1977 TSF Sputt

of 7

  • date post

    13-Apr-2018
  • Category

    Documents

  • view

    222
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of 1977 TSF Sputt

  • 7/26/2019 1977 TSF Sputt

    1/7

    Thin Solid Films, 42

    (19 77 ) 185 191

    {~ Elsevier Sequo ia S .A., Lausa nne Pr in ted in the Neth er lands 185

    S P U T T E R I N G O F M E T A L S I N T H E P R E S E N C E O F R E A C T I V E G A S E S

    J H R B E K

    Czechos lova k Acad emy o f Sc iences , The J . Heyrovsk ); Ins t i tu te o f Phys ical Chem is t ry and Elec -

    t rochemis t ry , Mf ichova 7 , 12138 Praha 2 , Vinohrad y Czech os lovak ia)

    (Received July 5 , 1976; accepted Octo ber 15, 1976)

    T h e s p u t t e r i n g y ie ld s o f T i , T a , M o a n d W b o m b a r d e d b y A r i o n s w e r e

    m e a s u r e d

    n s tu

    b y a w e i g h t lo s s m e a s u r e m e n t a s a f u n c t i o n o f t h e p a r t i a l p r e s s u r e

    o f r e a c ti v e ga s ( 0 2 o r N 2 ) . T h e s p u t t e r i n g y i e ld s d e c r e a s e d t o a b o u t 0 . 4 - 0 . 1 o f t h e

    i n it ia l v a l u e i n t h e p r e s e n c e o f a r e a c t i v e ga s f o r e v e r y g a s - t a r g e t c o m b i n a t i o n

    s t u d i e d . A l l t h e c u r v e s w e r e o f s ig m o i d a l s h a p e w i t h a n i n f le c t io n p o i n t t h a t

    d e p e n d e d o n t h e p r i m a r y i o n c u r r e n t d e n s it y .

    T h e r e su l ts w e r e i n t e rp r e t e d i n t e r m s o f a m o n o l a y e r c h e m i s o r p t i o n o f t h e

    r e a c t i v e g a s o n t h e t a r g e t s u r f a c e u s i n g t h e a s s u m p t i o n t h a t t h e a c t u a l s p u t t e r i n g

    y i e ld c a n b e e x p r e s s e d a s a li n e a r c o m b i n a t i o n o f t h e s p u t t e r i n g y i e ld o f th e c l e a n

    t a r g e t a n d t h e s p u t t e r i n g y i e l d o f th e t a r g e t c o v e r e d w i t h t h e a d s o r b e d l a y e r.

    1. INTRODUCTION

    T h e e f fe c t o f g a se o u s i m p u r i t ie s o n t h e p r e p a r a t i o n o f t h i n f il m s b y s p u t t e r i n g

    w a s r e c o g n i z e d a l o n g t im e a g o 1 '2 . M o r e r e c e n t ly W e h n e r 3 a n d Y o n t s a n d

    H a r r i s o n 4 f o u n d t h a t t h e s p u t te r i n g y i e ld f o r b o t h l o w a n d h i g h e n e r g y w a s a f fe c t ed

    b y o x y g e n o r r e a c t i v e g a s a d s o r p t i o n . I n s o m e r e c e n t p a p e r s t h e i m p o r t a n c e o f t h e

    p h y s i c o c h e m i c a l p r o p e r ti e s o f th e g a s - t a r g e t c o m b i n a t i o n d u r i n g r e a c ti v e sp u t t e r-

    i n g w a s d i s c u ss e d 5 -1 2. T h e i n t e r a c t i o n b e t w e e n t h e r e a c t i v e g a s m o l e c u l e s a n d t h e

    s u r f a c e a t o m s o f t h e ta r g e t is o f b as i c i m p o r t a n c e w i t h r e s p e c t t o t h e n a t u r e a n d

    m e c h a n i s m o f t h e s p u t t e r i n g p r o c es s . T h i s h a s b e e n t a k e n i n t o a c c o u n t i n r e c e n t ly

    p u b l i s h e d m o d e l s o f r e a c t i v e s p u t t e r i n g 10 -1 2.

    T h e v a r i o u s m o d e l s o f r e a c t i v e s p u t t e r i n g c a n b e v e ri fi e d b y u s i n g t h e d a t a f r o m

    e x p e r i m e n t s i n w h i c h t h e d e p o s i t i o n r a t e h a s b e e n m e a s u r e d a s a f u n c t i o n o f

    d i f f er e n t p a r a m e t e r s , i n c l u d i n g t h e p a r t i a l p r e s s u r e o f r e a c t i v e g a s. T h e s e m e a s u r e -

    m e n t s a r e c o m p l i c a te d b y t h e d i v er s it y o f t h e i n t e ra c t i o n s o f b o t h s p u t t e r e d a n d

    a d s o r b e d p a r t i c l e s w i t h t h e s u b s t r a t e w h e r e t h e s p u t t e r e d m a t e r i a l i s d e p o s i t e d .

    T h u s t h e s p u t t e r i n g y i e ld is in g e n e r a l n o t p r o p o r t i o n a l t o t h e d e p o s i t i o n r a t e 13.

    A d e c r e a s e in t h e d e p o s i t i o n r a t e a s t h e p a r t i a l p r e s s u r e o f th e r e a c t i v e g a s is

    i n c r e a s e d h a s b e e n c o r r e l a t e d b y v a r i o u s a u t h o r s w i t h a d e c r e a s e i n s p u t t e r i n g

    r a t e 6 '1 '1 2 , w i t h p l a s m a c h a r a c t e r i s t ic s 14 a n d w i t h d i f f er e n t p h y s i c o c h e m i c a l

    p r o c e s s e s o n t h e s u b s t r a t e 15.

    D u r i n g t h e la s t f if te e n y e a r s a l a rg e n u m b e r o f e x p e r i m e n t a l d a t a h a v e b e e n

    p u b l i sh e d , a n d m a n y m o d e l s o f r e a c ti v e sp u t t e r i n g h a v e b e e n c o n s t r u c t e d . A l l th e s e

  • 7/26/2019 1977 TSF Sputt

    2/7

    186 J. HRBEK

    m o d e l s c a n b e c la s si fi ed a c c o r d i n g t o t h e p o s i t io n a t w h i c h t h e in t e r a c t i o n b e t w e e n

    t h e r e a c ti v e g a s m o l e c u l e s a n d t h e ta r g e t a t o m s t a k e s p l a ce , e g o n t h e t a r g e t , i n t h e

    p l a s m a o r a t t h e s u b s t r a t e 16.

    U n d e r c e r t a in e x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s t h e t a r g e t s u rf a c e c a n b e c o n s i d e r e d a s

    t h e m o s t p r o b a b l e i n t e r a c t i o n s it e 17. F o r t h is s it e, o x i d a t i o n l , g e t t e r i n g 11 a n d

    a d s o r p t i o n 12 w e r e s u g g e s t e d a s th e m e c h a n i s m s r e s p o n s i b l e f o r r e a c ti v e s p u t t e r in g .

    I n t h e se p a p e r s t h e a u t h o r s s t u d i e d t h e c h a n g e s i n d e p o s i t i o n r a t e a s a f u n c t i o n o f

    t he p a r ti a l p r e s s ur e a n d o f o t h e r p a r a m e t e r s m e a s u r e d s i m u l t a n e o u s ly , e g t h e m a s s

    s p e c t r u m o f th e p a r t ic l e s s p u t t e r e d f r o m t h e s u r f a c e 1~ o r t h e d i s c h a r g e c h a r a c t e r i s -

    t i c s ~o.

    0 . 5

    m

    k

    [ro,]

    1 . 0

    v 0 0

    o I I I I

    1 5 1 6 1 7 1 8

    1 0 1 0 1 0 1 0

    z o 2 1 [0 ~ - 2 ~ ~ ]

    F i g . 1 . T h e r e l a t i v e s p u t t e r i n g y i e l d k a s a f u n c t i o n o f t h e i m p i n g i n g r a t e Z ( c m 2 s ~) o f th e r e a c t i v e g a s .

    T h e T i O 2 t a rg e t g a s c o m b i n a t i o n w a s m e a s u r e d a t p r i m a r y i o n c u r r e n t d e n s i t ie s o f 2 5 0 p A c m 2 ( O )

    a n d 3 0 p A c m -2 ( ) .

    z I N 2 [ o - 2 - I ]

    1 5 1 6 1 7 1 8

    1 0 1 0 1 0 1 0

    k

    [ , e , ] l l l l

    1 . 0 - -

    0 . 5 - -

    o

    1 5 1 6 1 7 1 0 1 8

    1 0 1 0 1 0

    F i g . 2. T h e e x p e r i m e n t a l v a l u e s o f t h e r e l a t iv e s p u t t e r i n g y i e l d k a s a f u n c t i o n o f th e i m p i n g i n g r a te Z o f

    t h e re a c t i v e g a s f o r M o - O 2 ( 0 ) a n d M o N 2 ( C) ) t a r g e t - g a s c o m b i n a t i o n s . T h e p r i m a r y i o n c u rr e n t

    d e n s i t y w a s 1 5 0 l a A c m - 2

  • 7/26/2019 1977 TSF Sputt

    3/7

    S P U T T E R I N G O F M E T A L S I N T H E P R E S E N C E O F R E A C T I V E G A S E S 1 8 7

    I n th e p r e s e n t w o r k t h e sp u t t e r i n g y ie ld s o f T a , T i, M o a n d W w e r e m e a s u r e d a s

    a f u n c t i o n o f th e p a r t i a l p r e s s u r e o f r e a c t i v e g a s ( 0 2 , N 2 ) , a n d t h e e x p e r i m e n t a l d a t a

    a r e e x p la i n e d i n te r m s o f a n a d s o r p t i o n m o d e l .

    2 . E X P E R I M E N T A L

    T h e e x p e r i m e n t s w e r e c a r r i e d o u t i n a n a l l - g l a s s h i g h v a c u u m a p p a r a t u s

    e v a c u a t e d b y o il d i ff u si o n a n d t i t a n i u m s u b l i m a t i o n p u m p s t o a n u l t im a t e p r e s s u r e

    o f l es s t h a n 1 0 - s P a . T h e r e s i d u a l g a s , c o n s i s t i n g m a i n l y o f C O , N 2 a n d H 2 0 , w a s

    c h e c k e d w i t h a C e n t r o n i c A I G 5 0 a n a l y t i c a l i o n g a u g e . T h e s p u t t e r i n g y i e l d s w e r e

    c a l c u la t e d f r o m t h e w e ig h t lo s se s o f th e m e t a l t a r g e ts c a u s e d b y b o m b a r d m e n t w i th

    A r i o n s o f e n e r g y 2 . 3 k e V . T h e i o n s o u r c e w i t h o s c i l l a ti n g e l e c t ro n s a n d i o n

    e x t r a c t i o n p e r p e n d i c u l a r t o t h e e l e c tr o n b e a m a x i s w a s b u i l t a c c o r d i n g t o t h e d e s ig n

    o f K o e d a m 18. S e c o n d a r y e l e c t r o n e m i s si o n f r o m t h e t a r g e t w a s s u p p r e s s e d b y a

    c o m b i n a t i o n o f m a g n e t i c a n d e l e c tr o s t at ic f ie ld s. T h e w e i g h t l o ss e s w e r e m e a s u r e d

    u s i n g a q u a r t z s p r i n g b a l a n c e w i t h a s e n s i ti v i ty o f 0 . 00 5 m g . T h e t a r g e t s w e r e

    t r a n s f e r r e d m a g n e t i c a l ly in v cuo f r o m t h e ta r g e t c h a m b e r t o t h e b a l a n c e o r t o t h e

    h e a t i n g c ell f o r o u t g a s s in g b y e le c t ro n b o m b a r d m e n t .

    T h e p