 |
Равномерность распределения толщины распыляемых пленок.
|
|
|
|
Разрядная плазма магнетрона повторяет форму полюсных наконечников системы и при использовании плоских мишеней (планарных магнетронов) может быть реализована в форме окружности, сильно вытянутого эллипса (квазилинейный генератор) или других сложных замкнутых непересекающихся кривых. Это дает возможность регулировать интенсивность осаждения пленок на различных участках покрываемых поверхностей.
При типичных рабочих давлениях поток распыляемых частиц доходит до подложек с незначительным рассеянием на молекулах рабочего газа [43]. Вследствие этого с достаточной степенью точности можно прогнозировать распределение толщины пленки при допущении косинусного распределения потока распыляемых частиц и бесстолкновительного, его распространения.
Распределение толщины пленки при распылении с помощью магнетрона с дисковым катодом хорошо согласуется с расчетными значениями, получаемыми для кольцевого источника с косинусными эмиссионными характеристиками. Для такого источника наилучшее распределение толщины получается для мишени, у которой внутренний диаметр равен 0,7 h, а внешний 0,8 h, где h- расстояние от мишени до подложки. Если предположить, что ширина плазменного кольца равна 2 см, а минимальное расстояние мишень - подложка 5 см, то оптимальный наружный диаметр плазменного кольца 9,5 см. Дисковые мишени с большими размерами кольца должны размещаться пропорционально дальше от подложек.
Особенностью магнетронов является то, что распределение плотности ионного тока на мишени неравномерно. При расчете равномерности толщины осаждаемой пленки необходимо учитывать как геометрию мишени, так и распределение на ней плотности ионного тока.
|
|
|
Дело еще и в том, что в реальных условиях при длительном использовании мишени происходит неравномерная эрозия мишени с образованием углубления в зоне наиболее интенсивной ее бомбардировки ионами, что должно приводить в какой-то мере к изменению распределения толщины пленки по подложке. Однако это изменение не превышает нескольких процентов, даже при полном износе мишени.
Кроме того, распределение распыленных атомов в пространстве зависит от энергии бомбардирующих ионов и давления в камере и может значительно отличаться от косинусного. Считается, что косинусный закон сохраняется для энергии ионов Wi=1 - 10 кэВ, в случае Wi>10 кэВ закон надкосинусный (т. е. большая часть распыленных атомов летит по нормали к поверхности и меньшая - под углом), а в случае Wi<1 кэВ закон распределения подкосинусный (большая часть атомов распыляется под углом к поверхности мишени и меньшая - по нормали).
Равномерность распределения толщины пленок может быть повышена путем небольшого смещения подложек относительно оси симметрии МРС, а также оптимизации геометрии магнитного блока катода-мишени.
Для оптимизации положения подложки относительно мишени магнетрона был проведен ряд экспериментов по напылению хрома на установке «Caroline D12A». Подложки из ситалла марки СТ50-0,5 размером 60×48 мм устанавливались на карусель рабочей камеры с помощью специальных фиксаторов, которые позволяли в некоторых пределах изменять положение подложки относительно оси магнетрона.
Выбор в качестве осаждаемого материала – хрома, позволял оперативно судить о неравномерности распределения толщины получаемых пленок по площади подложки. Для этого, после напыления проводились измерения удельного поверхностного сопротивления тонких пленок хрома известным четырехзондовым методом (на цифровом измерители удельного поверхностного сопротивления) не менее чем в 9 точках поверхности подложки. Минимальное значение удельного поверхностного сопротивления пленки хрома на подложке (при оптимальном ее расположении на карусели) составило 58 Ом/□ (в средней части), а максимальное – 60,7 Ом/□ (на углах подложки). Следовательно, максимальная неравномерность толщины конденсата по всей площади подложки размером 60×48 мм составляет менее 3,3%, что соответствует техническим характеристикам на установку, приведенных в главе 5.
|
|
|
Адгезия пленок полученных магнетронным напылением.
Важным свойством пленок является адгезия с подложкой, которая при использовании магнетронов значительно выше, чем у пленок, полученных термовакуумным методом. Это объясняется высокой энергией конденсирующихся частиц при распылении (несколько электрон-вольт), в то время как при испарении энергия осаждаемых частиц составляет доли электрон-вольта.
В табл. 6.5.1 приведены средние значения энергии Wa и скорости vа атомов различных поликристаллических материалов, распыляемых ионами аргона с энергией в диапазоне 0,6-0,4 кэВ. Из таблицы видно, что распыленные атомы тяжелых материалов обладают наибольшими значениями Wa, а легких — наибольшими значениями vа [44].
Таблица 6.5.1
| Распыляемый материал | Wa, эВ | va∙10-3 м/с |
| Al | 1,1 | 7,4 |
| Cu | 1,1 | 4,3 |
| Si | 1,2 | 6,4 |
| Ti | 1,7 | 5,9 |
| Ge | 1,7 | 4,8 |
| Fe | 1,8 | 6,0 |
| Ni | 2,1 | 6,0 |
| Au | 2,7 | 3,8 |
| Pt | 4,2 | 4,3 |
| Ta | 4,2 | 4,8 |
Существенное влияние на условия конденсации и повышение адгезионных свойств пленок можно оказать, подавая напряжение смещения на подложку. Даже при небольшом напряжении смещения Uсм на подложке наступает насыщение ионного тока Icm, вытягиваемого из граничного слоя плазмы магнетрона (рис.6.5.1). Кривая 1 снята при расстоянии подложка - мишень 50 мм, кривая 2 - при расстоянии 100 мм. Таким образом, в магytтроне можно в широких пределах изменять энергию ионов при постоянном значении ионного тока на подложку. Состав этих ионов точно не известен: в основном это могут быть ионы рабочего газа, однако значительную часть могут представлять ионы распыляемого материала и ионы остаточных газов.
Рис. 6.5.1. Зависимость ионного тока от напряжения смещения.
Для данного напряжения смещения ионный ток на подложку уменьшается с увеличением давления. Наибольшее отношение числа ионов к числу распыляемых атомов на подложке имеет место при давлениях несколько меньше 0,1 Па.
|
|
|
Поскольку относительно малые потенциалы смещения на подложке могут привести к большим ионным токам, контроль потенциала смещения на подложке очень важен в большинстве случаев использования планарных магнетронов.
Рис.6.5.2. Зависимость тепловой нагрузки от напряжения смещения.
Энергия ионов, бомбардирующих подложку, оказывает доминирующее влияние на термическую активацию конденсации, на возрастание подвижности конденсируемых частиц, на возникновение активных центров конденсации, на десорбцию газов чужеродных загрязняющих частиц с поверхности конденсации. При выборе напряжения смещения UCM следует учитывать дополнительную тепловую нагрузку WCM на подложку из-за ионного тока (рис.6.5.2).
Таким образом, при магнетронном напылении тонких пленок параметры работы МРС могут существенно влиять на величину адгезии и структуру получаемых пленок (аморфная поликристаллическая, текстурированная и т.п.). При этом скорость осаждения, температура подложки, энергия бомбардирующих подложку частиц, а также давление рабочего газа в камере являются определяющими параметрами магнетронного напыления.
Анализ пленок
Анализ пленок, полученных на установке «Caroline D12A» методом импульсного магнетронного напыления проводился различными способами. Например, измерение скорости роста осаждаемых пленок Al, Cu или Cr сводилось к измерению их толщин и контролю времени самого процесса напыления. Измерение толщин, полученных слоев проводилось, как на традиционном микроинтерферометре МИИ-4, так и на более современном приборе – профилографе – профилометре типа (KLA Tencor P-16+» по известным методикам.
Равномерность распределения толщины конденсата контролировалась в различных точках поверхности подложки цифровым измерителем удельного поверхностного сопротивления (ЦИУПС) работа которого основана на использовании известного четырехзондового метода.
|
|
|
Кроме этого качество поверхности, а так же структура пленок, получаемых на установке «Caroline D12A» методом импульсного магнетронного распыления, контролировалась с использованием растрового электронного микроскопа «Supra-25» (Германия).
Заключение
В промышленное производство тонкопленочных элементов ИС интенсивно внедряется метод магнетронного распыления материалов, который становится одним из важнейших технологических методов получения пленок.
В одной из обзорных статей это устройство названо «прекрасным образцом долгожданного высокоскоростного источника распыления». Делая замечания о том, что основа этого принципа исходит из работ Пеннинга (1939 г.), автор упомянутой статьи Р. Вейте пишет: «Конструкция плоского магнетронного распылительного устройства являет собой пример ошеломляюще очевидного решения технологической проблемы, которая не поддавалась решению и осуществлению в течение более чем 30 лет».
Идея создания планарного магнетрона, витала в воздухе еще в начале 70-х годов и именно тогда, была предложена конструкция такого устройства с использованием локализации разрядной плазмы магнитным полем арочной конфигурации с замкнутым дрейфом электронов.
К настоящему времени накоплен значительный опыт разработки и использования магнетронов для решения различных технологических задач. Однако следует считать, что магнетроны находятся в начальной стадии своего развития, и потому предоставляют широкий простор для технической фантазии исследователей и инженеров.
Многие вопросы, связанные с физическими процессами, происходящими в магнетроне, еще не ясны. Это объясняется многообразием и сложностью взаимосвязанных и трудноразделимых для аналитических и экспериментальных исследований процессов, происходящих в магнетроне, несмотря на его, относительно конструктивную простоту.
Перспективная значимость магнетронов оправдывает широкое развертывание исследовательских и конструкторских работ, направленных на создание новых модификаций например импульсных МРС [13], а также на совершенствование и оптимизацию этих устройств. Не трудно предвидеть, что в тонкопленочной технологии ближайшего будущего магнетроны серьезно потеснят другие традиционные методы нанесения тонких пленок, особенно в промышленных установках полунепрерывного и непрерывного действия.
Список литературы
1. Технология тонких плёнок (справочник). Т.1 / Под ред. Л. Майселла, Р. Глэнга. - М.: Сов. Радио, 1977.
|
|
|
2. Данилин Б.С. Применение низкотемпературной плазмы для нанесения тонких пленок. ~ М.: Энергоатомиздат, 1989.
3. Белянин А,Ф., Пашенко П.В. Конструкции магнетронных распылительных систем (Обзор) II Техника средств связи, Сер. ТПО. 1992. Вып. 1-2. С. 6-27.//Белянин А.Ф., Пащенко П.В. Конструирование магнетронных распылительных систем, используемых для производства ГНС и устройств функциональной микроэлектроники И Там же. С. 28-47. // Бесоногов В.В.. Житковский В.Д., Пащенко П.В., Елисеев А.Ю. Конструкции магнетронов для распыления металлов // Там же. С. 48-51.
4. Thornton J.A., Greene J.E. Sputter deposition processes. - In Handbook of deposition technologies for films and coatings / Ed. R.F. Bunslmh. 2 ed. -USA: Noyes Publications. 1992, p.249-319.
5. Waits R.K. Planar magnetron sputtering // J.Vac.Sci.Technol. 1978.Vol. 15.No. 2. P. 179-187.
6. Вершина А.К., Агеев В.А. Ионно-плазменные защитно-декоративные покрытия.-Гомель: ИММС НАНБ, 2001.
7. Распыление твёрдых тел ионной бомбардировкой: Физическое распыление одноэлементных твёрдых тел I Под ред. Р. Бериша. - М: Мир, 1984.
8. ПлешивцевН.В. Катодное распыление. -М.: Атомиздат, 1968.
9. ПлешивцевН.В., БажинА.И. Физика воздействия ионных пучков на материалы. - М.: Вузовская книга, 1998.
10. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. - М.: Наука, 1987.
11. Thornton J.A. Substrate heating rates for planar and cylindrical-post magnetron sputtering sources II Thin Solid Films. 1984. Vol. 119. P. 87-95.
12. Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. - М.; Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит-ры, 1971.
13. Кузьмичёв А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн.1 // Аверс (Киев). 2008.
14. HuIlA.W. The effect of a uniform magnetic field on the motion of electrons between coaxial cylinders II Phys. Rev. 1921. Vol. 18. No. 1. P. 31-57.
15. Мозгрин Д.В., Фетисов И.К., Ходаченко Г.В. Экспериментальное исследование сильноточных форм квазистационарного разряда низкого давления в магнитном поле II Физика плазмы. 1995. Т. 21. № 5. С. 422-433. 11 Fetisov I.K., Filippov A.A., Khodachenko G.V. et al. Impulse irradiation plasma technology for film deposition II Vacuum. 1999. Vol. 53. P. 133-136.
16. Кузьмичев А.И. Модуляторы для импульсного питания магнетронных распылительных систем. - В мат. 7 Междунар. симп. "Тонкие пленки в электронике". Йошкар-Ола, 1996. С. 237-240.
17. Kuzmichev A., Sidorenko S,, Steffen H., Hippler R., Kulikovsky V. Investigation of a pulsed magnetron sputtering discharge with a vacuum pentode modulator power supply/1 Vacuum. 2004. Vol. 72. No. 1. P. 59-69.
18. Colligon J.S. Energetic condensation Processes, properties, and products //J.Vac. Sci. Technol. A. 1995. Vol. 13. No. 3. P. 1649-1657.
19. Scholl R.A. Power systems for reactive sputtering of insulating films II Surf. Coat. Technol. 1997. Vol.93. P. 7-13. Scholl R.A. Asymmetric bipolar pulsed power: a new power technology II Ibid. 1998, v. 98, p. 823-827.11 Scholl R.A. Power supplies for pulsed plasma technologies state-of-art and outlook. - Whitenote 06A, 2/99 of Advanced Energy Ind., Inc. USA, 1999.
20. Sellers J Asymmetric bipolar pulsed DC. the enabling technology for reactive РУО//Surf. Coat. Technol. 1998. Vol. 98. P. 1245-1250.11 Seller J. Asymmetric bipolar pulsed DC The enabling technology for reactive PVD. ~ ENI Tech-Note. 1996.
21. Musil J., Lestina J., Vlcek J., Tolg T. Pulsed DC magnetron discharge for high-rate sputtering of thin films II J. Vac. Sci Technol. A. 2001. Vol. 19. No. 2. P. 420-424.
22. LinJ., Moore J.J., MishraB. et al. Examination of the phenomena in pulsed-closed field unbalanced magnetron sputtering (P-CFUBMS) ofCr-Al-N thin films II Surf. Coat. Technol. 2007. Vol. 201. P. 4640-4652.
23. Денбновецкий С.В., ХипплерР., Кузьмичёв А.И., Куликовский В,Ю. и.др. Запаздывание возникновения разряда в импульсных магнетронных распылительных устройствах II Электроника и связь (Киев). 2000. Ка 8 (2). С. 195-198.
24. Кузьмичёв А.И. Перспективы применения газоразрядных и электровакуумных приборов в системах питания магнетронных распылителей II Электроника и связь (Киев). 1998. № 4, часть II. С. 384-388.
25. Кузьмичёв А.И. Пакетно-импульсное питание индукционных ионизаторов пара в термоионных устройствах // ВАНТ. Сер. ВЧМСП (Харьков). 1998. Вып. 4(5)/5(6), С. 16-18.
26. Mark G. Symmetric and asymmetric pulsed power supply applications (How to me DC-Pulse Power Supplies). - Presentation at European Workshop on Pulsed Plasma Surface Technologies. Dresden. Germany, 2002.
27. WinklerT., KirchhoffV., GoedickeK. Requirements of new pulse power-supplies regarding reactive sputtering processes and adjustment of layer properties. - Presentation at European Workshop on Pulsed Plasma Surface Technologies. Dresden. Germany, 2002.
28. Кузьмичёв А.И., Куликовский В.Ю., Сидоренко С.Б. Динамические характеристики импульсной магнетронной распылительной системы I! Изв. АН (Москва). Сер. Физическая. 2000. Т. 64. № 7. С. 1317-1321.
29. Кузьмичёв А.И., Мельник Ю.И., Куликовский В.Ю., Богач П., ЯстрабикЛ. Характеристики импульсного магнетронного разряда при питании от емкостного накопителя энергии II Изв. АН (Москва). Сер. Физическая. 2003. Т. 67. № 9. С.1272-1278.
30. Kuzmichev A.I., Melnik Yu.I. Transistor pulse modulator for plasma technology. — В мат. 6-й Междунар. научно-техн. конф. "Высокие технологии в промышленности России". Москва, 2000. С. 12-15.
31. Bochkov V.D., Kuzmichev A.I. Application of gas discharge tacitrons in pulsed magnetron sputtering technology. — In Proc. lsl Int. Congr. on Radiation Physics, High Current Electronics, and Modification of Materials (5th Conf. on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows). Tomsk, 2000. Vol. 3. P. 177-180.11 Kuzmichev A.I., Bochkov V.D., Melnyk Yu.I. Study of the pulse magnetron sputtering system with a tacitron modulator. - In Proc, 15 Int. Symp. on Plasma Chemistry. Orleans. France, 2001. Vol. 6. P. 2125-2130.
32. Jonsson L.B., Nyberg Т., Katardjiev I., Berg S. Frequency response in pulsed DC reactive sputtering process I/ Thin Solid Films. 2000. Vol. 365. P. 43-48.
33. Кузьмичёв А.И., ГончарукИ.М. Моделирование методом Монте-Карло массопереноса распылённого вещества в импульсной магнетронной системе II Электроника и связь (Киев). 2001. № 12. С. 13-20. || Кузьмичёв А.И., ГончарукИ.М. Моделирование переноса распылённых атомов в импульсной магнетронной системе. — В мат. 7-й междунар. научн.-техн. конф. "Высокие технологии в промышленности России". Москва, 2001. С. 300-304. // Kuzmichev A., Goncharukl. Simulation of the sputtered atom transport during a pulse deposition process in single- and dual-magnetron systems II IEEE Trans. Plasma Sci. 2003. VoI.31.No. 5. P. 994-1000.
34. Thornton J.A. Magnetron sputtering basis physics and application to cylindrical magnetrons - Vac Sci Technol, 1978, v 15, N 2, p 171-177
35. Wasa К, Haykawa S Some features of magnetron sputtering - Thin Solid Films, 1978, v 52, N 1, p 31-43
36 Sputter ring technology/Company Catalog -Изготовитель фирма Airco Temescal Div 1975 - 9 p
37 Vanan Vacuum Company Catalog -Изготовитель фирма Van an
38 Hausma P A new method for fabricating niobium oxide barrier Josephson junctions - J Appl Phys 1974, v 45, N 3, p 1472-1473
39. Clarke P J Magnetron DC reactive sputtering of titanium nitride and mdium-tm oxide - J Vac Sci Technol, 1977, v 14, N 1, p 141—142
40. Joly J, Ranger J Depots de nitrure de tantale par pulverisation est odigue reactive a ledaide d'une cible magnetron - Le Vide, 1975, N 1Ь2, p 34-36
41. Nowicki R S Properties of RF sputtered Аl2О3 films deposited oy planar magnetron - J Vac Sci Technol, 1977, v 14, N 1, p 127-133
42. Schiller S, Heisigand V, Goedicke К Use of the ring gap plasmatron for high rate sputtering -Thin Solid Films, 1977, N 40, p 327-334
43. Kirov К.L., Ivanov N A DC magnetron system for cathode sputtering - Vacuum, 1976, 26, N 6, p 237-241
44. Данилин Б.С. Получение тонких слоев с помощью магнетронной системы ионного распыления -Зарубежная электроника, 1978, № 4, с 87-105.
45. Голант В.Е., Жилинский А.Г., Сахаров И.Е. Основы физики плазмы - М Атомиздат, 1977 -282с
46. Куроедов К.А. Распыление в разряде с дрейфующими электронами -Электронная техника Сер 3 Микроэлектроника, 1973, вып 3(43), с 87-90
47. Неволин Б.С., Сырчин В.К. Исследование разряда в магнетронных системах ионного распыления - Электронная техника Сер 3 Микроэлектроника 1977, вып 3(69), с 37-44
|
|
|
