Магнетронные распылительные системы

2 Принцип действия и рабочие параметры МРС

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 счет 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 счет локализации плазмы у распыляемой поверхности мишени с помощью сильного поперечного магнитного поля [1, 3].

Принцип действия магнетронной распылительной системы показан на рисунке 1.1. 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.

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 циклируют в этой ловушке до тех пор, пока не произойдет несколько ионизирующих стол-

[pic]

Рисунок 2.1 – Схема магнетронной распылительной системы с плоской мишенью: 1 – магнитная система; 2 – катод-мишень; 3 – силовая линия магнитного поля; 4 – зона наибольшей эрозии поверхности катода; 5 – траектория движения электрона

кновений 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 пленки. 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 таблице
2.1.

Таблица 2.1 – Скорости осаждения различных материалов [3]
|Тепловая энергия, |13 |17 |20 |20 |23 |47 |73 |
|эВ/атом | | | | | | | |
|Темп. подл., (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 дает возможность использовать магнетронные распылительные системы для нанесения пленок на подложки из материала с низкой термостойкостью.

Основные рабочие характеристики магнетронных распылительных систем – напряжение на электродах, ток разряда, плотность тока на мишени и 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 пленок. 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) [4]. В некоторых системах предусматривается подача отрицательного смещения на подложку (100 В) для реализации распыления со смещением [16].

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/см2, с коническим катодом – 160 мА/см2, а с плоским катодом – 200 мА/см2, причем максимальные плотности тока в центральной части распыления могут быть значительно выше. Значения удельной мощности в магнетронных системах с полым цилиндрическим катодом достигают 40 Вт/см2, а с плоским катодом –
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 Тл.

Одной из основных характеристик разряда является Вольтамперная характеристика (ВАХ). Существенное влияние на нее оказывают рабочее давление (p) и индукция магнитного поля (B) [3, 6, 10].
[pic]

Рисунок 2.2 – Вольтамперные характеристики магнетронных систем распыления: а) с алюминиевой мишенью размером 40(60 см при постоянном магнитном поле 0,03 Тл и различном давлении аргона; б) с алюминиевой мишенью диаметром 160 мм при постоянном давлении аргона 0,3 Па и различной индукции магнитного поля[3]

С уменьшением p ВАХ сдвигаются в область больших рабочих давлений и приближаются к линейной зависимости (смотри рисунок 2.2а). Аналогичным образом влияет и индукция магнитного поля (смотри рисунок 2.2б). Близкие к линейной зависимости наблюдаются при больших значениях В. На ВАХ разряда влияют также материал мишени (смотри рисунок 2.3а) и ее 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, причем этот сдвиг растет с увеличением p (смотри рисунок 2.3б). В этом случае определяющим является не только геометрический фактор, но и переход зоны разряда в область более сильного магнитного поля по мере распыления мишени.
[pic]

Рисунок 2.3 – Вольтамперные характеристики магнетронной системы распыления: а) с плоской мишенью из различных металлов при постоянном давлении 0,5 Па и индукции магнитного поля 0,08 Тл; б) с конической новой
(сплошные линии) и эродированной (штриховые линии) мишенями при индукции магнитного поля 0,06 Тл и различном давлении

[pic]

Рисунок 2.4 – Зависимости скорости осаждения различных материалов от мощности разряда (а) и мощности разряда от рабочего давления при различной индукции магнитного поля (б)

Важным параметром разряда, определяющим скорость распыления, является электрическая мощность, причем скорость осаждения пленки почти линейно зависит от приложенной мощности. (смотри рисунок 2.4а) [3]. 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 (смотри рисунок 2.4б). 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 уже при В=0,
04(0,06 Тл (смотри рисунок 2.5а).
[pic]

Рисунок 2.5 – Зависимости мощности разряда от индукции магнитного поля при различном давлении аргона (а); и напряжения зажигания от давления при постоянной индукции магнитного поля 0,06 Тл (кривая 1) и индукции магнитного поля при постоянном давлении (кривая 2) (б)

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 объеме камеры, что и способствует возникновению разряда при более низких напряжениях.
Исследования [3, 6, 12] показали, что зависимости напряжения зажигания от давления рабочего газа и индукций магнитного поля аналогичны (смотри рисунок 2.5б). 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 пленки и воспроизводимость свойств получаемых пленок. Необходимая скорость осаждения пленки в магнетронной системе с достаточной точностью можно поддерживаться за счет постоянства таких параметров процесса, как ток разряда или подводимая мощность. Эти функции может выполнять источник питания, благодаря чему управление конечной толщиной пленки достигается, если задается время осаждения. Однако можно управлять ростом пленки с помощью прямых методов контроля, например с помощью кварцевого датчика, поскольку плазма в магнетронной системе локализована и не воздействует на датчик.
[1]. Как показывает практика, для обеспечения воспроизводимости и стабильности процесса напыления пленки ток разряда необходимо поддерживать с точностью (2%, а при стабилизации процесса по мощности разряда точность ее поддержания составляет (20 Вт в диапазоне регулирования от 0 до 10 кВт.
При этом рабочее давление должно быть постоянным (отклонение не должно превышать (5%).

3 Конструкции магнетронных распылительных систем

Конструкции современных магнетронных распылительных систем весьма разнообразны. Прообразом их является устройство, изображенное на рисунке
3.1 а и описанное в [3]. 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 счет 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 пленки.

Усовершенствование коаксиальных систем в целях увеличения скорости осаждения привело к созданию катода в виде катода с дисками по торцам
(смотри рисунок 3.1, б). Такая конструкция позволяет значительно увеличить интенсивность разряда благодаря осцилляции электронов вдоль поверхности катода между его торцевыми дисками, достичь плотностей тока 300 А/м2 и скоростей осаждения до 17 нм/с. Однако существенным недостатком этой системы является низкая равномерность распределения пленки 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 [3].

Наиболее эффективными магнетронными системами коаксиального типа являются конструкции, приведенные на рисунке 3.1 в, г. Катод из распыляемого материала выполняется в виде трубы (при этом распыляется внешняя поверхность катода, смотри рисунок 3.1 в), либо вокруг нее
(распылению подвергается внутренняя поверхность катода, смотри рисунок 3.1 г). Плазма локализуется у распыляемой поверхности с помощью кольцевого арочного магнитного поля.
[pic]

Рисунок 3.1 – Конструктивные схемы магнетронных систем распыления:
1– катод-мишень; 2 – анод; 3 – подложкодержатель; 4 – магнитная система; 5
– экран; 6 – зона распыления. (Стрелками показано напраление силовых линий магнитного поля.)

Подложки располагаются вокруг катода (при внешнем распылении) или внутри вдоль его оси (при внутреннем распылении), причем в последнем случае достигается более высокий коэффициент использования материала мишени. Для приведенных систем характерны плотности тока 600 А/см2 и достаточно высокая равномерность наносимых покрытий [1, 3].

На рисунке 3.1 д 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 [3]. Поэтому, не смотря на хорошую адгезию медных пленок к стеклянным подложкам, большую скорость осаждения (до 17 нм/с) и довольно высокую равномерность распределения пленки по толщине (96 – 97 %), применение этой МРС ограничено из-за невысокой стабильности и воспроизводимости параметров разряда, а также сложности выполнения полусферического катода.

На рисунке 3.1, е приведена конструкция с цилиндрическим полым катодом [3]. Магнетронная система распыления выполнена в виде автономного источника распыляемого материала, который может быть пристыкован к любой вакуумной камере, причем 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 пленки 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.

Магнетронная система с коническим катодом обеспечивает более полное использование распыляемого материала (смотри рисунок 3.1, ж ). Кроме того, магнитная система дает 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 объем установки. Хотя в системе с коническим катодом достигается более равномерное нанесение пленок, 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 (сотри рисунок 3.1, з), 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% объема мишени.

Страницы: 1, 2