Методы формирования тонкоплёночных структур

Если эта энергия превышает Ed, то существует некоторая вероятность смещения атома в решётке и, следовательно, возможно распыление материала мишени.

При малых энергиях ионы взаимодействуют не с ядрами атомов мишени, а с экранирующим электронным блоком. В этом случае обычно анализируется модель взаимодействия твёрдых сфер, причём:

где Еа - минимальная энергия, при которой применима модель слабо экранированного взаимодействия.

В области промежуточных значений энергии взаимодействия ионов рабочего газа с атомами кристаллической решётки справедлива модель слабо экранированных кулоновских столкновений в сечении взаимодействия:

от = па2. (2.4)

Энергия, приобретаемая смещаемым атомом, при таком взаимодействии определяется выражением:

где ЕВ - максимальная энергия, при которой справедлива принятая модель.

Приповерхностный атом, смещённый в результате соударения, передаёт свою энергию ниже расположенным атомам кристаллической решётки, и, если межатомное расстояние меньше двух атомных радиусов, имеет место фокусировка, аналогичная фокусировке, наблюдаемой при столкновении близко расположенных биллиардных шаров. Таким образом, энергия смещенного атома передаётся в весьма узком канале. Общее число возбужденных атомов приблизительно равно , причём половина из них, диффундируя к поверхности, может покинуть её. Коэффициент распыления:

где п - число атомов в единице объёма;

N - число столкновений, вызванных одним первично возбужденным атомом.

Степень загрязнения плёнки, полученной катодным распылением, согласно работе, оценивается выражением:

g = V'(2.7)

где Ng - количество атомов активных фоновых газов, ударяющихся о единичную поверхность плёнки в единицу времени; a - коэффициент аккомодации газовых атомов; Vn - скорость осаждения плёнки Как отмечалось выше, при приложении к подложке отрицательного смещения степень загрязнения плёнки снижается за счёт преимущественного выбивания газовых молекул при бомбардировке положительными ионами и составляет:

где в - часть тока в цепи смещения, обусловленная ионами примеси; j - полная плотность тока в цепи смещения; q - заряд электрона;

S' - эффективный коэффициент распыления.

Для уменьшения степени загрязнения плёнки при катодном распылении используют откачные системы, позволяющие в режиме подготовки получать высокий вакуум (порядка 10 6-10 7ммрт. ст.), и рабочие газы с малым содержанием активных примесей. Кроме того, как и при термовакуумном напылении, используется геттерирующее действие свеженанесенной плёнки, полученной распылением мишени при закрытой заслонке.

Для сплавов, состоящих из материалов, нерастворимых в твёрдом состоянии, характерно независимое распыление входящих в них компонентов; сплавы, образующие соединения, распыляются как единое целое.

На поверхности образца первоначально происходит преимущественное распыление компонентов с большим коэффициентом распыления, в результате чего первые слои наносимой плёнки обогащаются этим компонентом. При этом в поверхностном слое мишени соотношение компонентов сплава уже не соответствует составу первоначально подготовленного образца.

2.1.2 Схема реализации метода

Схема установки катодного распыления показана на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схемы установок катодного распыления: диодная схема распыления постоянным током (а); диодная схема распыления постоянным током с постоянным смещением (б); диодная схема распыления переменным током (в); К - катод; А - анод; П - подложка; М - мишень; Тр - трансформатор; Э - электроды; Б - блок питания

В вакуумной камере сначала производится откачка воздуха, после чего через натекатель 7 вводится инертный газ (аргон) до давления 10 -10 мм рт. ст. Затем между анодом с подложкой и катодом подаётся напряжение порядка нескольких киловольт, которое вызывает пробой газового пространства между анодом и катодом. При небольших плотностях тока устанавливается режим тлеющего разряда. При давлении ниже 10 мм рт. ст. тлеющий разряд гаснет, а при повышении давления более 10 1 мм рт. ст. уменьшается длина свободного пробега выбитых с катода атомов и лишь небольшая их часть достигает подложки.

Простейшая из приведённых схем (рис. 2.2а) - двухэлектродная система с использованием тлеющего разряда, образующегося при подводе высокого напряжения к аноду (подложке) и катоду (мишени) при низком (от 10 до 10 1 мм рт. ст.) давлении. Рабочим газом, вводимым в систему, чаще всего является аргон. Расстояние между электродами составляет обычно от 10 до 120 мм при диаметре электродов от 50 до 500 мм. Рабочее напряжение - несколько киловольт.

Скорость осаждения Q материала на подложке в такой системе пропорциональна скорости распыления катода и может быть выражена формулой:

Q = cjS,(2.9)

где с - постоянная данной установки;

j - ионный ток;

S - коэффициент распыления.

Коэффициент распыления, в свою очередь, как уже отмечалось, зависит от напряжения разряда и от природы используемых ионов. Для повышения скорости распыления следует выбирать давление газа по возможности высоким; при этом коэффициент распыления S должен быть близок к максимальному.

Положение подложек относительно катода выбирается эмпирически таким образом, чтобы скорость распыления была достаточной, а однородность напыляемой плёнки по толщине - оптимальной.

При катодном распылении потенциал, приложенный к подложке - аноду, создаёт у её поверхности лэнгмюровское тёмное пространство, в котором ионы, бомбардирующие подложку, ускоряются. Энергия ионов изменяется при изменении потенциала. С помощью потенциала, приложенного к подложке вместо её заземления, можно регулировать интенсивность ионной бомбардировки и управлять такими параметрами тонких плёнок, как структура, чистота, ТКС и удельное сопротивление. Такой метод, использующий катодное распыление с управляемой интенсивностью, носит название распыления со смещением. Схема распыления по этому методу показана на рис. 2.2 б.

Плёнки, осаждаемые с помощью распыления со смещением, характеризуются высокой степенью чистоты, так как большинство примесей (особенно ионов газа) селективно удаляется из плёнки за счёт повторного распыления, возникающего в результате ионной бомбардировки.

На рис. 2.2в показана схема диодного распыления на переменном токе низкой частоты (50 Гц). Когда напряжение на мишени отрицательно, распыление происходит в направлении подложки; во второй полупериод происходит вторичное распыление. Для предотвращения вторичного испарения материала с подложки в схему выпрямляющего диода включают сопротивление, ограничивающее потенциал коллектора.

Эта система менее эффективна из-за общего снижения скорости осаждения.

Рассмотренные выше диодные системы пригодны лишь для распыления проводящих материалов. Это объясняется тем, что положительный заряд накапливается на катоде из-за дипольных свойств диэлектрика. Этот заряд нейтрализует ионную бомбардировку, распыление практически не происходит и тлеющий разряд гасится.

Для распыления диэлектриков применяется так называемое высокочастотное распыление, при котором потенциал прикладывается к проводящему электроду, находящемуся за непроводящей мишенью.

В этом случае положительный заряд, образующийся на поверхности во время отрицательного полупериода, нейтрализуется электронами при положительном полупериоде. Для такого процесса обычно пользуются частотами около 10 МГц. Поскольку единственной частотой этого диапазона, разрешенной для промышленного применения, является частота 13,56 МГц, она и нашла наибольшее распространение. Скорости осаждения диэлектриков при этом методе достигают 3,0 нм/с. Для поддержания высокочастотного разряда и стабилизации тлеющего разряда часто используют магнитное поле. Магнитное поле предотвращает также попадание вторичных электронов на подложку, так как они разогревают подложку, что приводит к уменьшению скорости напыления.

При катодном распылении состав материала плёнки почти совсем не отличается от состава мишени. Если же в камеру подать реактивный газ, то становится возможным напыление соединений. Такое распыление называют реактивным и используют для осаждения различных плёнок, главным образом окисных и нитридных. Механизм реактивного распыления с образованием соединений до сих пор не имеет строгого теоретического обоснования.

В зависимости от парциального давления реактивного газа реакция образования соединения может протекать либо на катоде (и тогда на подложку распыляется готовое соединение), либо на подложке в процессе образования плёнки.

При низких давлениях более вероятен второй механизм, при высоких - первый. Возможна также реакция в паровой фазе. При реактивном распылении составом плёнки можно управлять непрерывно, так как газовый компонент входит в металлическую плёнку, не образуя соединения до тех пор, пока не достигается высокая концентрация газа в металле. Реактивное распыление - один из важнейших методов в тонкоплёночной технологии, поскольку можно получать широкий диапазон свойств тонких плёнок за счёт изменения концентрации реактивного газа. Катодное распыление имеет ряд преимуществ перед методом термического испарения особенно для осаждения плёнок сплавов.

Например, у нихромовых плёнок, полученных катодным распылением, состав остается постоянным в широком диапазоне поверхностного сопротивления (рис. 2.3), а ТКС меняется гораздо меньше, чем у плёнок, полученных испарением. Даже при разных коэффициентах распыления химический состав напыленных плёнок соответствует составу катода - мишени.

Другой метод получения плёнок сплавов состоит в том, что их формируют из отдельных компонентов, при распылении нескольких катодов с одним и тем же потенциалом разряда. Определённый состав плёнок получается подбором относительных площадей катодов.

Рис. 2.3. Влияние содержания хрома в нихромовых плёнках на поверхностное сопротивление р: 1 - при катодном распылении; 2 - при термовакуумном напылении

Возможно также независимое распыление катодов равной площади с дифференцированной подачей напряжения на каждый из них.

Главным недостатком всех рассмотренных выше диодных методов распыления является необходимость относительно высокого давления инертного газа для поддержания разряда, что повышает вероятность загрязнения плёнки.

2.1.3 Реализация на современном оборудовании

В табл. 2.1 представлены основные характеристики отечественных установок для катодного распыления тонких плёнок.

Характеристики отечественных установок для катодного распыления тонких плёнок

Установка	Метод нанесения	Количество подложек	Предельный вакуум, мм рт. ст	Количество испарителей	Особые характеристики
УВН-Р	И	6	1-10_6	1	Металлы
ИПУ-6	И	6	1-10_6	6	Многослойное напыление
УВН- 60А-1					Базовая модель
УВН- 62П-1	К	200	5-10_6	1	Тантал
УВН- 62П-2	К	108	5-10_6	1	Групповое нанесение золота и других металлов
УВН- 72Р-1	И	96	5-10_7	-	Массовый выпуск изделий
УВН- 75Р-1	иэ	96	7-10_7	1;1	Металлы, диэлектрики, сплавы
УВН- 75Р-2	к, э	85	5-10_7	1;1	Тантал в среде аргона
УВН- 75Р-3	иэ	110	7-10_7	1;1	Металлы, сплавы, диэлектрики
УРМ3. 279 013	и	7	1-10_6	1	Металлы
УРМ3. 279 014		2	1-10_6	1	Металлы
УДПМ-1	и	30	1-10_6	1	Двустороннее напыление
УПН-1
(модернизация	и	8	5-10_6	1	Металлы
УВН-
2М-2)
УНУ- 3МА	и, э		5-10_7	1;1	Модуль технологической ли-
					нии
ИОН-1В	и	6	5-10_5	6	Многослойное напыление

На рис. 2.4 представлена высоковакуумная напылительная установка Z- 400 ("Leybold AG", Германия) предназначена для осаждения тонких плёнок металлов (Nb, Al, Pb) и изоляторов с использованием методик катодного распыления, электронно-лучевого распыления и термоиспарения;

Установка Z-400 модифицирована под задачи эпитаксиального роста оксидных плёнок при высокой температуре осаждения:

- тонких плёнок сложных оксидов (УВа2Си3Ох);

- простых диэлектрических оксидных плёнок типа оксида церия. Установленный нагреватель позволяет получать температуры до 850 °С в атмосфере кислорода.

2.1.4 Достоинства и недостатки метода

Достоинства метода катодного распыления:

- безынерционность процесса;

- низкие температуры процесса;

- возможность получения плёнок тугоплавких металлов и сплавов (в том числе и многокомпонентных);

- сохранение стехиометрического исходного материала при напылении;

- возможность получения равномерных по толщине плёнок. Недостатки метода:

- низкая скорость осаждения (0,3-1 нм/с);

- загрязнение плёнок рабочим газом вследствие проведения процесса при высоких давлениях;

- низкая степень ионизации осаждаемого вещества.



Рис. 2.5. Схемы ионно-плазменного распыления: триодная схема распыления с постоянным потенциалом на мишени (а); триодная схема с разделением камеры формирования разряда и камеры распыления (б); система с пушкой для ионного распыления (в); К - катод; А - анод; П - подложка; М - мишень; Тр - трансформатор; Э - электроды; Б - блок питания

тонкий пленка кремний химический

2.2 Ионно-плазменное распыление

В отличие от катодного, при ионно-плазменном распылении используется бомбардировка не катода возбужденными потоками тлеющего разряда, а специальной мишени потоками плазмы газового разряда низкого давления. Поэтому система распыления имеет три и более электродов и иногда называется триодной или тетродной. На рис. 2.5а,б приведена триодная система распыления.

При ионно-плазменном распылении бомбардировку специальной мишени осуществляют ионами плазмы газового разряда низкого давления. Дуговой газовый разряд зажигается между раскаленным катодом, являющимся источником электронов и анодом при напряжении 150-260 В. Разрядный ток в этом случае достигает нескольких ампер.

Электроны, излучаемые катодом, ионизируют молекулы инертного газа. При подаче отрицательного потенциала от 200 до 1000 В на мишень ионы будут бомбардировать её поверхность, материал мишени будет распыляться и конденсироваться на подложке.

Концентрацией ионов в плазме можно управлять, меняя либо ток электронной эмиссии, либо ускоряющее электроны напряжение; энергией распыляющих ионов управляют, меняя напряжение на мишени. Распыление по этому методу производится при давлениях от 10 4 до 10 3 мм рт. ст. Характерной особенностью ионно-плазменного напыления является безынерционность процесса. Достаточно снять отрицательный потенциал с мишени, как распыление прекращается.

Распыление диэлектриков в случае трёхэлектродной системы производится высокочастотным плазменным распылением, при котором на мишень вместо отрицательного потенциала подаётся высокочастотный потенциал 1-3 кВ.

2.2.1 Особенности процесса

Ионно-плазменное и ионно-лучевое нанесение включает в себя процессы создания покрытий - плёнок в вакууме на подложках, в которых необходимый для получения покрытий материал переводится ив твёрдой в газовую фазу распылением мишени энергетическими ионами. Распыленные частицы, осаждаясь на поверхности подложки, формируют плёнку материала.

Эти процессы являются комплексными. Комплексность и характерные особенности обоих видов процесса нанесения делают целесообразным при рассмотрении разделить его на три основных этапа: распыление материала мишени, перенос распыленного материала в пространстве мишень - подложка, осаждение материала на подложке.

Формирование плёнок в процессе ионно-плазменного нанесения из-за высокого рабочего давления, неопределённости энергии ионов и распыленных частиц происходит, в более сложных условиях. Поэтому целесообразно проанализировать именно этот процесс, а ионно-лучевое нанесение рассматривать как некую идеализацию ионно-плазменного нанесения.

Разновидности процесса ионно-плазменного нанесения определяются видом устройства для распыления материала мишени. В их число входят устройства ВЧ-распыления, устройства катодного распыления на постоянном токе, триодные устройства ионно-плазменного нанесения, магнетроны.

Комплексность процесса ионно-плазменного нанесения определяет появление таких его разновидностей, как геттерное, реактивное ионно- плазменное и ионно-лучевое нанесение, ионное осаждение. В этих разновидностях процесса основными различиями становятся вид используемого рабочего газа и условия осаждения плёнок на подложках.

Ионно-плазменное нанесение как метод получения тонких плёнок в ряде областей применения равноценен или превосходит традиционный метод вакуумного напыления, в котором необходимый для получения плёнки материал переводится в газовую фазу испарением его с резистивного нагревателя или электронно-лучевым испарением.



Рис. 2.6. Схемы вакуумного напыления (а) и ионно-плазменного нанесения (б): 1 - подложка, 2 - испаритель, 3 - нагреватель, 4 - мишень, 5 - напылённые частицы, 6 - рыспылённые частицы, 7 - бомбардирующие ионы, 8 - вторичные электроны

На рис. 2.6 представлены схемы процессов вакуумного напыления и ионно-плазменного нанесения. Одним из важнейших обстоятельств, обеспечивающих перспективность применения ионно-плазменного нанесения в технологии, является высокая энергия распыленных частиц, по сравнению с испарёнными. Их средняя энергия составляет (4,8-8)-10 19Дж (3-5 эВ), что на один-два порядка выше, чем у испарённых: 0,24-10-19 Дж (0,15 эВ), при температуре испарения порядка 2000 К. Это позволяет осаждающимся частицам частично внедряться в подложку, что обеспечивает высокую прочность сцепления - адгезию плёнки к подложке.

Другая важная особенность процесса - возможность обеспечения тождественности стехиометрического состава получаемых плёнок композиционных материалов, сплавов и соединений с большим числом элементов в их составе. Такими сложными соединениями являются, например, керметы Аи- SiO2, Ag-SiO2, коррозионностойкие сплавы типа Fe3Ni30Cr16V2P16B6, ферро- гранаты, Y3Fe5O2 и т.п. Формирование плёнок с заданным стехиометриче- ским составом обеспечивается самим механизмом процесса распыления, хотя при этом должен быть соблюдён ряд условий. Получение сложных по составу плёнок вакуумным напылением при испарении композиционных материалов и сплавов, так же как и при одновременном испарении набора компонентов материала, затруднительно или невозможно из-за различия давления паров компонентов. Ионно-плазменное нанесение позволяет достаточно легко получать плёнки тугоплавких материалов, таких как SiO2, А12О3, тугоплавких металлов.

Скорости ионно-плазменного нанесения материалов, в общем, ниже, чем скорости вакуумного напыления. В этом состоял основной недостаток метода. Этот недостаток постепенно преодолевается. При магнетронном распылении достигнуты сравнимые скорости нанесения. Из-за необходимости поддержания более высоких давлений газа количество загрязнений в плёнках, полученных ионно-плазменным нанесением, больше, чем в плёнках, полученных вакуумным напылением. Эти загрязнения, прежде всего, представляют сбой включения атомов или молекул рабочего газа. При ионно-лучевом нанесении загрязнения сводятся к минимуму, но не исключаются полностью.

Реактивное ионно-плазменное нанесение, как разновидность процесса ионно-плазменного нанесения, предусматривает использование для формирования плёнок реактивных газов, способных вступать в химическое взаимодействие с материалом распыляемой мишени. При использовании кислорода и азота возможно окисление или нитрование поверхности мишени. При этом снижаются скорости нанесения материала, изменяются вид распыленных частиц и состав плёнок, осаждающихся на подложках.

На этапе распыления необходимо учитывать воздействие на мишень высокоэнергетических электронов и теплового излучения плазмы. В присутствии паров масла может происходить формирование полимерного покрытия на поверхности мишени в результате электронной бомбардировки, что приводит к снижению скорости нанесения и изменению состава распыленных частиц.

Процесс ионно-лучевого распыления осуществляется в значительно более «чистых» вакуумных условиях. На этапе распыления среда в меньшей степени влияет на энергию бомбардирующих ионов и состояние поверхности мишени.

Необходимо подчеркнуть, что этап распыления мишени определяет вид и исходное количество материала, который в дальнейшем может быть осаждён на подложке, исходную энергию распыленных частиц и их пространственное распределение. Последнее определяет площадь подложки, на которой осаждается плёнка материала с необходимой равномерностью по толщине.

Процессы переноса определяют эффективность доставки распыленного материала на подложку и энергию осаждающихся частиц. Перенос частиц материала происходит по прямой, если давление газа в пространстве переноса не настолько велико, чтобы происходило рассеяние распылённых атомов.

В процессах ионно-плазменного нанесения при высоких давлениях исчезает направленность движения распыленных частиц и процесс переноса принимает характер «ускоренной» диффузии. Понятие «ускоренная» определяет высокую кинетическую энергию, а следовательно, скорость движения исходных, эмитируемых из мишени частиц материала. В большинстве систем ион- но-плазменного нанесения с тлеющим разрядом частицы распыленного материала уменьшают свою энергию до тепловой энергии прежде, чем достигнут подложки. Процесс переноса в этом случае следует рассматривать как диффузионный процесс. На рис. 2.9 представлены зависимости длины свободного пробега от массы атомов распыленного материала при различных давлениях аргона.

2.2.2 Реализация метода на современном оборудовании

На рис. 2.10 представлена вакуумная установка ионно-плазменного напыления ННВ 6,6И1 с технологическим ионным имплантером «Диана-2».

Процесс ионно-плазменного напыления осуществляется на модифицированных серийных установках ионно-плазменного напыления с максимальным размером обрабатываемых деталей 400х400х400 мм . Толщина наносимого покрытия - до 40 мкм.

Нанесение ионно-плазменных покрытий позволяет повысить ресурс работы инструмента и изделий в 2-5 раз.

Комплектация серийной установки источником высокоэнергетичных ионов позволяет осуществлять ионную имплантацию - облучение ионами металлов и газов поверхности материалов с целью повышения поверхностной твёрдости, износо- и коррозионной стойкости. При ионной имплантации не изменяются геометрические размеры и чистота поверхности обрабатываемых деталей. Разработанные установки позволяют имплантировать любые химические элементы и их соединения. При ионной имплантации температура обрабатываемого изделия не превышает 373 К.

Ионная имплантация повышает износостойкость изделий и инструмента в 2-6 раз, коррозионную стойкость - в 10-1000 раз.

Используемое технологическое оборудование позволяет совместить в одном технологическом цикле ионно-плазменное напыление и имплантацию для дополнительного повышения износостойкости покрытий.

Ионно-лучевые технологии используются для повышения ресурса работы режущего инструмента (резцы, фрезы, метчики, сверла из инструментальных сталей и твёрдых сплавов), штамповой оснастки, деталей машин и механизмов, работающих в условиях повышенного износа и агрессивных сред. Могут быть использованы в металлообрабатывающей, нефтегазодобывающей, текстильной, деревообрабатывающей ромышленностях, на предприятиях агропромышленного комплекса и бытового обслуживания, в медицине.

2.2.3 Достоинства и недостатки метода

Достоинства метода перечислены ниже.

- ионно-плазменная технология позволяет получить проводящие, рези- стивные, диэлектрические, полупроводниковые и магнитные плёнки, обладает по сравнению с термовакуумной технологией преимуществами, многие из которых особенно важны при промышленном производстве;

- большая площадь распыляемой пластины материала - мишени, выполняющей функции источника атомов осаждаемого вещества, позволяет получить равномерные по толщине плёнки на подложках больших размеров, что обеспечивает эффективную реализацию группового метода обработки;

- мишень представляет собой длительно незаменяемый источник материала (при толщине пластины 2 мм замена производится 1 раз в два месяца), что облегчает автоматизацию, повышает однородность процесса;

- обеспечивается высокая адгезия плёнки к подложке благодаря большой энергии конденсирующихся атомов;

- получение плёнок из тугоплавких металлов протекает без чрезмерного перегрева вакуумной камеры;

- возможно получение окисных, нитридных и других плёнок в результате химических реакций атомов распыляемого металла с вводимыми в камеру газами;

- можно проводить оксидирование плазменным анодированием;

- можно получать органические плёнки.

Главный недостаток метода ионного распыления заключается в том, что оно более чувствительно к остаточным газовым молекулам в вакуумной камере, чем термовакуумное испарение. Там можно в выгодную сторону сместить соотношение между атомами вещества и газа, поступающими на подложку, форсированием режима испарения. Здесь плотность потока вещества на порядок слабее, а ионизация молекул фоновых газов и аргона приводит к усилению газового потока в направлении подложки. В результате при одинаковом парциальном давлении остаточных газов конденсация плёнок из ион- но-распыленного вещества протекает в более неблагоприятных условиях с точки зрения конкуренции с атомами фоновых газов, чем при термовакуумном испарении. Так выглядит обстановка при конденсации по соотношению количеств полезных и мешающих частиц.

Однако по энергетическому соотношению картина иная. Распылённые атомы вещества имеют энергию на 1-2 порядка выше, чем испарённые, и это вызывает самоочистку конденсирующейся плёнки от лёгких газовых атомов. Остается опасность реакций при адсорбции на подложке в тот период, когда высокоэнергетические атомы вещества соприкасаются с атомами активных фоновых газов.

На этом основании требования к вакууму по фоновым газам при ионном распылении выше, чем при термовакуумном испарении. При горении разряда происходит десорбция газов с поверхности арматуры, находящейся в зоне разряда, что обусловливается ионной и электронной бомбардировкой поверхности. Такая десорбция интенсивнее термодесорбции. Обычная термодесорбция с нагретых частей арматуры и стенок колпака также имеет место.

Вследствие совместного действия обоих механизмов общий уровень фона реактивных газов может возрастать на три порядка (от 10 до 10 5 мм рт. ст.).

2.3 Магнетронное распыление

Необходимость увеличения скорости распыления материалов и, соответственно, скорости осаждения покрытий, уменьшения рабочего давления газа в технологическом объёме, что позволило бы уменьшить концентрацию загрязнений в растущей плёнке, вызвала разработку систем магнетронного распыления [5, 6].

Основные особенности магнетронных распылительных систем (МРС):

- наличие скрещенных электрического и магнитного полей;

- локализация электронов в области катода (обусловлено максимальной напряженностью магнитного и электрического полей в области катода);

- увеличение степени ионизации за счёт увеличения длины траектории электронов;

- уменьшение величины рабочего напряжения, позволяющее уменьшить дефектность плёнки при её бомбардировке ускоренными электронами и отрицательно заряженными ионами;

- возможность уменьшения рабочего давления, позволяющая уменьшить эффекты рассеяния распыленных атомов и перекрестного запыления мишеней;

- уменьшение величины дополнительного неконтролируемого нагрева подложек за счёт электронной бомбардировки.

Магнетронные распылительные системы получили свое название от СВЧ приборов М-типа (магнетронных устройств), хотя, кроме наличия скрещенных электрического и магнитного полей ничего общего с ними не имеют. Магнетронные системы относятся к системам распыления диодного типа, в которых распыление материала происходит за счёт бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа, образующимся в газе аномально тлеющего разряда. Высокая скорость распыления, характерная для этих систем, достигается увеличением плотности ионного тока за счёт локализации плазмы у распыляемой поверхности мишени с помощью сильного поперечного магнитного поля.

Принцип действия магнетронной распылительной системы показан на рис. 2.11. Основными элементами устройства являются катод-мишень, анод и магнитная система. Силовые линии магнитного поля замыкаются между полюсами магнитной системы. Поверхность мишени, расположенная между местами входа и выхода силовых линий магнитного поля, интенсивно распыляется и имеет вид замкнутой дорожки, геометрия которой определяется формой полюсов магнитной системы.



Рис. 2.11. Схема установки магнетронного распыления: 1 - катод-мишень; 2 - постоянный магнит; 3 - источник питания; 4 - анод; 5 - траектории движения электронов; 6 - зона (дорожка) распыления; 7 - силовые линии напряженности магнитного поля

При подаче постоянного напряжения между мишенью (отрицательный потенциал) и анодом (положительный или отрицательный потенциал) возникает неоднородное электрическое поле и возбуждает аномальный тлеющий разряд. Наличие замкнутого магнитного поля у распыляемой поверхности мишени позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени. Эмитированные с катода под действием ионной бомбардировки электроны захватываются магнитным полем, им сообщается сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям у поверхности мишени. Электроны оказываются как бы в ловушке, создаваемой с одной стороны магнитным полем, возвращаемым электроны на катод, а с другой стороны - поверхностью мишени, отталкивающей электроны. Электроны циклически движутся в этой ловушке до тех пор, пока не произойдет несколько ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа, в результате которых электрон потеряет полученную от электрического поля энергию. Таким образом, большая часть энергии электрона, прежде чем он попадет на анод, используется на ионизацию и возбуждение, что значительно увеличивает эффективность процесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации положительных ионов у поверхности катода. Что в свою очередь обусловливает увеличение интенсивности ионной бомбардировки поверхности мишени и значительный рост скорости распыления, а следовательно, и скорости осаждения плёнки. Средние скорости осаждения различных материалов с помощью магнетронной распылительной системы, имеющей плоскую дисковую мишень диаметром 150 мм, при мощности источника 4 кВт и расположении подложки на расстоянии 60 мм от источника приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Скорости осаждения различных материалов

Материал	Si	Ti	Ta	W	Nb	Mo	Al	Cr	Pt	Cu	Au	Ag
Скорость осаждения, нм/с	7	8	8	8	8,5	12	13	17	21	30	37	44

Следует отметить, что плазма разряда существует только в области магнитной ловушки в непосредственной близости от мишени и её форма определяется геометрией и величиной магнитного поля.

Одним из преимуществ магнетронных распылительных систем является также то обстоятельство, что захват вторичных электронов магнитной ловушкой у поверхности мишени препятствует интенсивному перегреву подложки. Что в свою очередь позволяет увеличить скорость распыления материалов, а следовательно, и их осаждения. Источниками нагрева подложки в этих системах служат энергия конденсации распыленных атомов, кинетическая энергия осаждаемых атомов, энергия отраженных от мишени нейтрализованных ионов, а также излучение плазмы. Энергия конденсации составляет 3-9 эВ/атом, кинетическая энергия в зависимости от распыляемого материала - от 5 (для алюминия) до 20 эВ/атом (для вольфрама), а излучение плазмы 2-10 эВ/атом. Суммарная тепловая энергия, рассеиваемая на подложке, и температура подложки для различных материалов, осаждаемых в цилиндрической МРС, приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Значения тепловой энергии и температуры подложки для различных материалов

Материал	Al	Cu	Ta	Cr	Au	Mo	W
Тепловая энергия, эВ/атом	13	17	20	20	23	47	73
Температура подложки, °С	79	110	97	118	106	163	202

Во многих случаях нагрев подложки в магнетронных системах сравним, а при испарении тугоплавких материалов даже ниже, чем при методе термического испарения. Это даёт возможность использовать магнетронные распылительные системы для нанесения плёнок на подложки из материала с низкой термостойкостью.

Основные рабочие характеристики магнетронных распылительных систем - напряжение на электродах, ток разряда, плотность тока на мишени, удельная мощность, величина индукции магнитного поля и рабочее давление. От величины и стабильности перечисленных параметров, которые взаимно связаны между собой, зависят стабильность разряда и воспроизводимость процесса нанесения тонких плёнок. Магнетронные системы относятся к низковольтным системам распыления. Напряжение питания не превышает 1000 В постоянного тока. Рабочее напряжение составляет 200-700 В, на мишень обычно подаётся отрицательный потенциал, а на анод - нулевой потенциал. Однако в магнетронных системах с плоским катодом для более полного улавливания вторичных электронов рекомендуется на анод подавать небольшое положительное смещение (40_50 В). В некоторых системах предусматривается подача отрицательного смещения на подложку (100 В) для реализации распыления со смещением.

Ток разряда зависит от многих факторов, например от рабочего напряжения, давления и рабочего газа, индукции магнитного поля, конфигурации магнетронной системы, распыляемого материала, и определяется мощностью источника питания. Плотность тока на мишень очень велика и для системы с полым цилиндрическим катодом составляет в среднем 80 мА/см , с коническим катодом - 160 мА/см , а с плоским катодом - 200 мА/см , причём максимальные плотности тока в центральной части распыления могут быть значительно выше. Значения удельной мощности в магнетронных системах с полым цилиндрическим катодом достигают 40 Вт/см , а с плоским катодом - 100 Вт/см . Предельная допустимая мощность определяется условиями охлаждения мишени теплопроводностью распыляемого материала .

Магнетронная распылительная система может работать в диапазоне давлений от 10 до 1 Па и выше. Важнейшими параметрами, во многом определяющими характер разряда в ней, являются геометрия и величина магнитного поля, индукция которого у поверхности мишени 0,03_0,1 Тл.

Одной из основных характеристик разряда является вольтамперная характеристика (ВАХ). Существенное влияние на нее оказывают рабочее давление (P) и индукция магнитного поля (B).

Рис. 2.12. Вольтамперные характеристики магнетронных систем распыления: с алюминиевой мишенью размером 40x60 см при постоянном магнитном поле 0,03 Тл и различном давлении аргона (а); с алюминиевой мишенью диаметром 160 мм при постоянном давлении аргона 0,3 Па и различной индукции магнитного поля (б)

С уменьшением P ВАХ сдвигаются в область больших рабочих напряжений и приближаются к линейной зависимости (см. рис. 2.12а). Аналогичным образом влияет и индукция магнитного поля (см. рис. 2.12б). Близкие к линейной зависимости наблюдаются при больших значениях В. На ВАХ разряда влияют также материал мишени (см. рис. 2.13 а) и её форма, которая изменяется по мере распыления материала. Образование выемки в плоской мишени приводит к сдвигу ВАХ в область меньших рабочих напряжений из-за улучшения условий локализации плазмы, причём этот сдвиг растет с увеличением P (см. рис. 2.13б). В этом случае определяющим является не только геометрический фактор, но и переход зоны разряда в область более сильного магнитного поля по мере распыления мишени.

а) б)

Рис. 2.13. Вольтамперные характеристики магнетронной системы распыления: с плоской мишенью из различных металлов при постоянном давлении 0,5 Па и индукции магнитного поля 0,08 Тл (а); с конической новой (сплошные линии) и эродированной (штриховые линии) мишенями при индукции магнитного поля 0,06 Тл и различном давлении (б)

Важным параметром разряда, определяющим скорость распыления, является электрическая мощность, причём скорость осаждения плёнки почти линейно зависит от приложенной мощности. (см. рис. 2.14а). В свою очередь мощность разряда при постоянной мощности источника зависит от P и В. В достаточно слабых магнитных полях существует такое значение P, при котором на разряде выделяется максимальная мощность (см. рис. 2.146)

Рис. 2.14. Зависимости скорости осаждения различных материалов от мощности разряда (а) и мощности разряда от рабочего давления при различной индукции магнитного поля

С ростом В (до 0.04 Тл) при низких значениях P мощность разряда сначала резко возрастает, затем замедляется и при В = 0,08-0,1 Тл становится максимальной. При достаточно высоком P максимальная мощность достигается

Напряжение зажигания в магнетронной системе значительно ниже, чем в обычных диодных системах. Это объясняется тем, что еще до наложения электрического поля электроны, всегда присутствующие в рабочей камере и обеспечивающие первые акты ионизации в развитии лавинного пробоя газового промежутка, захватываются магнитной ловушкой, вследствие чего их концентрация в этой области оказывается выше, чем в объёме камеры, что и способствует возникновению разряда при более низких напряжениях. Исследования показали, что зависимости напряжения зажигания от давления рабочего газа и индукций магнитного поля аналогичны (см. рис. 2.15б). Сходство приведенных зависимостей указывает на тот факт, что магнитное поле и рабочее давление оказывают одинаковое влияние на возникновение и развитие разряда в МРС. Как видно из приведенных выше зависимостей, эффективность работы магнетронной распылительной системы зависит от правильного выбора рабочих параметров, а стабильность этих параметров определяет постоянство скорости осаждения плёнки и воспроизводимость свойств получаемых плёнок. Необходимая скорость осаждения плёнки в магнетронной системе с достаточной точностью можно поддерживаться за счёт постоянства таких параметров процесса, как ток разряда или подводимая мощность. Эти функции может выполнять источник питания, благодаря чему управление конечной толщиной плёнки достигается, если задаётся время осаждения. Однако можно управлять ростом плёнки с помощью прямых методов контроля, например с помощью кварцевого датчика, поскольку плазма в магнетронной системе локализована и не воздействует на датчик. Как показывает практика, для обеспечения воспроизводимости и стабильности процесса напыления плёнки ток разряда необходимо поддерживать с точностью ±2 %, а при стабилизации процесса по мощности разряда точность её поддержания составляет ±20 Вт в диапазоне регулирования от 0 до 10 кВт. При этом рабочее давление должно быть постоянным (отклонение не должно превышать ±5 %).

Конструкции современных магнетронных распылительных систем весьма разнообразны. Прообразом их является устройство, изображенное на рис. 2.16а. Катод представляет собой цилиндрический стержень, расположенный в центре камеры, а подложки располагаются по цилиндрической поверхности анода вокруг катода. Коаксиальные конструкции электродов, имея в основном аналогичные с планарными конструкциями рабочие характеристики, позволяют значительно увеличить (в 3-5 раз) производительность за счёт увеличения площади одновременно обрабатываемых подложек. Кроме того, в этих системах на порядок меньше интенсивность бомбардировки подложек вторичными электронами, что достигается наличием аксиального магнитного поля и заземленных экранов по торцам цилиндрического катода. Еще более снижает бомбардировку подложек вторичными электронами наличие между катодом и держателем подложек цилиндрического сетчатого анода. При длительной работе температура подложек в такой системе не превышает 320 К. Но в то же время из-за сетчатого анода (улавливающего электрода) уменьшается скорость осаждения плёнки.

Усовершенствование коаксиальных систем в целях увеличения скорости осаждения привело к созданию катода в виде катода с дисками по торцам (см. рис. 2.16б). Такая конструкция позволяет значительно увеличить интенсивность разряда благодаря осцилляции электронов вдоль поверхности катода между его торцевыми дисками, достичь плотностей тока 300 А/м и скоростей осаждения до 17 нм/с. Однако существенным недостатком этой системы является низкая равномерность распределения плёнки по толщине, связанная с неравномерным распылением мишени: более сильным в центральной части и слабым у торцевых дисков, что обусловливается неравномерным распределением плотности ионного тока вдоль поверхности мишени. Исследования характеристик такой системы и их зависимости от геометрии катода приведены в литературе.

Наиболее эффективными магнетронными системами коаксиального типа являются конструкции, приведенные на рис. 2.16в, г. Катод из распыляемого материала выполняется в виде трубы (при этом распыляется внешняя поверхность катода, см. рис. 2.16в), либо вокруг неё (распылению подвергается внутренняя поверхность катода, см. рис. 2.16г). Плазма локализуется у распыляемой поверхности с помощью кольцевого арочного магнитного поля.



Рис. 2.16. Схемы магнетронных систем распыления: (стрелками показано направление силовых линий магнитного поля): 1- катод-мишень; 2 - анод; 3 - подложкодержатель; 4 - магнитная система; 5 - экран; 6 - зона распыления

Подложки располагаются вокруг катода (при внешнем распылении) или внутри вдоль его оси (при внутреннем распылении), причём в последнем случае достигается более высокий коэффициент использования материала мишени. Для приведенных систем характерны плотности тока 600 А/см и достаточно высокая равномерность наносимых покрытий.

На рис. 2.16д показана магнетронная система, состоящая из полусферического вогнутого катода, дискового подложкодержателя под ним, кольцевого анода, а также двух электромагнитных катушек, создающих квадрупольное магнитное поле в области разряда. При зажигании разряда перед катодом образуется кольцеобразная область, в которой магнитное и электрическое поля пересекаются под прямым углом. В этой области наиболее высокая степень ионизации атомов рабочего газа, вследствие чего катод на кольцевом участке между экватором и полюсом интенсивно распыляется. Таким образом, описанная МРС имитирует кольцевой источник распыляемого материала. При использовании медного катода параметры разряда критичны к колебаниям давления, величине и геометрии магнитного поля и меняются и меняются при увеличении температуры катода во время распыления.

Поэтому, не смотря на хорошую адгезию медных плёнок к стеклянным подложкам, большую скорость осаждения (до 17 нм/с) и довольно высокую равномерность распределения плёнки по толщине (96-97 %), применение этой МРС ограничено из-за невысокой стабильности и воспроизводимости параметров разряда, а также сложности выполнения полусферического катода.

На рис. 2.16е приведена конструкция с цилиндрическим полым катодом. Магнетронная система распыления выполнена в виде автономного источника распыляемого материала, который может быть пристыкован к любой вакуумной камере, причём в вакууме находятся только катодный и анодный блоки, а вся остальная часть источника, в том числе и магнитная система, располагается вне камеры. Исследования показали, что данная конструкция системы имеет ряд недостатков: значительная часть распыляемого материала перераспределяется внутри источника и не попадает на подложки; высокая неравномерность распределения конденстанта по толщине не позволяет осаждать плёнки на большие площади без использования планетарных механизмов вращения подложек; недостаточна эффективна магнитная система, которая не обеспечивает в полной мере защиту подложек от бомбардировки заряженными частицами.

Система с коническим катодом обеспечивает более полное использование распыляемого материала (см. рис. 2.16ж). Кроме того, магнитная система даёт возможность сконцентрировать магнитное поле у распыляемой поверхности мишени, что позволяет вдвое увеличить плотность тока на катоде и достигнуть более высоких скоростей осаждения. Однако размещение магнитной системы внутри вакуумной камеры вносит дополнительные загрязнения в рабочий объём установки. Хотя в системе с коническим катодом достигается более равномерное нанесение плёнок, для увеличения площади одновременно обрабатываемых подложек с высокой равномерностью распределения конденсата по толщине также необходимо использовать планетарные внутрикамерные устройства.

Дальнейшее развитие магнетронных распылителей привело к созданию планетарных систем (см. рис. 2.16з), в которых эффект экранирования потока распыленных атомов полностью устранен. Магнитная система монтируется в водоохлаждаемом держателе и не вносит загрязнений в рабочую камеру. Планетарные магнетронные системы позволяют создать еще более высокие плотности тока и достичь скоростей осаждения, сравнимых со скоростями, характерных для метода термического испарения в высоком вакууме. В то же время недостатком такой системы является то, что распылению подвергается узкая кольцеобразная область мишени и коэффициент использования составляет 26 % объёма мишени.

В настоящее время известно множество конструктивных вариантов магнетронных распылительных систем, но наибольшее распространение в промышленности получили системы с мишенями конической и плоской форм. Конструкции магнетронных систем должны обеспечивать высокую скорость распыления, минимальное отрицательное воздействие на обрабатываемые структуры, высокий коэффициент использования материала мишени, возможность распыления разнообразных материалов, нанесение пленочных покрытий на большие площади с минимальной неравномерностью по толщине, высокую надежность работы, большой срок службы и другие. Большинство из этих требований удовлетворяется правильным выбором конструкции маг- нетронной и формы мишени.

Магнитная система, являющаяся одним из конструктивных элементов магнетронной системы, должна формировать у поверхности мишени поле заданной конфигурации и величины с минимальным рассеянием для создания эффективной магнитной ловушки для электронов. Исследования по макетированию магнитных полей позволили выявить наиболее целесообразные варианты конструкции магнитной системы с точки зрения простоты и возможности получения магнитного поля требуемой геометрии и величины. Конструкции магнитных систем представлены на рис. 2.17.

Магнитная система, изображенная на рис. 2.17а, является достаточно простой и обеспечивает эффективную локализацию плазмы. В этой конструкции можно использовать наборные магнитные блоки, перекрывая их сверху общим полюсным наконечником. Более эффективно сконцентрировать поле в рабочем зазоре с минимальными потерями позволяет магнитная система, приведенная на рис. 2.17б. Однако она представляет собой магнит специфической формы и требует специального изготовления. Аналогичный эффект достигается при использовании магнитов подковообразной формы (рис. 2.17в). Магнитную систему можно сделать более компактной, если использовать кольцевые магниты с радиальным намагничиванием (рис. 2.17г), но изготовление таких магнитов достаточно сложно. Кроме того, приведённая конструкция характеризуется значительным рассеянием магнитного поля снизу катодного блока. Форму магнитного поля можно изменять, используя полюсные наконечники определённой геометрии. Для создания в прикатодной области сильного магнитного поля, силовые линии которого почти параллельны распыляемой поверхности (что необходимо для более равномерного распыления поверхности мишени), можно использовать магнитную систему, показанную на рис. 2.17д. Однако в такой конструкции при сильно развитых наконечниках индукция магнитного поля резко уменьшается с увеличением расстояния от мишени, поэтому эффективное распыление достигается только для достаточно тонких мишеней. В случае толстых мишеней не следует сильно увеличивать площадь полюсных наконечников. Максимальная степень локализации плазмы характеризует магнитную систему, изображенную на рис. 2.17е. Несмотря на некоторую сложность изготовления, она является одной из самых эффективных. Для магнетронных распылительных систем с конической мишенью обычно используется магнитная система, приведенная на рис. 2.17ж. Она хотя и недостаточно эффективна, поскольку поле рассеивается по периметру системы, но проста в изготовлении. На рис. 2.17з показана аналогичная система с использованием радиальных магнитов. Наибольшая эффективность достигается в системе, в которой рассеяние поля отсутствует (см. рис. 2.17и), однако она требует изготовления магнита специальной формы.

Форма мишени обусловливается видом распыляемого материала и геометрией магнитной системы. Мишень должна обеспечивать высокий коэффициент использования её материала (что особенно важно, поскольку распыление мишени не равномерно, стоимость мишени высока), хороший электрический и тепловой контакты с водоохлаждаемым держателем, удобство замены, минимальное экранирование магнитного поля. На рис. 2.18 показаны не которые конструктивные варианты конических мишени.

Рис. 2.18. Формы конических мишеней (а-г) и плоских мишеней (д-и)

Обычная коническая мишень (см. рис. 2.18а) проста в изготовлении, её форма удобна для нанесения на нее слоя толщиной до 2,5 мм при исследовании процесса распыления дорогостоящих материалов, она равномерно прогревается, что исключает расплавление поверхности при распылении легкоплавких материалов. Однако рабочее давление при такой мишени достаточно высокое (1 Па), а главное, по мере её распыления сильно меняются электрические характеристики разряда, что не обеспечивает воспроизводимости параметров процесса осаждения плёнки. При использовании мишени, показанной на рис. 2.18б, эти недостатки устраняются. Однако, образующаяся по мере распыления глубокая и достаточно узкая выемка, уменьшает срок службы мишени и коэффициент полезного использования распыляемого материала. Мишень на рис. 2.18в наиболее пригодна для промышленного применения и обеспечивает максимальное использование распыляемого материала, причём за весь срок службы мишени характеристики процесса остаются неизменными, что позволяет его полностью автоматизировать. Правда, эта мишень сложна в изготовлении. На рис. 2.18г показана мишень для распыления магнитных материалов. Боковая стенка мишени тонкая (до 1,5 мм), и магнитное поле проникает через нее, окружая нижнюю распыляемую часть мишени, толщина которой во избежание экранирования не должна превышать 5 мм. Такую мишень можно сделать составной из тонкостенного кольца и диска. Рабочее давление 0,5 Па, напряжение 500 В, ток 8 А.

Следует отметить, что конические мишени не требуют специального крепления, поскольку они самоуплотняются в водоохлаждаемом держателе вследствие их расширения при нагревании, обеспечивая в дальнейшем надежный тепловой и электрический контакты, что особенно важно при распылении легкоплавких материалов. При разработке магнетронных систем с плоскими мишенями наиболее остро встает проблема их охлаждения. Значительные плотности тока на распыляемой поверхности приводят к неравномерному разогреву мишени, что приводит к её короблению, а в местах плохого контакта с держателем - к её расплавлению. При этом традиционный метод крепления винтами не эффективен.

Больший эффект даёт приклеивание мишени к держателю с помощью специальных поводящих клеев, однако наличие локальных областей перегрева при недостаточном охлаждении может вызвать сильное газовыделение и разрушение клеевого слоя. Надежным и эффективным способом крепления мишеней является пайка с помощью припоев на основе олова, индия или их сплавов. В то же время крепление мишеней с помощью клеев и припоев затрудняет замену мишеней, а сами клеи и припои могут влиять на состав газовой среды вакуумного рабочего объёма. Поэтому чаще предпочтение отдаётся тем формам мишени, которые обеспечивают надежный тепловой контакт с водоохлаждаемым держателем и легко снимаются.

...