Магнетронные распылительные системы
2 Принцип действияи рабочие параметрыМРС
Магнетронныераспылительныесистемы получилисвое названиеот СВЧ приборовМ-типа (магнетронныхустройств),хотя, кроменаличия скрещенныхэлектрическогои магнитногополей ничегообщего с нимине имеют. Магнетронныесистемы относятсяк системамраспылениядиодного типа,в которых распылениематериалапроисходитза счет бомбардировкиповерхностимишени ионамирабочего газа,образующимсяв газе аномальнотлеющего разряда.Высокая скоростьраспыления,характернаядля этих систем,достигаетсяувеличениемплотностиионного токаза счет локализацииплазмы у распыляемойповерхностимишени с помощьюсильного поперечногомагнитногополя [1, 3].
Принципдействия магнетроннойраспылительнойсистемы показанна рисунке 1.1.Основнымиэлементамиустройстваявляютсякатод-мишень,анод и магнитнаясистема. Силовыелинии магнитногополя замыкаютсямежду полюсамимагнитнойсистемы. Поверхностьмишени, расположеннаямежду местамивхода и выходасиловых линиймагнитногополя, интенсивнораспыляетсяи имеет видзамкнутойдорожки, геометриякоторой определяетсяформой полюсовмагнитнойсистемы.
При подачепостоянногонапряжениямежду мишенью(отрицательныйпотенциал) ианодом (положительныйили отрицательныйпотенциал)возникаетнеоднородноеэлектрическоеполе и возбуждаетаномальныйтлеющий разряд.Наличие замкнутогомагнитногополя у распыляемойповерхностимишени позволяетлокализоватьплазму разряданепосредственноу мишени. Эмитированныес катода поддействиемионной бомбардировкиэлектронызахватываютсямагнитнымполем, им сообщаетсясложное циклоидальноедвижение позамкнутымтраекторияму поверхностимишени. Электроныоказываютсякак бы в ловушке,создаваемойс одной сторонымагнитнымполем, возвращаемымэлектроны накатод, а с другойстороны –поверхностьюмишени, отталкивающейэлектроны.Электроныциклируют вэтой ловушкедо тех пор, покане произойдетнесколькоионизирующихстол-
Рисунок2.1 – Схема магнетроннойраспылительнойсистемы с плоскоймишенью: 1 –магнитнаясистема; 2 –катод-мишень;3 – силовая линиямагнитногополя; 4 – зонанаибольшейэрозии поверхностикатода; 5 – траекториядвижения электрона
кновенийс атомами рабочегогаза, в результатекоторых электронпотеряет полученнуюот электрическогополя энергию.Таким образом,большая частьэнергии электрона,прежде чем онпопадет наанод, используетсяна ионизациюи возбуждение,что значительноувеличиваетэффективностьпроцесса ионизациии приводит квозрастаниюконцентрацииположительныхионов у поверхностикатода. Что всвою очередьобусловливаетувеличениеинтенсивностиионной бомбардировкиповерхностимишени и значительныйрост скоростираспыления,а следовательно,и скоростиосажденияпленки. Средниескорости осажденияразличныхматериаловс помощьюмагнетроннойраспылительнойсистемы, имеющейплоскую дисковуюмишень диаметром150 мм, при мощностиисточника 4 кВти расположенииподложки нарасстоянии60 мм от источникаприведены втаблице 2.1.
Таблица 2.1 –Скорости осажденияразличныхматериалов[3]
| Материал | Si | Ti | Ta | W | Nb | Mo | Al | Cr | Pt | Cu | Au | Ag |
| Ск.осажд.,нм/с | 7 | 8 | 8 | 8 | 8,5 | 12 | 13 | 17 | 21 | 30 | 37 | 44 |
Следуетотметить, чтоплазма разрядасуществуеттолько в областимагнитнойловушки внепосредственнойблизости отмишени и ееформа определяетсягеометриейи величиноймагнитногополя.
Одним изпреимуществмагнетронныхраспылительныхсистем являетсятакже то обстоятельство,что захватвторичныхэлектроновмагнитнойловушкой уповерхностимишени препятствуетинтенсивномуперегревуподложки. Чтов свою очередьпозволяетувеличитьскорость распыленияматериалов,а следовательно,и их осаждения.Источникаминагрева подложкив этих системахслужат энергияконденсациираспыленныхатомов, кинетическаяэнергия осаждаемыхатомов, энергияотраженныхот мишенинейтрализованныхионов, а такжеизлучениеплазмы. Энергияконденсациисоставляет3 – 9 эВ/атом, кинетическаяэнергия в зависимостиот распыляемогоматериала –от 5 (для алюминия)до 20 эВ/атом (длявольфрама), аизлучениеплазмы 2 – 10 эВ/атом.Суммарнаятепловая энергия,рассеиваемаяна подложке,и температураподложки дляразличныхматериалов,осаждаемыхв цилиндрическойМРС, приведеныв таблице 2.2.
Таблица 2.2 –Значения тепловойэнергии и температурыподложки дляразличныхматериалов[2]
| Материал | Al | Cu | Ta | Cr | Au | Mo | W |
| Тепловаяэнергия, эВ/атом | 13 | 17 | 20 | 20 | 23 | 47 | 73 |
Темп.подл., С | 79 | 110 | 97 | 118 | 106 | 163 | 202 |
Вомногих случаяхнагрев подложкив магнетронныхсистемах сравним,а при испарениитугоплавкихматериаловдаже ниже, чемпри методетермическогоиспарения. Этодает возможностьиспользоватьмагнетронныераспылительныесистемы длянанесенияпленок на подложкииз материалас низкой термостойкостью.
Основныерабочие характеристикимагнетронныхраспылительныхсистем – напряжениена электродах,ток разряда,плотность токана мишени иудельная мощность,величина индукциимагнитногополя и рабочеедавление. Отвеличины истабильностиперечисленныхпараметров,которые взаимносвязаны междусобой, зависятстабильностьразряда ивоспроизводимостьпроцесса нанесениятонких пленок.Магнетронныесистемы относятсяк низковольтнымсистемам распыления.Напряжениепитания непревышает 1000В постоянноготока. Рабочеенапряжениесоставляет200 – 700 В, на мишеньобычно подаетсяотрицательныйпотенциал, ана анод – нулевойпотенциал.Однако в магнетронныхсистемах сплоским катодомдля более полногоулавливаниявторичныхэлектроноврекомендуетсяна анод подаватьнебольшоеположительноесмещение (40 –50 В) [4]. В некоторыхсистемахпредусматриваетсяподача отрицательногосмещения наподложку (100 В)для реализациираспылениясо смещением[16].
Ток разрядазависит отмногих факторов,например отрабочего напряжения,давления ирабочего газа,индукции магнитногополя, конфигурациимагнетроннойсистемы, распыляемогоматериала, иопределяетсямощностьюисточникапитания. Плотностьтока на мишеньочень великаи для системыс полым цилиндрическимкатодом составляетв среднем 80 мА/см2,с коническимкатодом – 160 мА/см2,а с плоскимкатодом – 200 мА/см2,причем максимальныеплотности токав центральнойчасти распылениямогут бытьзначительновыше. Значенияудельной мощностив магнетронныхсистемах сполым цилиндрическимкатодом достигают40 Вт/см2, а с плоскимкатодом – 100 Вт/см2.Предельнаядопустимаямощность определяетсяусловиямиохлаждениямишени теплопроводностьюраспыляемогоматериала .
Магнетроннаяраспылительнаясистема можетработать вдиапазонедавлений от10-2 до1 Па и выше. Важнейшимипараметрами,во многомопределяющимихарактер разрядав ней, являютсягеометрия ивеличина магнитногополя, индукциякоторого уповерхностимишени 0,03 – 0,1 Тл.
Одной изосновныххарактеристикразряда являетсяВольтампернаяхарактеристика(ВАХ). Существенноевлияние на нееоказываютрабочее давление(p)и индукциямагнитногополя (B)[3, 6, 10].
Рисунок2.2 – Вольтамперныехарактеристикимагнетронныхсистем распыления:а) с алюминиевоймишенью размером4060 см припостоянноммагнитном поле0,03 Тл и различномдавлении аргона;б) с алюминиевоймишенью диаметром160 мм при постоянномдавлении аргона0,3 Па и различнойиндукции магнитногополя[3]
С уменьшениемpВАХ сдвигаютсяв область большихрабочих давленийи приближаютсяк линейнойзависимости(смотри рисунок2.2а). Аналогичнымобразом влияети индукциямагнитногополя (смотририсунок 2.2б).Близкие к линейнойзависимостинаблюдаютсяпри большихзначениях В.На ВАХ разрядавлияют такжематериал мишени(смотри рисунок2.3а) и ее форма,которая изменяетсяпо мере распыленияматериала.Образованиевыемки в плоскоймишени приводитк сдвигу ВАХв область меньшихрабочих напряженийиз-за улучшенияусловий локализацииплазмы, причемэтот сдвиграстет с увеличениемp(смотри рисунок2.3б). В этом случаеопределяющимявляется нетолько геометрическийфактор, но ипереход зоныразряда в областьболее сильногомагнитногополя по мерераспылениямишени.
Рисунок2.3 – Вольтамперныехарактеристикимагнетроннойсистемы распыления:а) с плоскоймишенью изразличныхметаллов припостоянномдавлении 0,5 Паи индукциимагнитногополя 0,08 Тл; б) сконическойновой (сплошныелинии) и эродированной(штриховыелинии) мишенямипри индукциимагнитногополя 0,06 Тл и различномдавлении
Рисунок2.4 – Зависимостискорости осажденияразличныхматериаловот мощностиразряда (а) имощности разрядаот рабочегодавления приразличнойиндукции магнитногополя (б)
Важнымпараметромразряда, определяющимскорость распыления,являетсяэлектрическаямощность, причемскорость осажденияпленки почтилинейно зависитот приложенноймощности. (смотририсунок 2.4а) [3]. Всвою очередьмощность разрядапри постоянноймощности источниказависит от pи В. В достаточнослабых магнитныхполях существуеттакое значениеp,при которомна разрядевыделяетсямаксимальнаямощность (смотририсунок 2.4б). Сростом В ( до0.04 Тл) при низкихзначениях pмощность разрядасначала резковозрастает,затем замедляетсяи при В=0,080,1Тл становитсямаксимальной.При достаточновысоком pмаксимальнаямощность достигаетсяуже при В=0, 040,06Тл (смотри рисунок2.5а).
Рисунок2.5 – Зависимостимощности разрядаот индукциимагнитногополя при различномдавлении аргона(а); и напряжениязажигания отдавления припостояннойиндукции магнитногополя 0,06 Тл (кривая1) и индукциимагнитногополя при постоянномдавлении (кривая2) (б)
Напряжениезажигания вмагнетроннойсистеме значительнониже, чем в обычныхдиодных системах.Это объясняетсятем, что еще доналоженияэлектрическогополя электроны,всегда присутствующиев рабочей камереи обеспечивающиепервые актыионизации вразвитии лавинногопробоя газовогопромежутка, захватываютсямагнитнойловушкой, вследствиечего их концентрацияв этой областиоказываетсявыше, чем в объемекамеры, что испособствуетвозникновениюразряда приболее низкихнапряжениях.Исследования[3, 6, 12] показали,что зависимостинапряжениязажигания отдавления рабочегогаза и индукциймагнитногополя аналогичны(смотри рисунок2.5б). Сходствоприведенныхзависимостейуказывает натот факт, чтомагнитное полеи рабочее давлениеоказываютодинаковоевлияние навозникновениеи развитиеразряда в МРС.Как видно изприведенныхвыше зависимостей,эффективностьработы магнетроннойраспылительнойсистемы зависитот правильноговыбора рабочихпараметров,а стабильностьэтих параметровопределяетпостоянствоскорости осажденияпленки и воспроизводимостьсвойств получаемыхпленок. Необходимаяскорость осажденияпленки в магнетроннойсистеме с достаточнойточностью можноподдерживатьсяза счет постоянстватаких параметровпроцесса, какток разрядаили подводимаямощность. Этифункции можетвыполнятьисточник питания,благодаря чемууправлениеконечной толщинойпленки достигается,если задаетсявремя осаждения.Однако можноуправлятьростом пленкис помощью прямыхметодов контроля,например спомощью кварцевогодатчика, посколькуплазма в магнетроннойсистеме локализованаи не воздействуетна датчик. [1]. Какпоказываетпрактика, дляобеспечениявоспроизводимостии стабильностипроцесса напыленияпленки токразряда необходимоподдерживатьс точностью2%,а при стабилизациипроцесса помощности разрядаточность ееподдержаниясоставляет20Вт в диапазонерегулированияот 0 до 10 кВт. Приэтом рабочеедавление должнобыть постоянным(отклонениене должно превышать5%).
3 Конструкциимагнетронныхраспылительныхсистем
Конструкциисовременныхмагнетронныхраспылительныхсистем весьмаразнообразны.Прообразомих являетсяустройство,изображенноена рисунке 3.1а иописанное в[3]. Катод представляетсобой цилиндрическийстержень,расположенныйв центре камеры,а подложкирасполагаютсяпо цилиндрическойповерхностианода вокругкатода. Коаксиальныеконструкцииэлектродов,имея в основноманалогичныес планарнымиконструкциямирабочие характеристики,позволяютзначительноувеличить (в3 – 5 раз) производительностьза счет увеличенияплощади одновременнообрабатываемыхподложек. Крометого, в этихсистемах напорядок меньшеинтенсивностьбомбардировкиподложек вторичнымиэлектронами.,что достигаетсяналичием аксиальногомагнитногополя и заземленныхэкранов поторцам цилиндрическогокатода. Ещеболее снижаетбомбардировкуподложек вторичнымиэлектронаминаличие междукатодом и держателемподложекцилиндрическогосетчатогоанода. При длительнойработе температураподложек втакой системене превышает320 К. Но в то жевремя из-засетчатого анода(улавливающегоэлектрода)уменьшаетсяскорость осажденияпленки.
Усовершенствованиекоаксиальныхсистем в целяхувеличенияскорости осажденияпривело к созданиюкатода в видекатода с дискамипо торцам (смотририсунок 3.1, б).Такая конструкцияпозволяетзначительноувеличитьинтенсивностьразряда благодаряосцилляцииэлектроноввдоль поверхностикатода междуего торцевымидисками, достичьплотностейтока 300 А/м2и скоростейосаждения до17 нм/с. Однакосущественнымнедостаткомэтой системыявляется низкаяравномерностьраспределенияпленки по толщине,связанная снеравномернымраспылениеммишени: болеесильным в центральнойчасти и слабыму торцевыхдисков, чтообусловливаетсянеравномернымраспределениемплотностиионного токавдоль поверхностимишени. Исследованияхарактеристиктакой системыи их зависимостиот геометриикатода приведеныв [3].
Наиболееэффективнымимагнетроннымисистемамикоаксиальноготипа являютсяконструкции,приведенныена рисунке 3.1в, г.Катод из распыляемогоматериалавыполняетсяв виде трубы(при этом распыляетсявнешняя поверхностькатода, смотририсунок 3.1 в),либо вокругнее (распылениюподвергаетсявнутренняяповерхностькатода, смотририсунок 3.1 г).Плазма локализуетсяу распыляемойповерхностис помощью кольцевогоарочного магнитногополя.
Рисунок3.1 – Конструктивныесхемы магнетронныхсистем распыления:
1– катод-мишень;2 – анод; 3 – подложкодержатель;4 – магнитнаясистема; 5 – экран;6 – зона распыления.(Стрелкамипоказано напралениесиловых линиймагнитногополя.)
Подложкирасполагаютсявокруг катода(при внешнемраспылении)или внутривдоль его оси(при внутреннемраспылении),причем в последнемслучае достигаетсяболее высокийкоэффициентиспользованияматериаламишени. Дляприведенныхсистем характерныплотности тока600 А/см2 и достаточновысокая равномерностьнаносимыхпокрытий [1, 3].
На рисунке3.1 д показанамагнетроннаясистема, состоящаяиз полусферическоговогнутогокатода, дисковогоподложкодержателяпод ним, кольцевогоанода, а такжедвух электромагнитныхкатушек, создающихквадрупольноемагнитное полев области разряда.При зажиганииразряда передкатодом образуетсякольцеобразнаяобласть, в котороймагнитное иэлектрическоеполя пересекаютсяпод прямымуглом. В этойобласти наиболеевысокая степеньионизацииатомов рабочегогаза, вследствиечего катод накольцевомучастке междуэкватором иполюсом интенсивнораспыляется.Таким образом,описанная МРСимитируеткольцевойисточник распыляемогоматериала. Прииспользованиимедного катодапараметрыразряда критичнык колебаниямдавления, величинеи геометриимагнитногополя и меняютсяи меняются приувеличениитемпературыкатода во времяраспыления[3]. Поэтому, несмотря на хорошуюадгезию медныхпленок к стекляннымподложкам,большую скоростьосаждения (до17 нм/с) и довольновысокую равномерностьраспределенияпленки по толщине(96 – 97 %), применениеэтой МРС ограниченоиз-за невысокойстабильностии воспроизводимостипараметровразряда, а такжесложностивыполненияполусферическогокатода.
Нарисунке 3.1, еприведенаконструкцияс цилиндрическимполым катодом[3]. Магнетроннаясистема распылениявыполнена ввиде автономногоисточникараспыляемогоматериала,который можетбыть пристыкованк любой вакуумнойкамере, причемв вакууме находятсятолько катодныйи анодный блоки,а вся остальнаячасть источника,в том числе имагнитнаясистема, располагаетсявне камеры.Исследованияпоказали, чтоданная конструкциясистемы имеетряд недостатков:значительнаячасть распыляемогоматериалаперераспределяетсявнутри источникаи не попадаетна подложки;высокая неравномерностьраспределенияконденстантапо толщине непозволяетосаждать пленкина большиеплощади безиспользованияпланетарныхмеханизмоввращения подложек;недостаточнаэффективнамагнитнаясистема, котораяне обеспечиваетв полной мерезащиту подложекот бомбардировкизаряженнымичастицами.
Магнетроннаясистема с коническимкатодом обеспечиваетболее полноеиспользованиераспыляемогоматериала(смотри рисунок3.1, ж ). Кроме того,магнитнаясистема даетвозможностьсконцентрироватьмагнитное полеу распыляемойповерхностимишени, чтопозволяет вдвоеувеличитьплотность токана катоде идостигнутьболее высокихскоростейосаждения.Однако размещениемагнитнойсистемы внутривакуумнойкамеры вноситдополнительныезагрязненияв рабочий объемустановки. Хотяв системе сконическимкатодом достигаетсяболее равномерноенанесениепленок, дляувеличенияплощади одновременнообрабатываемыхподложек свысокой равномерностьюраспределенияконденсатапо толщинетакже необходимоиспользоватьпланетарныевнутрикамерныеустройства.
Дальнейшееразвитие магнетронныхраспылителейпривело к созданиюпланетарныхсистем (сотририсунок 3.1, з),в которых эффектэкранированияпотока распыленныхатомов полностьюустранен. Магнитнаясистема монтируетсяв водоохлаждаемомдержателе ине вносит загрязненийв рабочую камеру.Планетарныемагнетронныесистемы позволяютсоздать ещеболее высокиеплотности токаи достичь скоростейосаждения,сравнимых соскоростями,характерныхдля методатермическогоиспарения ввысоком вакууме.В то же времянедостаткомтакой системыявляется то,что распылениюподвергаетсяузкая кольцеобразнаяобласть мишении коэффициентиспользованиясоставляет26% объема мишени.
В настоящеевремя известномножествоконструктивныхвариантовмагнетронныхраспылительныхсистем [1, 2, 3], нонаибольшеераспространениев промышленностиполучили системыс мишенямиконическойи плоской форм.Конструкциимагнетронныхсистем должныобеспечиватьвысокую скоростьраспыления,минимальноеотрицательноевоздействиена обрабатываемыеструктуры,высокий коэффициентиспользованияматериаламишени, возможностьраспыленияразнообразныхматериалов,нанесениепленочныхпокрытий набольшие площадис минимальнойнеравномерностьюпо толщине,высокую надежностьработы, большойсрок службыи другие. Большинствоиз этих требованийудовлетворяетсяправильнымвыбором конструкциимагнетроннойи формы мишени.
Магнитнаясистема, являющаясяодним из конструктивныхэлементовмагнетроннойсистемы, должнаформироватьу поверхностимишени полезаданной конфигурациии величины сминимальнымрассеяниемдля созданияэффективноймагнитнойловушки дляэлектронов.Исследованияпо макетированиюмагнитных полейпозволиливыявить наиболеецелесообразныеварианты конструкциимагнитнойсистемы с точкизрения простотыи возможностиполучениямагнитногополя требуемойгеометрии ивеличины.
Магнитнаясистема, изображеннаяна рисунке 3.2,а, являетсядостаточнопростой иобеспечиваетэффективнуюлокализациюплазмы. В этойконструкцииможно использоватьнаборные магнитныеблоки, перекрываяих сверху общимполюснымнаконечником.Более эффективносконцентрироватьполе в рабочемзазоре с минимальнымипотерями позволяетмагнитнаясистема, приведеннаяна рисунке 3.2,б. Однако онапредставляетсобой магнитспецифическойформы и требуетспециальногоизготовления.Аналогичныйэффект достигаетсяпри использованиимагнитовподковообразнойформы (рисунок3.2, в). Магнитнуюсистему можносделать болеекомпактной,если использоватькольцевыемагниты с радиальнымнамагничиванием(рисунок 3.2, г),но изготовлениетаких магнитовдостаточносложно. Крометого, приведеннаяконструкцияхарактеризуетсязначительнымрассеяниеммагнитногополя снизукатодногоблока. Формумагнитногополя можноизменять, используяполюсные наконечникиопределеннойгеометрии. Длясоздания вприкатоднойобласти сильногомагнитногополя, силовыелинии которогопочти параллельныраспыляемойповерхности(что необходимодля болееравномерногораспыленияповерхностимишени), можноиспользоватьмагнитнуюсистему, показаннуюна рисунке 3.2,д. Однако втакой конструкциипри сильноразвитых наконечникахиндукция магнитногополя резкоуменьшаетсяс увеличениемрасстоянияот мишени, поэтомуэффективное
Рисунок3.2 – Конструкциимагнитныхсистем магнетронныхраспылителей
распылениедостигаетсятолько длядостаточнотонких мишеней.В случае толстыхмишеней неследует сильноувеличиватьплощадь полюсныхнаконечников.Максимальнаястепень локализацииплазмы характеризуетмагнитнуюсистему, изображеннуюна рисунке 3.2,е. Несмотряна некоторуюсложностьизготовления,она являетсяодной из самыхэффективных.Для магнетронныхраспылительныхсистем с коническоймишенью обычноиспользуетсямагнитнаясистема, приведеннаяна рисунке 3.2,ж. Она хотя инедостаточноэффективна,поскольку полерассеиваетсяпо периметрусистемы, нопроста в изготовлении.На рисунке 3.2,з показанааналогичнаясистема сиспользованиемрадиальныхмагнитов. Наибольшаяэффективностьдостигаетсяв системе, вкоторой рассеяниеполя отсутствует(смотри рисунок3.2, и), однако онатребует изготовлениямагнита специальнойформы.
Формамишени обусловливаетсявидом распыляемогоматериала игеометриеймагнитнойсистемы. Мишеньдолжна обеспечиватьвысокий коэффициентиспользованияее материала(что особенноважно, посколькураспылениемишени не равномерно,стоимостьмишени высока),хороший электрическийи тепловойконтакты сводоохлаждаемымдержателем,удобство замены,минимальноеэкранированиемагнитногополя. На рисунке3.3 показанынекоторыеконструктивныеварианты коническихмишеней. Обычнаяконическаямишень (смотририсунок 3.3, а)проста в изготовлении,ее форма удобнадля нанесенияна нее слоятолщиной до2,5 мм при исследованиипроцесса распылениядорогостоящихматериалов,она равномернопрогревается,что исключаетрасплавлениеповерхностипри распылениилегкоплавкихматериалов.Однако рабочеедавление притакой мишенидостаточновысокое (1 Па),а главное, помере ее распылениясильно меняются
Рисунок3.3 – Формы коническихмишеней (а- г) и плоскихмишеней (д- з)
электрическиехарактеристикиразряда, чтоне обеспечиваетвоспроизводимостипараметровпроцесса осажденияпленки. Прииспользованиимишени, показаннойна рисунке 3.3,б, эти недостаткиустраняются.Однако, образующаясяпо мере распыленияглубокая идостаточноузкая выемка,уменьшает срокслужбы мишении коэффициентполезногоиспользованияраспыляемогоматериала.Мишень на рисунке3.3, в наиболеепригодна дляпромышленногопримененияи обеспечиваетмаксимальноеиспользованиераспыляемогоматериала,причем за весьсрок службымишени характеристикипроцесса остаютсянеизменными,что позволяетего полностьюавтоматизировать.Правда, этамишень сложнав изготовлении.На рисунке 3.3,г показанамишень дляраспылениямагнитныхматериалов.Боковая стенкамишени тонкая(до 1,5 мм), и магнитноеполе проникаетчерез нее, окружаянижнюю распыляемуючасть мишени,толщина которойво избежаниеэкранированияне должна превышать5 мм. Такую мишеньможно сделатьсоставной изтонкостенногокольца и диска.Рабочее давление0,5 Па, напряжение500 В, ток 8 А.
Следуетотметить, чтоконическиемишени не требуютспециальногокрепления,поскольку онисамоуплотняютсяв водоохлаждаемомдержателевследствиеих расширенияпри нагревании,обеспечиваяв дальнейшемнадежный тепловойи электрическийконтакты, чтоособенно важнопри распылениилегкоплавкихматериалов.При разработкемагнетронныхсистем с плоскимимишенями наиболееостро встаетпроблема ихохлаждения.Значительныеплотности токана распыляемойповерхностиприводят кнеравномерномуразогревумишени, чтоприводит к еекороблению,а в местах плохогоконтакта сдержателем– к ее расплавлению.При этом традиционныйметод креплениявинтами неэффективен.Больший эффектдает приклеиваниемишени к держателюс помощью специальныхповодящихклеев, однаконаличие локальныхобластей перегревапри недостаточномохлажденииможет вызватьсильное газовыделениеи разрушениеклеевого слоя.Надежным иэффективнымспособом креплениямишеней являетсяпайка с помощьюприпоев наоснове олова,индия или ихсплавов. В тоже время креплениемишеней с помощьюклеев и припоевзатрудняетзамену мишеней,а сами клеи иприпои могутвлиять на составгазовой средывакуумногорабочего объема.Поэтому чащепредпочтениеотдается темформам мишени,которые обеспечиваютнадежный тепловойконтакт сводоохлаждаемымдержателеми легко снимаются.
В последнеевремя эта проблемарешена и дляплоских мишеней,конструктивныеварианты которыхприведены нарисунках 3.3 д- з. В отличиеот традиционнойплоской формы(рисунок 3.3, д),мишень выполняетсяс утолщениемв области зоныэрозии (рисунок3.3, е) а в держателеделается канавкааналогичнойформы. Такаямишень в процессераспыленияобеспечиваетхороший тепловойконтакт за счетее термическогорасширения.Помимо хорошегоохлажденияпри этом достигаетсяи более высокийкоэффициентиспользованияраспыляемогоматериала посравнению сравнотолщинноймишенью. Ещевыше этот эффектдля мишеней,показанныхна рисунках3.3, ж и з (до 70% и90% соответственно).
Типичныеконструкциимагнетронныхраспылительныхсистем с плоскимимишенями приведенына рисунке 3.4.В простейшемслучае (рисунок3.4, а) системавключает в себямагнитный блок,вмонтированныйв водоохлаждаемыйкорпус, являющийсяодновременнои держателеммишени. Вокругкорпуса располагаетсяанод в видецилиндра илимедной трубкис проточнойводой, установленныйпо периметрумишени вблизиее. Анод обычнозаземляется.Для более полногоустранениябомбардировкиподложек вторичнымиэлектронамикатодный блококружаетсязаземленнымэкраном, а попериметрумишени и в центреустанавливаютсяизолированныеаноды, имеющиенебольшой (50В) положительныйпотенциалотносительноземли. Анодыперекрываютместа входаи выхода силовыхлиний магнитногополя и улавливаютрассеиваемыевдоль силовыхлиний вторичныеэлектроны,оставляя открытойтолько ту областьмишени, гдесиловые линиипараллельныраспыляемойповерхностии скоростьраспылениямаксимальна(рисунок 3.4, б).Экранированиеслабо распыляемыхучастков мишениулучшает свойстваполучаемыхпленок [1, 3, 4]. Приизготовлениичувствительныхк радиационнымвоздействиямприборовцелесообразнодополнительноулавливатьлетящие в сторонуподложки ионы,которые, например,могут образоватьсяв результатеионизациираспыленныхатомов мишени.В этом
Рисунок3.4 – Конструкциимагнетронныхраспылительныхсистем с плоскимимишенями: 1 –мишень; 2 – анод;3 – магнитнаясистема; 4 –дополнительныйэлектрод; 5 –полюсные наконечники
случаенад поверхностьюположительногоанода устанавливаетсядополнительныйотрицательныйэлектрод (рис.3.4, в).На рисунке 3.4,г представленаконструкциямагнетроннойраспылительнойсистемы, использующеймишень специальнойформы— четыресоставные частииз стержнейс заданнымпрофилем сечения,расположенныхвдоль прямоугольнойзоны распыления.Каждая частькрепится кцентру и попериметрубрусками измагнитногоматериала,которые являютсяв данном случаеполюсныминаконечниками,выводящимисиловые линиимагнитногополя от полюсовмагнитнойсистемы наповерхностьмишени. Этопозволяетраспылятьдостаточнотолстые мишени[3, 4]. Послераспыленияполовины материаламишени онапереворачиваетсяи производитсяраспылениеостальнойчасти, чтообеспечиваетповышениекоэффициентаиспользованияматериаламишени до90%.
Типичнаяконструкциямагнетроннойраспылительнойсистемы с коническоймишенью показанана рисунке 3.5,а.Магнитнаясистема с держателеми мишенью помещаетсяв заземленныйкорпус, которыйиграет рольдополнительногоанода. Основнойанод располагаетсяв центре, и нанего может бытьподано положительноесмещение. Недостаткомтакой магнетроннойсистемы являетсясложностьизготовлениямагнитнойсистемы, обеспечивающейфокусировкусиловых линиймагнитногополя междуполюсныминаконечниками.Обычно наблюдаютсяискажение ирассеяниесиловых линийу верхнеговнешнего полюсногонаконечника,что затрудняетлокализациюплазмы в центральнойнаиболее толстойчасти мишени.
Рисунок3.5 – Конструкциимагнетронныхраспылительныхсистем с коническоймишенью: 1 – мишень;2 – анод; 3 – магнитнаясистенма; 4 –водоохлаждаемыйдержатель; 5 –экран; 6 – дополнительныймагнит
Положительногорезультатаможно достигнуть,используядополнительнуюмагнитнуюсистему, расположеннуюнад верхнимполюснымнаконечникомнепосредственнопод дополнительныманодом (рисунок3.5, б).
Для магнитнойсистемы могутбыть использованыэлектромагниты,однако этовлечет за собойувеличениегабаритов,необходимость стабилизированногоэлектропитанияпостояннымтоком и электрическойизоляции вусловияхинтенсивноговодяного охлаждения.Поэтому впромышленныхусловияхцелесообразноприменятьпостоянныемагниты, аэлектромагниты— при экспериментальныхисследованияхдля выбораоптимальнойвеличины магнитногополя применительнок конкретнымусловиям иконструкциимагнетроннойраспылительнойсистемы.
Рисунок3.6 – Конструкциимагнетронныхраспылительныхсистем с переменныммагнитным полем
С коэффициентомиспользованияраспыляемогоматериалатесно связанапроблемаравномерностираспылениямишени. Вышебыли показаныпути повышениякоэффициентаиспользованияраспыляемогоматериалавыбором мишениопределеннойгеометрии.Однако существуетеще один путь— применениесканирующегомагнитногополя. Существуютдва способаперемещениямагнитногополя по поверхностимишени: электромагнитныйи механический.В первом случаевокруг мишениустанавливаютэлектромагнит,который создаетдополнительноепеременноемагнитное поле,перпендикулярноеповерхностимишени (рисунок3.6, а).При неподвижномпостоянномполе арочнойконфигурациипрофиль зоныраспыленияимеет вид, показанныйна рисунке 3.6,б.Использованиедополнительногопеременногополя производитдеформациюосновного поля:вершина аркиначинает смещатьсяот среднейлинии, в результатечего происходитсимметричноесмещение зонымаксимальнойэрозии, и профильраспылениястановитсяпочти прямоугольным(рисунок 3.6,в).Равномерностьраспылениямишени можнозначительноувеличить,используямногоячеистуюэлектромагнитнуюсистему, питающуюсяот сети переменноготока (рисунок3.6, г).
Форма иразмеры магнетронныхсистем могутбыть самымиразнообразными.Имеются сведенияо конструкцияхс мишенямидлинной 2 м ишириной до 20см [14]. При использованиимишеней большойплощади с цельюболее равномерногоих распылениясоздаетсянесколько зонраспыления.Например, известнысистемы с дисковымимишенями диаметромболее 60 см, вкоторых создавалосьдо шести зонраспыления в виде концентрическихколец, при этомкоэффициентиспользованияматериал мишенидостигал 80%. Дляповышенияпроизводительностив установкахнепрерывногодействия можноприменятьпрямоугольныемагнетронныесистемы с несколькимизонами распыления,каждая из которыхбудет представлятьсобой линейныеисточникираспыляемогоматериала,поперек которыхперемещаетсяподложка.Естественно,что увеличениераспыляемойплощади требуетприложениябольших мощностей,и на упомянутуювыше мишеньразмером 20020см, используемуюпри производствезеркал и вавтомобильнойпромышленности,нужно подаватьмощность до100 кВт.
4 Заключение
В даннойработе представленобзор основныхконструкциймагнетронныхсистем распыления,некоторыхконструктивныхэлементов(мишеней, магнитныхсистем и другое),описаны основныепараметрыустановок иприведенытипичныехарактеристикимагнетронов.Так же рассмотрены сравнительныехарактеристикиразличныхконструкциймагнетронныхсистем распыления,их достоинстваи недостатки.На примерепланарнойконструкции магнетроннойсистемы показанытипичныехарактеристикиразряда: вольтамперныехарактеристики,зависимостимощности разрядаи влияние наних магнитногополя и давлениярабочего газа.Представленыхарактеристикиматериаловмишеней. Крометого, описываетсяпринцип работымагнетрона,поведениезаряженныхчастиц в плазмеразряда, а также распределениемагнитных иэлектрическихполей.
В заключениеотметим, чтопотенциальныевозможностиприменениямагнетронныхраспылительныхсистем в настоящеевремя еще далеконе полностьювыяснены иреализованы.Но уже сейчасприменениемагнетронныхустановоквесьма широко.Они занялипрочные позициив технологияхизготовленияполупроводниковыхприборов иинтегральныхмикросхем. Вчастности,применяютсядля формированияконтактов кразличнымполупроводниковыми пассивнымэлементам схем.Это изготовлениерезистивныхпленок гибридныхмикросхем,магнитныхпленок, низкоомныхконтактов имногое другое.
Кроме того,они широкоиспользуютсяв промышленных установкахдля нанесениятонкопленочныхпокрытий. Это– всевозможныефильтрующие,отражающие,защитные итеплосберегающиеоптическиепокрытия настеклах.
Магнетронныесистемы нашлиширокое применениев вопросахплазмохимическойобработки,травления иполученияматериалов.
Несмотряна всю широтуиспользованиямагнетронныхсистем распыления,нельзя утверждатьто, что к настоящемумоменту ониявляются достаточнохорошо изученными.Все большеепрактическоеприменениеМРС значительноопередилоразработкутеории и методикуих расчета.
5 Conclusion
The paper presentsreview of basic magnetron sputtering system constructions, someconstruction elements (targets, magnetic systems and so on), keyparameters and typical magnetron characteristics are described aswell. Besides, the dependences of the working space parameters on themagnetron discharge plasma are presented. Moreover, comparativecharacteristics of the different magnetron sputtering systemsconstructions and their advantages and limitations are described. Forexample, the critical discharge characteristics of the planarmagnetron are given, such as volt-ampere and the power dischargecharacteristics and influence on those ones the magnetic field andprocess gas pressure values. The study also presents characteristicsof material, the targets made. Then, there are described themagnetron operations, behavior of the species in discharge plasma,magnetic and electric fields distributions.
In conclusion it is necessary to point out, thatpotential possibilities of the magnetron sputtering systemapplications have not been studied quite sufficiently. But by now themagnetron sputtering system usage is already prevailing. Those onesare widely used in the manufacturing of semi-conductor devices andintegrated circuits. In particular, those systems are engaged for theinterconnection formatting to the semi-conductor and passive elementsof the circuits, the hybrid microcircuit resistive films producing,magnetic films, low-resistance contacts and so on.
Moreover the magnetron sputtering systems are widelyused in commercial plants for thin film deposition, namely forvarious color filtering, reflective, protective and low-emissionoptical glass coatings.
Magnetron systems have found their application forsolving the problems regarding to the plasmochemistry processing,etching and producing the materials.
Though magnetron system is widely used, at present, onecannot say that, they are studied sufficiently. The wide propagationof the magnetron sputtering system passed ahead of theoreticalbackground of the problem.
Списокиспользованныхисточников
1 Francis F. Chen.Industrial applications of low – temperatures plasma physics.Phys. Plasmas vol. 2, n. 6, June 1995, pp. 2164 – 2175.
2N. Singh, R. Kist, H.Thiemann. Experimental and numerical studies on potentialdistributions in a plasma. Pl. Phys., vol. 22, 1980, pp. 695 –707.
3 Плазменныеускорители/Подобщей редакциейЛ. А Арцимовича.– М.: Машиностроение,1973.
4 Данилин Б.С., Неволин В.К., Сырчин В. К.Исследованиемагнетронныхсистем ионногораспыленияматериалов.– Электроннаятехника. Сер.Микроэлектронника,1977, вып. 3 (69), с. 37 – 44.
5 Данилин Б.С., Сырчин В. К.Магнетронныераспылительныесистемы. – М.:Радио и связь,1982.
6 L.Vriens.Energy balance in low –pressure gas discharges. J. Appl. Phys. vol. 44, n. 9, September1973, pp. 3980 – 3989.
7J. –P. Boeuf. A two – dimensional model of dc glowdischarges. J. Appl. Phys. vol. 63, n. 5, March 1998, pp. 1342 –1349.
8S. Maniv. Generalization of the model for I – V characteristicsof dc sputtering discharges. J. Appl. Phys. vol. 59, n. 1, January1986, pp. 66 – 70.
9W. D. Westwood, S. Maniv. The current – voltage characteristicof magnetron sputtering systems. J. Appl. Phys. vol. 54, n. 12,December 1983, pp. 6841 – 6846.
10F. A. S. Ligthart, R. A. J. Keijser. Two – electron group modeland electron energy balance in low - pressure gas discharges. J.Appl. Phys. vol. 51, n. 10, October 1980, pp. 5295 – 5299.
11A. Fiala, L. C. Pitchford, J. P. Boeuf. Two – dimensional,hybrid model of low – pressure glow discharges. Phys. Review.ser. E, vol. 49, n. 6, June 1994, pp. 5607 – 5622.
12K. Kuwahara, H. Fujiyama. Application of the Child – LangmuirLaw to Magnetron Discharge Plasmas. IEEE Trans. Plasma. Sci., vol.22, n. 4, August 1994, pp. 442 – 448.
13T. E. Sheridan, M. J. Goeckner, J. Goree. Electron distributionFunctions in a sputtering Magnetron Disharge. Jap. J. Appl. Phys.,vol. 34, P. 1, n. 9A, September 1995, pp. 4977 – 4982.
14Tsutomu Muira, Tatsuo Asamaki. A theory on planar magnetrondischarge. Thin Solid Films 281–282, 1995, pp. – 190 –193.
15F. A. Green, B. N. Chapman. Electron effects in magnetron sputtering.J. Vac. Sci. Technol., vol. 13, n. 1, January/February 1976. pp.165–168.
16J. G. Kirk, D. J. Galloway. The evolution of a test particledistribution in a strongly magnetized plasma. Pl. Phys., vol. 24. n.4, 1982, pp. 339 – 359.
17N. D’ Angelo, M. J. Alport. On “anomalously” highion temperatures in plasma discharges. Pl. Phys., vol. 24. n. 10,1982, pp. 1291 – 1293.
18M. Katsch, K. Wiesmann. Relaxation of supratermal electrons due tocoulomb collisions in a plasma. Pl. Phys., vol. 22, 1980, pp. 627 –638.
ПриложениеА
(справочное)
Рабочиеи энергетическиехарактеристикираспылительныхсистем
| Вид распылительнойсистемы | Рабочеедавление, Па | Рабочеенапряжение,кВ | Энергияионов, Wi1,610-16Дж | Ионныйток Ii,А | Мощность,подводимаяк системе c, кВт | Коэф.преобразованиямощности =IiUi/c | Энергетическаяэффективность(по меди) | |
| распыления, 10-9кг/Дж | системы,10-9кг/Дж | |||||||
| Диоднаяна постоянномтоке | 1,3 - 13 | 3,0 –5,0 | 2,0 –3,5 | 0,5 –0,8 | 2,0 –5,0 | 0,5 –0,6 | 0,9 –1,4 | 0,5 –0,7 |
| ВЧдиодная | 0,6 –6,6 | 1,0 –2,0 | 0,7 –1,5 | 1,0 –2,0 | 3,5 –5,0 | 0,3 –0,6 | 1,6 –2,5 | 0,5 –1,0 |
| Триодная | 0,06 –0,66 | 1,0 –2,0 | 1,0 –2,0 | 3,0 –5,0 | 10 –15 | 0,3 –0,7 | 1,4 –2,1 | 0,6 –1,0 |
| Триоднаяс локализациейплазмы магнитнымполем | 0,013 – –0,13 | 1,0 –2,0 | 1,0 –2,0 | 10 –15 | 35 –40 | 0,3 –0,7 | 1,4 –2,1 | 0,6 –1,0 |
| Савтономнымионным источником | 0,0013 – – 0,013 | 1,0 –3,0 | 1,0 –3,0 | 0,2 –0,5 | 8,0 –10 | 0,03 –0,15 | 1,0 –2,1 | 0,06 –0,15 |
| Магнетроннаяна постоянномтоке | 0,13 –0,66 | 0,4 –0,8 | 0,3 –0,5 | 15 –20 | 8 –15 | 0,6 –0,7 | 3,0 –3,8 | 2,1 –2,3 |
| ВЧмагнетронная | 0,13 –0,66 | 0,7 –1,0 | 0,5 –0,7 | 2,0 –4,0 | 3,0 –5,0 | 0,3 –0,6 | 2,5 –3,0 | 0,9 –1,5 |
Министерство образования Российской Федерации
Томский Политехнический Университет
кафедра английскогоязыка
и техническогоперевода
Магнетронныераспылительныесистемы
выполнил: В.В. Жуков,
аспирант, НИИ ЯФ, Лаб. 23.
Научныйруководитель:В.П. Кривобоков,
профессор,заведующийЛаб. 23, НИИ ЯФ.
Томск 2001 год.
1 Введение
Целью настоящейработы являетсяобзор конструктивныхэлементовмагнетронныхраспылительныхсистем (МРС), атакже рассмотрениепринципа ихдействия ифизическихпараметров.
Дело в том,что еще сравнительнонедавно основнымметодом нанесениятонкопленочныхпокрытий былииспарение иконденсациявещества ввысоком вакууме.Методы ионногораспыленияматериаловв следствиенизких скоростейосаждения ивысоких радиационныхвоздействийна обрабатываемыеструктурыиспользовалисьограниченно.Появившиесясравнительнонедавно магнетронныераспылительныесистемы, позволяющиенаносить кактонкопленочные,так и пленочныепокрытия всотни микрон,позволилисущественнорасширитьобласть примененияионного распыленияматериалов.
В последниегоды в нашейстране и зарубежом проведенынаучные исследованияи конструкторско-технологическиеразработкипо созданиюширокого классаМРС, а такжеустановок илиний (в томчисле непрерывногодействия). Подобногорода установкинашли применениево многих областяхнауки и техники.А целесообразностьи эффективностьих использованиядоказана значительновозросшиминтересом кразработкеи внедрениювсе новых болеесовершенныхсистем.
В настоящейработе на основелитературныхисточниковсделан обзорконструкциймагнетронныхраспылительныхсистем, их составныхчастей, краткорассмотреныосновные параметрыи физическиепринципы работы.
Содержание
1 Введение
2 Принципдействия ирабочие параметрыМРС
3 Конструкциимагнетронныхраспылительныхсистем
4 Заключение
5 Conclusion
Списокиспользованныхисточников