Исследование процесса вакуумного напыления в скрещенных электро магнитных полях

Исследование процесса вакуумного напыления в скрещенных электро магнитных полях.

, д. т.н.; ,

Камский государственный политехнический институт

В данной статье расмотрена работа магнетронно распылительной системы при низком давлении.

Введение. Еще сравнительно недавно основным методом нанесения тонкопленочных покрытий были испарение и конденсация веществ в высоком вакууме. Методы ионного распыления материалов вследствие низких скоростей осаждения и высоких радиационных воз­действии на обрабатываемые структуры использовались ограниченно. Появившееся сравнительно недавно магнетронные распылительные системы, позволяющие наносить как тонкопленочные слои, так пленочные покрытия толщиной в сотни микрон, позволили существенно расширить область применения ионного распыления материалов. Эффект увеличения ионного тока в тлеющем разряде в результате воздействия магнитного поля, обнаруженный Пеннингом в 1936г. послужил толчком для начала работ по изучению влияния магнитного поля на самостоятельный разряд низкого давления.

Новый интерес к явлениям, происходящим в скрещенных электрическом и магнитном полях, возник в связи с развитием работ по созданию плазменных источников ионов. Было установле­но, что в таких системах в результате дрейфа электронов возникает холловский ток, величина которого практически не зависит от давления, в то время как разрядный ток сильно возрастает с увеличением давления и приложенного к разрядному промежутку напряжения. Разряд характеризуется резко выраженной неоднородностью: наличием у анода тонкого слоя отрицательного пространственного заряда, в котором происходит падение практически всего приложенного к разряду напряжения.

Описание. Магнетронные системы относятся к низковольтным системам распыления. Напряжение питания не превышает 1000 В постоянного тока. Рабочее напряжение составляет 200 – 700 В, на мишень обычно подается 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.

Плотность тока на мишень очень велика и для системы c плоским катодом – 200 мА/см2, причем максимальные плотности тока в центральной части распыления могут быть значительно выше. Значения удельной мощности в магнетронных системах с плоским катодом достигают – 100 Вт/см2. Предельная допустимая мощность определяется условиями охлаждения мишени теплопроводностью распыляемого материала.

Магнетронная распылительная система может работать в диапазоне давлений от 10-2 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 Т. Энергия конденсации составляет 3 – 9 эВ/атом.

Скорость нанесения тонких пленок в магнетронных системах составляет нм/с.

Основными элементами устройства являются катод-мишень, анод и магнитная система (Рис.2). 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.

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 (Рис.1). 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 циклируют 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.

Рис.1 Схема разрядного промежутка магнетронной распылительной системы. 1-катод-мишень,2-траектория вторичногоэлектрона,3-электрон,4-плазма,5-условный анод, 6-анод, 7-распыленный атом, 8-ион.

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.

Рис. 2. Кольцевой планарный магратрон: 1, 3 — уплотнительные прокладки, 2 — изолирующее кольцо, 4 — фланец камеры, 5,8 — зоны плазмы и эрозии, 6 — подложка, 7 — тонкая пленка, 9, 11 — элек­трическое и магнитное поля, 10 - анод, 12,15 - перифе­рийные и центральный магниты, 13 - основание маг­нитного блока, 14, 17 - трубки подачи и слива воды, 16 — зажим, 18 - корпус, 19 — мишень.

Оценка эффективности. Оценить эффективность распылительной системы можно по трем основным критериям: эффективности процесса плазмообразования, процесса распыления и энергетической эффективности системы в целом.

Энергетическая эффективность процесса плазмообразования оценивается исходя из условия самостоятельности разряда:

e*z*UP*x1*x2*g/W0=1, (1)

где x1-отношение энергии, затраченной электронами на ионизацию к полной энергии, полученной от электрического поля; x2-отношение количества ионов, достигающих мишени, к общему количеству образующихся ионов;

g-коэффициент ионно-электронной эмиссии. Преобразуем формулу (1),получаем

hп=x1*x2= W0/ e*z*UP* g. (2)

Приняв для разряда в аргоне W0=4,8*10-18Дж, g=0,1 и UP=500 В, получим для однозарядных ионов hп=0,6.

Для увеличение эффективности магнетронных распылительных систем необходимо повышать эффективность магнитной ловушки x1®1 и создавать ионы как можно ближе к распыляемой поверхности для исключения их рассеяния (x2®1).

Энергетическая эффективность процесса ионного распыления (hр)

Определяется массой вещества (mp), которая распыляется в единицу времени с единицы площади, отнесенной к плотности мощнности OP, затрачиваемой на реализацию: hр= mp/ OP (1)

Величина OP=ji*UI, ji-плотность ионного тока на поверхности распыляемого материала; UI-напряжение, ускоряющее ионы. Величина WI=e* UI, соответствует энергия бомбардирующих материал ионов.

В случае распыления материала однозарядными ионами mp=K(WI)*A*J/(NA*e), где K(WI)-коэффициент распыления материала ионами с энергией WI; A- относительная атомная масса распыляемого материала, кг/моль; NA=6,023*1023 атом/моль-число Авогадро. Подставляя выражение для OP и mp в формулу (1), получаем.

hр= (K(WI)/ WI)(A/NA). (3)

отсюда энергетическая эффективность процесса распыления зависит от энергии бомбардирующих ионов, для магнетронных от (4,8*-8)*10-17 Дж (300-500 Эв).

Значение энергии ионов WI, которое соответствует максимальной энергетической эффективности процесса распыления материала, определяем на основании данных

WI=515а2*Z1*Zа(mi*ma)/ ma, (4)

Где а=0,8853ао(Zi2/3+ Za2/3)-1/2-характерный радиус экранирующего электронного облака по модели Томаса-Ферми; ао=5,29*10-11-радиус атома водорода по Бору; Zi,,Za ,mi,ma-атомные номера и массы бомбардирующего иона и материала мишени.

Заключение. Подробное изучение разряда показало, что разряд низкого давления скачком переходит в сильноточный с интенсивным образованием ионов при увеличении рабочего давления выше некоторого критического значения. Кроме того, в разряде могут возникать ионизационные неустойчивости, обусловливающие колеба­ние тока разряда. Было также обнаружено, что в зависимости от величины магнитного поля в разряде образуется либо область катодного падения потенциала (при слабых полях), либо область анодного падения (при сильных полях). Исследования показали, что коаксиальные раз­рядные системы могут быть эффективно использованы для распы­ления различных материалов и получения пленочных покрытий.

Литература

1. Данилин тонкопленочных элементов микросхем. М.,1977.

2. КузнецовВ. И., ,Шемякин вакуумного оборудования. М., 1978

3. , , Цветков производства интегральных микросхем и промышленные работы. М.1988.

.