследовалось распыление перспективных СО, обладающих свойствами мультиферроика. Чтобы установить соответствия между различными свойствами ЕВЧР, наиболее подходящими могут оказаться сравнительные исследования с использованием как сложнооксидных, так и металлических электродов в различных средах. До настоящего времени при ВЧ распылении СО исследовались только стационарные режимы разряда и не затрагивались вопросы динамики плазменных процессов. Между тем импульсный режим имеет ряд преимуществ при напылении пленок простого состава и одновременно является методом исследования временных характеристик плазмы разряда.

Таким образом, задача исследования асимметричного емкостного высокочастотного разряда при распылении в кислороде сложных оксидов, в частности со свойствами мультиферроика, в настоящее время является актуальной и представляет несомненный научный и практический интерес.

В связи с этим в качестве объекта исследования выбран кислородный емкостной высокочастотный разряд в технологической камере напыления тонких пленок сложных оксидов.

Предмет исследования - закономерности, возникающие в емкостном высокочастотном разряде при распылении материалов сложного состава и отражающиеся на энергетических и оптических характеристиках.

Исходя из этого, целью настоящей работы являлось:

1. Исследование свойств разряда, проявляющихся в процессе напыления тонких пленок сложных оксидов.

2. Установление энергетических характеристик асимметричного кислородного емкостного высокочастотного разряда в технологически значимом диапазоне давлений и мощностей.

3. Комплексные исследования плазмы разряда при распылении феррита висмута - сложного оксида со свойствами мультиферроика.

4. Физическая интерпретация особенностей пространственного распределения интенсивности эмиссии компонент плазмы разряда.

5. Исследование влияния подложки на распределение излучения плазмы и электрическое поле разряда.

6. Исследование динамики распыления электродов из сложного оксида и определение возможных режимов импульсной технологии напыления.

Научная задача состоит в разработке методов исследования электрических характеристик асимметричного емкостного ВЧ разряда и оптических свойств излучения плазмы, алгоритмов обработки измеряемых величин, исследовании возникающих закономерностей и физической интерпретации полученных результатов.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база.

Основными методами исследования являются:

- невозмущающие плазму экспериментальные измерения электрических и оптических величин;

- компьютерное моделирование;

- метод сравнения результатов, полученных при разных условиях;

- анализ теоретических и экспериментальных результатов, проверка модели известными и вновь разработанными способами.

Теоретическая база включает теорию цепей, частотно-временной анализ сигналов, квантовые и классические законы излучения и распространения оптического излучения, уравнения физики плазмы и газового разряда.

Эмпирическая база включает собственный экспериментальный материал и опубликованные результаты других исследователей.

Научная новизна диссертации определяется поставленными задачами, представленными методами их решения и впервые полученными результатами:

1. Впервые проведены комплексные исследования ЕВЧР при распылении в кислороде феррита висмута, включая энергетические характеристики, спектральный состав излучения плазмы, пространственное распределение интенсивности линий эмиссии рабочего газа и распыленного металла с учетом его асимметрии (различий в форме и составе электродов). Выявлены ранее не описанные особенности.

2. Предложена и обоснована модель формирования пространственного распределения интенсивности линий эмиссии металла, входящего в состав распыляемого электрода, впервые объяснившая известное явление и подтвержденная экспериментально.

3. Впервые проведено исследование распыления сложного оксида в импульсном режиме ЕВЧР. Получены экспериментальные временные зависимости интенсивности эмиссии ионов кислорода и атомов металлов. Показано принципиальное отличие механизмов образования эмитирующих центров и возбуждения для ионов кислорода и атомов железа. Выявлена временная связь интенсивности эмиссии атомов железа с потенциалом автосмещения активного электрода и диффузией распыленного вещества. Получены основные параметры динамики распыления и транспортировки материала электрода в импульсном режиме ЕВЧР, что может явиться базисом для разработки импульсной технологии напыления тонких пленок сложных оксидов

4. Предложен и отработан метод математической обработки данных высокоскоростного двухканального АЦП, позволяющий многократно повысить разрешающую способность по времени и точность регистрации ВЧ сигналов. Впервые проанализированы гармонические составляющие тока емкостного ВЧ разряда, выявлены причины их возникновения, обнаружено доминирование высших гармоник в сильноточном асимметричном разряде.

5. Предложен и испытан метод экспериментального исследования амбиполярной диффузии в асимметричном разряде в продольном направлении путем измерения напряженности электрического поля. Впервые получены результаты, доказывающие смену знака суммарного поля подложки и поля разряда вблизи подложки при технологически значимых параметрах разряда.

6. Предложен и применен метод сравнительных исследований ЕВЧР при использовании сложнооксидных и металлических мишеней. Полученные результаты подтверждают достоинства метода для исследования энергетических и оптических свойств разряда. Подтверждена применимость аналогий ЕВЧР и разряда постоянного тока в асимметричной конфигурации.

7. Предложен метод определения пространственной аппаратной функции многощелевой оптической системы и ее последующего учета для анализа пространственного распределения интенсивности эмиссии различных компонент плазмы разряда.

Таким образом, разработаны положения и получены результаты, совокупность которых можно квалифицировать как решение новой научной задачи, соответствующей паспорту научной специальности 01.04.03 “радиофизика” по пункту 2. «Изучение линейных и нелинейных процессов излучения, распространения, дифракции, рассеяния, взаимодействия и трансформации волн в естественных и искусственных средах» и пункту 6 «Разработка физических основ и создание новых волновых технологий модификации и обработки материалов».

Научная и практическая значимость.

Научная значимость работы заключается в развитии теории асимметричного емкостного высокочастотного газового разряда при интенсивном распылении материала электрода.

Практическая ценность работы определяется созданными средствами диагностики разряда, обеспечивающими оптимальный контроль параметров в процессе напыления тонких пленок сложных оксидов. Выполнены расчеты измерительных систем, созданы и испытаны измерительные устройства, отработаны алгоритмы обработки сигналов. Определены важные технологические параметры.

Полученные результаты использованы в НИИ физики ЮФУ и ЮНЦ РАН при создании и эксплуатации технологических установок для напыления тонких пленок сложных оксидов в асимметричном емкостном высокочастотном кислородном газовом разряде, а также в учебном процессе при подготовке студентов физического факультета ЮФУ.

Поставленные в диссертации задачи решались в ходе выполнения ряда проектов, в частности гранта РФФИ № 06-08-00419 и темы ЮФУ №05/6-180.

Внедрение результатов подтверждено соответствующими документами.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Сильноточный асимметричный емкостный высокочастотный разряд с рабочим давлением около 1 Тор является многочастотным, основная причина появления гармоник заключается в импульсах тока проводимости, протекающих во время касания электронным облаком ВЧ электрода.

2. При распылении электрода из феррита висмута в плазме кислородного емкостного ВЧ разряда обнаружены две линии эмиссии атомов железа 306,7 нм и 613,7 нм c аномально высокой яркостью, в 4 и более раз выше, чем для других линий железа. Эти же линии практически отсутствуют при распылении металлических железосодержащих материалов в разряде с аналогичными параметрами.

3. Осевое распределение интенсивности эмиссии атомов распыленных металлов в области отрицательного свечения, характеризующееся монотонным снижением к нулевому значению у подложки, является следствием изменения концентрации электронов в результате амбиполярной диффузии в продольном направлении, при этом возбуждение атомов распыленного металла осуществляется равновесными электронами плазмы.

4. Установлено, что время достижения максимального значения интенсивности эмиссии распыленных атомов металла в асимметричном сильноточном емкостном ВЧ разряде при давлении кислорода около 1 Тор более 100 мкс, в то время как для ионов рабочего газа оно составляет менее 10 мкс. Временные характеристики эмиссии атомов металла связаны с формированием потенциала автосмещения и диффузным распространением распыленного вещества в объеме камеры.

Степень обоснованности научных положений и выводов.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается использованием обоснованных физических моделей и строгих (или с известными оценками погрешностей) математических методов решения поставленных задач; тщательно отлаженной экспериментальной базой; верификацией сделанных выводов различными экспериментальными методами; совпадением полученных расчетных и экспериментальных результатов с данными других авторов.

Апробация.

Результаты диссертации докладывались на Симпозиуме «Лазеры на парах металлов» (ЛПМ-2008), Лоо, 22-26 сентября 2008; VI Всероссийской конференции по рентгеноспектральному анализу, Краснодар, 5-10 октября 2008; I-IV ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов базовых кафедр Южного Научного Центра РАН, г. Ростов-на-Дону, 2005-2008 гг.; на международном симпозиуме “Multiferroics-2”, Лоо, 23-28 сентября 2009.

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 14 работ, (общим объемом 1,2 п.л., в том числе лично соискателю принадлежит 0,8 п.л.), из которых - 2 статьи [1,2] (0,35 п.л., в том числе лично соискателю принадлежит - 0,3 п.л.), опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 2 статьи в журналах (0,35 п.л., в том числе лично соискателю - 0,2 п.л.), 10 тезисов докладов в сборниках трудов научных конференций и симпозиумов (0,4 п.л., в том числе лично соискателю принадлежит - 0,3 п.л.).

Объем и структура.

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Она содержит 198 страниц машинописного текста, включая 121 рисунок и список цитируемой литературы из 153 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы и сформулированы цели исследования. Приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор и ана­лиз работ, посвященных исследованию асимметричных разрядов в режиме распыления электродов. В первой части главы рассматриваются методы напыления ТП [1-6] в разрядах с убегающими электронами. Отмечаются достоин­ства и трудности синтеза ТПСО непосредственно в разряде, без дополнительной обработки [1,2,4,5]. Анализируются различные типы разрядов, используемые для напыления пленок: классический тлеющий РПТ, импульсный, ЕВЧР, магнетронный. Обсуждаются основные достижения в разработке методов контроля процесса напыления пленок, отмечается метод исследования пространственного распределения интенсивности линий эмиссии (ПРИЛЭ) компонент плазмы и технологическое значение внутренних параметров разряда [1,2].

Во второй части анализируются работы, посвященные ЕВЧР, его энергетическим свойствам и особенностям. Затрагиваются вентильные свойства и механизм формирования постоянного потенциала плазмы, роль слоя пространственного заряда (СПЗ). Далее кратко рассматриваются публикации, посвященные асимметричному ЕВЧР, анализируются его особенности [7,10]. В конце части подчеркиваются необходимость контроля энергетических характеристик асимметричного ЕВЧР, обсуждаются технические и методические трудности [7,10].

В третьей части рассматриваются методы исследования ЕВЧР. Кратко анализируются достижения в математическом моделировании РПТ и ЕВЧР. Далее обсуждаются трудности исследования вольтамперных характеристик (ВАХ) ЕВЧР. Затрагиваются результаты зондовых исследований ЕВЧР и импульсного разряда. Подробно рассматриваются оптические методы изучения плазмы газового разряда и новейшие достижения в этом направлении. Анализируются возможности спектральных методов качественного и количественного определения состава плазмы. Рассматриваются перспективы метода измерения ПРИЛЭ плазмы разряда [1,2]. Анализируются работы по исследованию динамики распыления электрода в импульсном режиме методами оптической спектроскопии.

Во второй главе описывается экспериментальная база исследований. В качестве основного неконтактного, не возмущающего плазму разряда экспериментального метода взято изучение спектрального состава плазмы разряда и ПРИЛЭ атомов распыленного электрода, атомов и ионов рабочего газа. Для проведения оптических измерений был модернизирован разработанный ранее комплекс [1,2,4]. Рассматриваются основные технические решения, позволившие повысить параметры оптической системы регистрации. Описывается конструкция и особенности асимметричной разрядной камеры, разработанной и используемой для напыления ТПСО.

Подробно рассматривается метод измерений электрических характеристик ВЧ разряда, описываются конструкции измерительных устройств. Обсуждаются технические и математические аспекты обработки измеряемых токов и напряжений. Демонстрируется на примерах цифровой аналог стробоскопической обработки, позволяющий значительно повысить временное разрешение при регистрации ВЧ сигналов с помощью компьютерного модуля АЦП. Рассматриваются техника и методы исследования электрических оптических характеристик ЕВЧР.