Импульсные магнетронные распылительные системы. Устройства и принцип работы.

 

Импульсные МРС являются следующим этапом развития магнетронных систем ионного распыления. Они позволяют решить целый ряд проблем, возникающих при эксплуатации обычных МРС путем подачи на мишень-катод импульсного прямоугольного или синусоидального напряжения в среднечастотном диапазоне 10-1000 кГц. В импульсном режиме можно существенно увеличить плотность разрядного тока (до 10А/см²) и импульсную мощность разряда до нескольких мегаватт, повысив тем самым степень ионизации вещества до 30-90% [15]. Кроме того, при работе магнетрона в таком режиме снижается тепловая нагрузка на мишень и подложку из-за увеличения скважности импульсов (у неполярных или биполярных).

Импульсный режим можно применять и для реализации в МРС не линейных эффектов, например увеличение (уширение) зоны эрозии, что позволяет получать более равномерное по толщине покрытие, чем в разряде на постоянном токе.

Примером нелинейного эффекта может быть и зависимость плотности упаковки, преимущественной ориентации, состава и параметров решетки тонкопленочного слоя, осаждаемого с одновременной ионной бомбардировкой, от энергии отдельных ионов при сохранении количества энергии, передаваемой одному атому [18]. В настоящее время на практике применяются три основные схемы импульсных МРС [20-22]: в виде одиночного магнетрона, двойных или спаренных магнетронов и нескольких магнетронов, расположенных на разных сторонах рабочей камеры напротив друг друга.

Мишени импульсных МРС выполняются из проводящих материалов, поэтому конструктивно импульсные магнетроны не отличаются от магнетронов, работающих на постоянном токе.

Электрическое питание импульсных МРС осуществляется униполярными импульсами отрицательной полярности или ассиметричными биполярными. Отрицательная часть импульсов обеспечивает зажигание и поддержание разряда, а положительная – разрядку диэлектрических слоев на мишени с целью предотвращения искрений и дуг.

Рис. 4.1. Униполярные (вверху) и асимметричные биполярные (внизу) импульсы для питания МРС с одним магнетроном.

Рис. 4.2. Симметричные биполярные импульсы для питания МРС с двумя магнетронами.

Обычно импульсный режим реализуется в виде непрерывной i последовательности униполярных или биполярных импульсов, равномерно распределённых во времени; при этом частота повторения импульсов составляет десятки-сотни килогерц, а длительность импульсов - единицы-десятки микросекунд. Импульсную работу магнетронов можно также организовать путём группировки импульсов в отдельные пакеты или пачки, т.е. в виде так называемого пакетно-импульсного режима. В работе [17,23] такой режим позволил существенно повысить частоту повторения импульсов, не увеличивая тепловой нагрузки на распылительную систему. В [24] пакетно-импульсная модуляция использовалась в источнике питания магнетрона на базе газоразрядного таситрона с относительно малым допустимым средним током, но большой амплитудой разрядного тока. Пакетно-импульсный режим также рекомендовался для использования в термоионных устройствах для осаждения плёнок с индукционным ионизатором паров металла [25]. В последние годы исследованиями и разработками пакетно-импульсных режимов для магнетронов и других ионно-плазменных устройств интенсивно занимаются в Германии [26,27]. На рис. 4.3 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие данный режим питания импульсных МРС.

Рис. 4.3. Пакетно-импульсная модуляция униполярного (а) и биполярного (б) напряжения питания МРС.

 

В работе импульсной МРС можно выделить три основные периода: стартовый, квазистационарный - на вершине импульса тока и послеразрядный [17,23].

В стартовый период происходит формирование распыляющего разряда: разрядный ток нарастает до некоторого равновесного значения, определяемого параметрами цепи питания. Когда пауза между импульсами велика (> 1 мс) и мала концентрация остаточных заряженных частиц в разрядном промежутке, формирование распыляющего импульсного разряда происходит каждый раз заново со временем запаздывания порядка десятков микросекунд и его большим разбросом. Это, в свою очередь, приводит к флуктуации длительности импульсов разрядного тока и даже их пропускам.

Минимизация времени запаздывания (до нескольких микросекунд) и его разброса достигается поддержанием в МРС слаботочного подготовительного разряда постоянного тока, создающего некоторую начальную концентрацию заряженных частиц. Исследования показали [17,23], что в период запаздывания после подачи импульса напряжения в МРС может возникать слаботочный высоковольтный разряд, который так же, как и специально создаваемый подготовительный разряд, нарабатывает некоторую критическую концентрацию частиц, после чего начинается собственно процесс формирования распыляющего разряда.

В случае малоиндуктивной цепи питания продолжительность последнего процесса определяет длительность переднего фронта импульса разрядного тока. Время формирования разряда можно также оценивать временем, во время которого напряжение на магнетроне снижается от амплитудного значения до равновесного, соответствующего напряжению поддержания разряда. Время формирования составляет единицы-десятки микросекунд и зависит от разрядных условий.

Время запаздывания и формирования распыляющего разряда снижаются при увеличении амплитуды импульсов напряжения и давления газа: первое - за счет повышения коэффициента вторичной ионно-электронной эмиссии катода-мишени, второе- из-за увеличения частоты столкновений электронов с газовыми молекулами. Время формирования возрастает при повышении амплитуды импульса тока, поскольку увеличивается время, необходимое для генерации большей концентрации заряженных частиц. В МРС с "несбалансированным" магнитным полем время запаздывания снижается по сравнению с "классическими" МРС, имеющими магнитное поле, локализованное около мишени, из-за расширения области ионизации газа.

Повышение частоты повторения импульсов и уменьшение длительности токовой паузы приводят к возрастанию остаточной концентрации заряженных частиц и снижению времени запаздывания, так что при паузе менее 20-50 мкс отпадает надобность в подготовительном разряде [17,23]. Это условие автоматически соблюдается при использовании биполярных импульсов или среднечастотного синусоидального напряжения.

Квазистационарный период и распыление мишени начинаются с момента установления равновесного напряжения на распыляющем разряде. Равновесное напряжение близко к падению напряжения на разряде постоянного тока и составляет 400-900В в зависимости от давления газа, конструкции и материала мишени, величины и конфигурации магнитного поля. Разрядное напряжение, как правило, слабо зависит от величины тока. Однако это более-менее точно выполняется при прямоугольных импульсах напряжения и тока длительностью порядка 100 мкс и больше. Этот случай представлен на рис. 4.4, где приведены упрощённые диаграммы напряжения и тока МРС при питании униполярными импульсами. Здесь выброс на фронте импульса напряжения соответствует стартовому периоду, когда напряжение на магнетроне больше равновесного, F- частота повторения импульсов, Т₁ и T₂ - длительности импульсов и пауз.

Рис. 4.4. Диаграммы униполярных им­пульсов напряжения (а) и тока (б) МРС с одним магнетроном.

 

Иногда в цепь питания магнетрона включают дроссель, например, для ограниче­ния амплитуды тока при срыве в дуговой разряд. В этом случае токовый импульс может иметь треугольную форму (тонкая линия на рис. 4.4.6).

Если питание МРС осуществляется импуль­сами, амплитуда которых ненамного превышает напряжение поддержания разряда, паузы между импульсами значительные, а сами импульсы имеют длительность порядка или немного больше времени формирования, то распыляющий разряд не имеет равновесного значения напряжения, т.е. квазистационарной формы. Это наблюдается при использовании ёмкостных накопителей энергии в качестве генераторов напряжения и малого балластного сопротивления [29]. При этом передний фронт импульса тока составляет значительную часть импульса или же ток нарастает в течение всего импульса. Последнее приводит к треугольной форме токового импульса даже в цепи с активным характером импеданса (тонкая линия на рис. 4.4.6). В этом режиме падение напряжения на разряде зависит от текущего значения разрядного тока, времени измерения и предыстории разряда, т.е. параметров предыдущего импульса тока и длительности паузы. Так, при импульсах длительностью до 20-50 мкс разряд имеет повышенное напряжение, которое на 100-200 В выше напряжения на разряде с длинными импульсами и сильно зависит от тока.

В послеразрядный период происходит деионизация (распад) остаточной плазмы магнетронного разряда. Основной механизм деионизации - амбиполярная диффузия заряженных частиц к стенкам камеры с последующей рекомбинацией на них.

При использовании униполярных импульсов и подготовительного разряда в паузе между импульсами наблюдается следующая картина (штриховые линии на рис. 4.4) [28]: после окончания импульса тока напряжение на магнетроне спадает почти до нуля из-за шунтирования послеразрядной плазмой межэлектродного промежутка - этот период можно назвать периодом избыточной ионной проводимости, а практически все напряжение источника питания падает на балластном сопротивлении подготовительного разряда. Затем по мере распада плазмы напряжение достигает значения, соответствующего напряжению поддержания подготовительного разряда. Время восстановления напряжения подготовительного разряда составляет несколько десятков микросекунд, и оно может служить мерой продолжительности процесса деионизации.

В случае асимметричных биполярных импульсов (рис. 4.1, нижняя диаграмма) деионизация происходит в положительный полупериод, когда напряжение на магнетроне не достаточно для поддержания ионизационных процессов. Наличие напряжения не препятствует рекомбинации заряженных частиц на мишени и других поверхностях.

В случае симметричных биполярных импульсов (см. рис. 4.2) ионизация происходит в оба полупериода, но главным образом около магнетрона, имеющего отрицательный потенциал. В пространстве около второго магнетрона (который служит анодом) также происходит ионизация, но менее эффективно из-за отсутствия высокоэнергетичных вторичных электронов, генерируемых при бомбардировке мишени ионами и ускоряемых в катодном слое положительного пространственного заряда. В результате, в МРС со спаренными магнетронами в каждый полупериод происходит перераспределение концентрации заряженных частиц, сопровождаемое частичной деоинизацией.

При питании МРС среднечастотным синусоидальным напряжением наблюдается аналогичная картина, но при работе на низкой частоте (50-400 Гц) происходит полная деионизация при напряжениях, меньше напряжения поддержания разряда, т.е. в области вблизи перехода через нуль.

На практике для питания МРС с одним магнетроном наиболее часто применяют напряжение (ток) в виде униполярных и ассиметричных биполярных прямоугольных импульсов рис.4.1. Такие импульсы создают условия более полного использования времени для передачи энергии в разряд.

Надо отметить, что реальные формы импульсов напряжения и тока магнетронов имеют сложную форму, которая только напоминает прямоугольную.

Для генерации импульсов применяют различные схемы (модуляторы); некоторые описаны в [16,23,28]. Их разделяют на три группы:

- генераторы напряжения, которые имеют очень низкое внутреннее сопротивление и позволяют поддерживать заданное напряжение на нагрузке,

- генераторы тока, которые имеют очень большое внутреннее сопротивление и позволяют поддерживать заданный ток в нагрузке,

- источники смешанного типа.

На рис. 4.5 приведена схема импульсного модулятора первого типа [16,19]. Здесь К и А - катод (мишень) и анод МРС. Ёмкостной накопитель энергии С обеспечивает постоянство униполярного напряжения на нагрузке независимо от потребляемого тока. S - электронный модулирующий прибор с низким внутренним сопротивлением, например, транзисторный или таситронный ключ [16,24,30,31]. Источник напряжения Е служит для заряда С.

 

Рис. 4.5. Импульсный модулятор с ёмкост­ным накопителем энергии (С).

 

Эта схема позволяет получать амплитуду импульсов тока больше максимального тока источника Е, но имеет недостатки: значитель­ные флуктуации тока и мощности разряда в случае нестабильной вольт-амперной характеристики магнетрона, трудность возникновения и большие времена запаздывания и формирования разряда при включении S, обусловленные тем, что величина Е равна напряжению поддержания разряда, которая всегда меньше напряжения зажигания. Поэтому импульсы тока имеют длительность фронта несколько десятков микросекунд, а при длительности импульсов порядка 10-50 мкс форма импульсов тока - треугольная (тонкая линия на рис. 4.4.б) [29]. Даже могут наблюдаться пропуски импульсов при большой паузе между ними.

Кроме того, требуется быстродействующая система для выключения S в случае срывов магнетронного разряда в дугу, иначе в месте дугообразования выделится практически вся энергия, накопленная в ёмкости С, с последующим взрывом этого места. На практике, последовательно с прибором S включают балластное сопротивление или индуктивность для ограничения тока магнетронного разряда и энергии дуги, величину Е выбирают больше напряжения поддержания разряда, чтобы создать избыток напряжения в период формирования разряда, и вводят устройство для создания подготовительного разряда в паузе между импульсами. В таком случае схема на рис. 4.5 перестает быть идеальным генератором напряжения.

Модулятор по этой схеме больше всего подходит для создания положительных импульсов напряжения на мишени для перезаряда диэлектрических слоев или для подачи импульсов отрицательного смещения на подложку.

Модулятор второго типа (генератор тока) можно построить по схеме, показанной на рис. 4.5, если в качестве ключа S взять мощную электронную лампу с большим внутренним сопротивле­нием типа лучевого тетрода или пентода [24,28]. В этом случае ток магнетрона будет определяться потенциалом управляющей сетки лампы, а величина Е выбирается намного больше напряжения поддержания разряда, что ускоряет его формирование. В результате длительность фронта импульсов тока не превышает нескольких микросекунд. Подобный электронно-ламповый модулятор обладает высоким быстродействием, обеспечивает широкий диапазон регулировки параметров импульсов и эффективное ограничение и выключение токов короткого замыкания нагрузки или дуги. Его недостатком является пониженный к.п.д. из-за падения напряжения на лампе порядка 600 В и затрат на накал катода, а также некоторая громоздкость конструкции.

Известно, что индуктивность может служить источником или ограничителем тока, поэтому импульсный модулятор, работающий в режиме генератора тока, можно создать на базе большой индуктивности L, включаемой последовательно с магнетроном (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Импульсный модулятор с индуктивным накопителем энергии (L).

 

Когда электронный ключ S замкнут, ток источника Е идет только через дроссель L, запасая в нём магнитную энергию. Когда ключ разомкнут, источник и дроссель поддерживают ток в магнетроне. Если дроссель передаёт в разряд только небольшую часть своей энергии, то импульсы тока имеют почти прямоугольную форму. В качестве ключа следует применять высоковольтные транзисторы. Недостаток этой схемы заключается в возможности появления перенапряжений в случае отсутствия разряда в магнетроне, но это, в свою очередь, стимулирует его зажигание в начале импульса и уменьшает время формирования разряда. Для снижения перенапряжений и защиты транзисторов от пробоев применяют специальные гасящие элементы и устройства.

В случае возникновения дуг их ток не может превысить ток дросселя, а быстрое аварийное включение S шунтирует нагрузку и гасит дугу. В итоге, при мощности разряда около 100 кВт энергия дуги не превышает 0,1 Дж. Индикатором образования дуги является уменьшение напряжения до величины меньше напряжения поддержания магнетронного разряда.

В этом схеме ток регулируется изменением напряжения Е, величины L и скважности импульсов. Последнее позволяет применять нестабилизированный источник постоянного тока. Кроме того, можно применять источник с напряжением меньше напряжения поддержания магнетронного разряда.

Модуляторы смешанного типа применяют для генерации асимметричных биполярных импульсов, в соответствии с функциями каждого полупериода. В отрицательный полупериод поддерживается распыляющий разряд и модулятор должен работать как генератор тока. В положительный полупериод происходит перезарядка диэлектрических пленок на мишени электронным током, и модулятор должен работать как генератор напряжения. Данное сочетание характеристик модулятора можно получить в схеме, показанной на рис. 4.7 и являющейся комбинацией схем, приведенных на рис. 4.5 и рис. 4.6.

Рис. 4.7. Генератор асимметричных бипо­лярных импульсов

 

Здесь источник постоянного тока Е и дроссель L генерируют и ограничивают разрядный ток магнетрона. При замыкании электронного ключа (транзистора) S к катоду-мишени магне­трона подключается положительный полюс источника Е1, который осуществляет пере­зарядку диэлектрических слоев на мишени с положительного потен­циала (относительно катода) до отрицатель­ного. Величина Е1- не более 100 В, но ток этого источника не лимити­руется. После выклю­чения S дроссель L поднимает напряжение на катоде, пока не возникнет магнетронный разряд.

Необходимо отметить, что импульсное распыление материалов имеет свои особенности – при массопереносе вещества на подложку поток распыленных атомов должен изменяться во времени в соответствии с законом модуляции тока магнетронного разряда.

Амплитуда модуляции потока зависит от многих факторов и в некоторых случаях она настолько мала, что её можно не принимать во внимание.

 

Рис. 4.8. Распределение распылён­ных атомов по энергиям.

 

Средние начальные кинетические энергии распы­лённых атомов составляют несколько электронвольт, а распределения распылённых атомов по энергиям показаны на рис. 4.8 на примере алюминия и вольфрама. При низком давлении газа некоторые атомы могут долететь до подложки практически без столкновений и при расстоянии между мишенью и подложкой 10 см время пролета для атомов Аl будет составлять 20-40 мкс. На самом деле, при реально используемых давлениях имеется значительное рассеивание распылённых атомов на молекулах рабочего газа. Это приводит к увеличению времени переноса этих атомов. Случайный характер рассеи­вания атомов в газе и разброс их энергии и углов вылета из мишени приводит к расширению функции распределения времени переноса (рис. 4.9).

Рис.4.9. Распределение распылённых атомов по времени переноса до подложки [32]. Давление аргона 0,66 Па, расстояние между мишенью и подложкой 10 см

 

Как видно, большинство распылённых атомов имеют время переноса больше 40 мкс, соответствующего бесстолкновительному режиму. Атомы Аl тратят больше времени на транспортировку, чем атомы W, поскольку они имеют меньшую начальную энергию (см. рис.4.8), малую массу и быстро термализуются в газе. На рис. 4.10 приведена функция распределения для времени прибытия всех атомов Al, распылённых во время единичного импульса длительностью 100 мкс, показанного пунк­тирной линией на поле того же рисунка. Таким образом, время прибытия атомов на подложку может быть больше длительности импульса тока распыляющего разряда и даже больше периода повторения импульсов.

Рис. 4.10. Распределение атомов по времени осаждения [32]. Давление аргона 0,66 Па, расстояние между мишенью и подложкой 10 см.

 

В режиме повторения импульсов материал, распы­лённый из мишени во время различных импульсов, будет накапливаться на подложке.

Это приведет к формированию интегральной функции распределения времени прибытия распылённых атомов, которая будет равна сумме распределений от большого числа последовательных импульсов.

На рис. 4.11 и рис. 4.12 приведены результаты расчетов [33] для пакетно-импульсного режима питания магнетронного разряда при пяти импульсах в пакете. Давление аргона составляло 0,133 Па, расстояние между мишенью и подложкой - 3,6см. Длительность импульсов - 25 мкс, частота их следования внутри пакета и длительность токовой паузы изменялись. Расчет был сделан для импульсов, форма которых наиболее часто реализуется на практике: прямоугольной, имитирующей быстрое формирование магнетронного разряда в малоиндуктивной цепи питания, и треугольной, имитирующей замедленное формирование разряда или цепь питания с повышенной индуктивностью. Видно, что в режимах, когда длительность токовой паузы между импульсами составляет десятки микросекунд, а давление газа порядка 1-2 Па, наблюдается значительная амплитудная модуляция осаждающегося на подложку потока атомов. Уменьшение длительности токовой паузы приводит к снижению уровня модуляции, но она все равно сохраняется. В случае импульсов треугольной формы уровень модуляции потока осаждающихся атомов выше. Осаждение распылённого титана на подложку продолжается в течение десятков-сотен микросекунд после окончания пакета импульсов.

Для изучения переходного процесса в начальный период после включения магнетронной системы и условий выхода процесса осаждения на некоторый стационарный уровень были выполнены расчеты [33] для режима с непрерывной последовательностью импульсов (рис.4.13) для тех же значений параметров, что и в случае рис. 4.11 и рис. 4.12. Как видно, действительно, имеется переходной процесс выхода системы на некоторый "квазистационарный" уровень скорости осаждения.

Рис.4.11. Динамика импульсного распыления (сплошные кривые) и осаждения (кривые с кружками) атомов Ti в пакетно-импульсном режиме при прямоугольной форме импульсов тока.

 

Рис. 4.12. Динамика импульсного распыления (сплошные кривые) и осаждения (кривые с кружками) атомов Ti в пакетно-импульсном режиме при треугольной форме импульсов тока.

 

В типичных режимах работы импульсных MPC (произведение давления газа на расстояние мишень-подложка порядка 1 Па∙см, длительность импульсов 25 мкс) длительность переходного процесса составляет несколько сотен микросекунд.

Рис. 4.13. Динамика импульсного распыления (сплошные кривые) и осаждения (кривые с кружками) атомов Ti при непрерывной последовательности прямоугольных импульсов тока/

 

При увеличении давления и расстояния мишень-подложка длительность переходного процесса возрастает, но уровень модуляции потока осаждаемого вещества снижается. Как и в режиме пакетированных импульсов, форма импульсов разрядного тока влияет на форму импульсов потока осаждающихся атомов и уровень его модуляции: он больше в случае треугольной формы импульсов.

При высоких частотах повторения импульсов (30-100 кГц) ширина функции распределения времен прибытия распылённых атомов намного больше длительности импульсов и периода их повторения, поэтому наблюдается практически постоянное, независящее от времени, осаждение материала мишени на подложку. Поскольку на высоких частотах также отсутствует временное изменение состояния поверхности мишени в реакционном процессе распыления, не будет какой-либо вариации состава осаждаемого покрытия, коррелирующей с модуляцией тока магнетронного разряда.

В следующем разделе будет рассмотрена реализация метода магнетронного распыления материалов на примере промышленной вакуумной автоматизированной установке Caroline D12A.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: