Технологические аспекты работы МРС.

Рабочие параметры магнетронов.

 

С помощью магнетронов работающих на постоянном токе, импульсных или ВЧ-магнетронов возможно получение тонких пленок из весьма широкого ассортимента материалов, включая многокомпонентные сплавы, полупроводники, их соединения, а также – диэлектрики.

Операция металлизации является одной из важнейших в различных технологических процессах, например – нанесение пленок алюминия и его сплавов при производстве интегральных схем ИС и БИС, поскольку на свойства тонких пленок алюминия оказывают значительное влияние давление газа, расстояние мишень – подложка, температура подложки и т.п.

К основным рабочим параметрам магнетронов можно от­нести напряжение на электродах, разрядный ток, удельную мощность на мишени, давление рабочего газа и индукцию магнитного поля. Все эти параметры в магнетроне взаимосвя­заны, и изменение одного из них приводит к изменению других.

Магнетроны относятся к низковольтным системам распы­ления, напряжение источника питания не превышает 1000 В. Однако типичные рабочие напряжения составляют порядка 400 В, при этом распыляемая мишень находится под отрица­тельным потенциалом. Анод может находиться под нулевым потенциалом или под некоторым положительным напряжени­ем смещения, что способствует более полному улавливанию электронов плазмы.

Ток разряда, определяющий скорость распыления мате­риала, зависит от плотности разрядного тока на мишени, размеров мишени и мощности источника питания. В промыш­ленных конструкциях ток разряда достигает нескольких де­сятков ампер при плотности тока до 2000 А/м² и более. При этом следует учесть, что в средней части зоны распыления (эрозии) плотность тока значительно превышает указанное значение.

Удельная мощность ограничивается условиями охлажде­ния мишени и теплопроводностью распыляемого материала и достигает 5∙10⁵ Вт/м².

Рабочее давление магнетрона лежит в широких пределах: 10^-2-1 Па. В качестве основного рабочего газа используется аргон. Чистота осаждаемых пленок обусловлена отсутствием загрязняющих компонентов в зоне разряда.

Индукция магнитного поля во многом определяет ха­рактер разряда в магнетроне и находится в диапазоне 0,03-0,1 Т (на расстоянии 1 см над мишенью).

Существенное влияние на свойства пленок оказывает скорость осаждения, которая с достаточной точностью может поддерживаться стабильной благодаря постоянству параметров процесса, таких, как ток разряда или подводимая мощность. Для обеспечения воспроизводимости и стабильности процесса по току последний необходимо поддерживать с точ­ностью ±2%, а при стабилизации процесса по мощности раз­ряда подводимую мощность следует поддерживать с точ­ностью ±20 Вт в диапазоне регулирования от 0 до 10 кВт. При этом рабочее давление необходимо поддерживать по­стоянным с точностью ±5%. Магнитное поле обычно созда­ется постоянными магнитами.

Одной из причин нестабильности рабочих параметров магнетрона является возникновение электрических дуговых разрядов на мишени, особенно в начале работы, поэтому в источнике питания необходимо предусмотреть устройство по­давления дуговых разрядов. Самопроизвольное возникнове­ние нестабильностей в виде токовых каналов, вытянутых вдоль магнитных силовых линий, является одним из характер­ных свойств плазмы, движущейся в скрещенных полях. Вопрос о причине возникновения подобных нестабильностей окончательно не решен, однако установлено, что главной их причиной является дрейфовый характер движения зарядов в скрещенных полях.

Напыляемые материалы

 

Для распыления сплавов магнетронной системой, как и для всех методов ионного распыления, характерно сохранение композиционного состава материала мишени в пленке, причем этот состав сохраняется на протяжении всего срока службы мишени и не зависит от толщины осаждаемой пленки. В качестве примера в таблице 6.2.1 приведены результаты спектро­графического анализа сложного сплава алюминия, где под­тверждено хорошее совпадение компонентного состава в плен­ке с составом исходного материала в мишени.

Таблица 6.2.1

Элемент	Состав мишени, %	Состав пленки, %
Si	2,0	2,0
Mg	0,0016	0,0013
Сu	0,0082	0,0095
Са	0,0071	0,0065
Al	Остальное	Остальное

 

Отсутствие нагрева подложек позволяет применять этот метод для нанесения пленок на тонкие гибкие ленты из орга­нических материалов с низкой термостойкостью (майлар, полиимид и др.) [36].

Имеется опыт изготовления высококачественных шаблонов магнетронным распылением хрома и окиси железа с осажде­нием пленок на стеклянных подложках [37].

Этим методом успешно наносятся многослойные покрытия типа Сг - Аu, Сг - Сu на металлические подложки, металли­ческие пленки типа Сг - Сu - Al, W - Ti - Al, Ti - Pt - Аu, пленки Ni - Сг - Аu - Сu, используемые в производстве би­полярных и МОП приборов, а также мощных кремниевых приборов.

С помощью магнетронов были получены сверхпроводящие пленки ниобия [38], а также пленки Nb₃Sn с температурой фа­зового перехода 18,3 К. Установлено, что для получения упорядоченной структуры пленок Nb₃Sn с высокой темпера­турой фазового перехода в сверхпроводящее состояние (18,3 К) давление аргона должно быть 4-6 Па. При более низком давлении температура фазового перехода значитель­но снижается.

Широкий класс нитридов, окислов, карбидов, сульфидов, соленидов и других соединений был получен на основе ре­активного распыления ряда материалов: NbN, TaN, CdS, CdSe, TiO₂, A1₂O₃, TaO и др. [39,40].

Пути оптимизации параметров магнетрона при ВЧ распы­лении пленок Аl₂О₃ и влияние этих параметров на равномер­ность осаждения пленок по толщине, изменение потенциала подложки, соотношение Аl и О₂, микроструктуру пленок, нали­чие загрязнений, диэлектрическую проницаемость, напряже­ние пробоя, плотность дефектов, внутренние напряжения в пленках, микротвердость и др. рассмотрены в работе [41].

Скорость осаждения

 

Важным технологическим параметром распылительной си­стемы является скорость осаждения пленок, которая опреде­ляется скоростью распыления, геометрией системы, рабочим давлением.

Скорость распыления в основном определяется плотностью ионного тока в зоне эрозии мишени и энергией ионов (уско­ряющим напряжением). Кроме того, на скорость осаждения оказывают влияние и такие факторы, как расстояние ми­шень - подложка, размеры зоны эрозии, материал мишени и рабочее давление.

Так как при магнетронном распылении давление весьма мало, можно пренебречь рассеянием частиц на молекулах остаточного газа.

При допущении равномерного распределения тока на по­верхности катода скорость распыления v_р может быть выра­жена для планарной системы [35]:

, (6.3.1)

где q- плотность материала, распыляемого с единицы пло­щади катода;

ρ - плотность пленки;

τ - время распыления.

При распылении в аргоне

,

тогда для планарной системы:

, (6.3.2)

где i+ - плотность ионного тока на катоде;

σ - коэффициент распыления;

А— атомная масса распыляемого материала;

N— число Авогадро.

У магнетрона на постоянном токе энергия бомбардирую­щих ионов ev_i имеет тот же порядок, что и энергия разряда ev_s, и находится в пределах 300-800 эВ, более того, σ = av_i, где аесть постоянная величина [34], a i_^~i_s, поскольку коэф­фициент вторичной эмиссии значительно меньше единицы. Вследствие этого скорость осаждения пропорциональна мощ­ности разряда.

На практике было установлено, что при магнетронном рас­пылении зависимость скорости осаждения от подводимой мощности в широком диапазоне значений имеет почти линей­ный характер, как это показано на рис.6.3.1 для меди при рас­стоянии мишень- подложка 100 и 50 мм. Так как ток разряда неравномерен на поверхности катода, то выражение (6.3.2) носит приближенный характер.

В общем виде скорость распыления (эрозия катода) опре­деляется силой тока

, (6.3.3)

где μ - коэффициент пропорциональности, зависящий от мно­жества факторов (материала катода, рабочего газа, геомет­рии устройства и др.), и поэтому может быть определен только для конкретных случаев.

Энергетическая эффективность процесса генерации потока в расче­те на единицу массы выражается соотношением:

. (6.3.4)

В расчете на один генерируемый атом энергетическая эффективность выражается:

, (6.3.5)

где т_а - молекулярная масса рас­пыляемого вещества.

Интенсивность эрозии в зоне бомбардировки мишени ионами не равномерна, она наибольшая в центральной зоне, где наблю­дается увеличение удельного потока мощности.

Для максимальной скорости осаждения подложка должна быть размещена так близко к мишени, как это возможно при сохранении внешних очертаний области плазмы. Типичные наименьшие расстояния 5-7 см. Расстояние мишень - под­ложка и скорость осаждения будут изменяться во времени в случае, когда для улучшения равномерности толщины пленки или для увеличения производительности используется переме­щение подложек.

 

Рис.6.3.1. Зависимость скорости осаждения от подводимой мощ­ности: 1- для расстояния 100 мм; 2-для расстояния 50 мм.

 

Движение подложек усложняет определение скорости осаждения. Для планетарного и других вращательных дви­жений подложек скорость осаждения, приводимая в литера­туре, обычно определяется делением толщины пленки на вре­мя осаждения. При статическом осаждении толщина пленки обычно неравномерна, так что для подсчета скорости осажде­ния используется среднее значение толщины (или даже максимальное).

При линейном перемещении подложек под прямоугольной мишенью средняя скорость осаждения

, (6.3.6)

где t - средняя толщина пленки за один проход подложки над мишенью;

v_п - скорость перемещения подложки;

В_м - эффективная ширина мишени, измеренная в направле­нии движения подложки.

Снижение скорости осаждения обусловлено рассеянием распыляемого материала на молекулах газа и присутствием таких неэффективных распыляющих частиц, как водород, ко­торые входят в ионный ток, но не способствуют увеличению потока распыляемого материала. Давление рабочего газа оказывает меньшее влияние на скорость осаждения в магнетроне в режиме постоянного тока, чем при обычном распыле­нии. При уменьшении давления рабочего газа увеличивается эффективное сопротивление плазмы, вследствие чего для под­держания постоянной плотности тока требуется несколько большее напряжение.

Таким образом, если графически изобразить зависимость скорости осаждения от давления при постоянной плотности i₊, то скорость уменьшается при увеличении давления. Если поддерживать постоянную мощность, то кривая зависимости скорости осаждения от давления будет иметь максимум (рис.6.3.2). Из рисунка видно, что для данных условий скорость осаждения изменяется менее чем на 10% при из­менении давления от 0,4 до 15 Па. Уменьшение скорости при высоких дав­лениях происходит за счет рассеяния распыляемого материала на молекулах газа, а уменьшение скоро­сти при низких давлениях, обусловлено менее эффективным поступлением ионов на катод из-за уменьшения количества носителей зарядов [42]. Поэтому область давлений 0,3-0,8 Па обычно принимают за область рабочих давлений.

 

Рис.6.3.2. Зависимость скорости осаждения от давления

 

Главным фактором, ограничивающим скорость осаждения, является максимальный поток мощности, который может быть подан на катод, не вызывая его растрескивания, субли­мации или плавления. Для материалов с хорошей теплопро­водностью допустимая плотность мощности легко может пре­высить возможности водяного охлаждения отводить тепло от пластины, на которой крепится мишень. Для материалов с плохой теплопроводностью, например стекла или кварца, мак­симально допустимая плотность мощности будет зависеть от внутреннего напряжения и коэффициента термического рас­ширения. Свободные от напряжений материалы с незначи­тельным термическим расширением, такие, как плавленый кварц, могут выдерживать относительно высокие температур­ные перепады.

Высокие внутренние напряжения, типичные для многих мишеней, таких, как окись кремния, спеченные металлические окислы, будут ограничивать максимальную плотность мощно­сти и, следовательно, скорость осаждения.

Экспериментально при распылении мишеней из Cu, Cr и Al на установке «Caroline D12A» методом импульсного магнетронного напыления были получены следующие скорости роста пленок:

- для Cu – 250 А^о/мин;

- для Cr – 180 А^о/мин;

- для Al - 220 А^о/мин.

При этом во всех случаях мощность, подаваемая на магнетрон составляла 0,7 кВт (блок питания магнетрона работал в режиме стабилизации мощности), рабочее давление Ar было Р_Ar=1,7∙10^-1 Па, а скорость его прокачки Q=3 л/час.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: