Принципы методов и конструктивные особенности

Наиболее широкое распространение при нанесении тонких пленок катодным распылением получили плазменные методы с использованием тлеющего разряда постоянного тока, магнетронного разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях, а также несамостоятельного разряда с накаливаемым термокатодом. Рабочие давления для этих типов устройств составляют, соответственно: 10° ¸ 10¹; 10° ¸ 10^-1; 10 ^-1¸ 10^-2 Па, а применяющиеся для катодного распыления напряжения: 1 ¸ 6; 0,3 ¸ 1; 0,3 ¸ 5 кВ [14-21].

Принципиальная схема диодной системы распыления приведена на рис. 2а. На катоде 1 расположен распыляемый материал, подложка 2 расположена на аноде 3, который может быть заземлен или находится под напряжением смещения (U_см). Нанесение пленки проводят при давлении 10^-1 Па. Для зажигания тлеющего разряда между катодом и анодом подается высокое напряжение от 1 до 5 кВ [15, 16]. Таким образом, диодное распыление характеризуется следующими признаками: в процессе распыления катод является источником распыляемого материала, и электронов, поддерживающих разряд; анод также принимает участие в возбуждении разряда и является держателем подложки.

Для обычной системы диодного распыления (без смещения) для получения оптимальных условий распыления подбирают соответствующее соотношение между тремя величинами: расстояние между катодом и анодом, приложенным напряжением и давлением газа. В диодной системе распыления со смещением появляется еще один параметр - напряжение смещения на подложке, значения которого выбираются, как правило, таким образом, чтобы скорость обратного распыления составляла не более трети скорости роста пленки [13-18].

При наложении на область электрического поля магнитного поля рабочее давление может быть снижено до 10^-1 Па.

Триодная система распыления рис.2 б позволяет проводить процесс распыления при еще более низких давлениях 5 - 6×10^-2, снижение давления достигается введением термокатода 4 и дополнительного анода 6, между которыми зажигается разряд. Ленточный поток плазмы, создаваемый в результате ионизации рабочего газа электронами, эммитируемый с термокатода, инжектируется в зону распыления. Формированию ленточного потока способствует магнитное поле.

При подаче на катод - мишень высокого отрицательного потенциала происходят отбор и ускорение ионов из плазмы и распыление материала мишени. Подача отрицательного смещения на подложку обеспечивает ее очистку, энергетическую стимуляцию процесса роста и управление рельефом пленки [22].

С другой стороны, ионная бомбардировка может вызвать физические изменения в структуре пленок (рекристаллизацию, появление или исчезновение дефектов и пр.), которые приводят к изменению свойств пленок.

В дальнейшем метод формирования пленок получил развитие при использовании принципа магнетрона Пеннинга; поэтому стал называться магнетронным (рис. 2в).

Катод 1 расположен в скрещенных электрическом и магнитном полях. Магнитное поле, создаваемое магнитной системой 7 обеспечивает циклоидальное движение электронов у поверхности катода. В процессе этого движения электроны претерпевают многочисленные упругие и неупругие столкновения с атомами газа, обеспечивая высокую степень ионизации. Положительные ионы бомбардируют катод (мишень), выбивая с ее поверхности атомы наносимого на подложку материала. Магнетронная система позволяет получать плотности токов на катоде на порядок больше, чем в диодных высокочастотных системах распыления. Благодаря этому скорости распыления в магнетронных системах в 40-50 раз больше, чем в обычных диодных системах. Достоинством системы является также то, что подложка находится вне зоны разряда [22, 26].

Рис. 2. Схематическое изображение методов формирования пленок за счет процессов распыления: 1 - катод; 2 - подложка; 3 - анод (или подложко-держатель); 4 - термокатод; 5 - нагреватель; 6 - коллектор электронов (дополнительный анод); 7 - магнитная система; 8 - ионный источник; 9 - распыляемая мишень

Магнитные поля (рис. 2в, г) способствуют повышению эффективности ионизации газа, то есть уменьшению рабочего давления и напряжения разряда, локализуют плазму вблизи распыляемого объекта (катода или мишени), а также ослабляют бомбардировку подложки 2 быстрыми электронами, которая приводит обычно к резкому самопроизвольному разогреву. В устройствах с тлеющим разрядом подложка располагается обычно на аноде (рис. 2а), частицы распыляемого материала диффундируют к подложке (рис. 2) через газовый разряд, претерпевая многократные столкновения с атомами рабочего газа и рассеиваясь обратно на катод. В тлеющем и магнетронном разрядах ионизатор и источник пара питаются от одного и того же блока (а, б, в), в устройствах с накаливаемым катодами образование плазмы и процесс распыления выполняются с помощью самостоятельных узлов и источников питания (б, г, д, е) [18, 22, 26].

Еще большее разделение функций узлов ионизатора и источника пара осуществляется в установке ионно-лучевого распыления (рис. д, е) [21, 22, 26]. Здесь область генерации плазмы отделена от узла мишени и по вакуумным условиям. Напуск рабочего газа производится в камеру ионного источника, а его откачка осуществляется через анодную диафрагму малого сечения, а что перепад давлений между областями формирования плазмы и роста пленки (рис. 2д, е) составляет около полутора порядков.

Установки с автономным ионным источником сложнее и дороже по сравнению с оборудованием для распыления в плазме, однако они имеют существенные преимущества по сравнению с последними: независимую регулировку угла падения, энергии и потока распыляющих ионов.

Распыление на постоянном токе в системах а, б, в, г рис. 2 применяется только в случае получения пленок хорошо электропроводящих материалов. Для распыления диэлектриков используют высокочастотное напряжение частотой f-1-20 Мгц. В отрицательный полупериод мишень распыляется, а в положительный - приходящие на ее поверхность электроны нейтрализуют созданный ионами поверхностный заряд.

Поскольку подвижность электронов выше, чем ионов, то интегральный заряд мишени остается отрицательным, ускоряющим ионы.

Ионно-лучевое распыление (рис. 2д, е) обеспечивает формирование пленок любого материала на постоянном токе [21, 22]. Если распыляемый материал обладает хорошей способностью к геттерованию (Ti, Ta, W, Nb, V, Cr, Mo), то охлаждаемые водой или жидким азотом внутренние стенки экранов служат своеобразным геттером или криогенным вакуумным насосом с быстротой откачки реактивных газов пленкой S_ПЛ. Для предварительной очистки от реактивных примесей инертный газ напускают в вспомогательную разрядную камеру откуда он поступает после очистки в основную камеру с размещенной внутри нее подложкой.

Методы конденсации пленок с применением эффекта локального геттерования реактивных газов на охлаждаемых экранах называются "геттерным" распылением или испарением.

Распыление в плазме газового разряда очень часто производится не только в инертной, но и в реактивной среде ("реактивное" распыление). Для этого в зону распыления напускают чистые реактивные газы (О₂, N₂, СН₄ и др.) или их смесь с инертным газом.

В результате протекающих на поверхности подложки и распыляемого материала физико-химических и плазмо-химических реакций образуются пленки окислов, нитридов, карбидов [22, 24, 26, 27]. Для реактивного распыления обычно используются устройства не содержащие термоэмиссионного катода.

Между ионно-лучевым распылением и распылением в плазме газового разряда су­ществует еще одно принципиальное различие. В первом случае в пространстве источник ионов - мишень - подложка не существует электрических полей, а во втором между зонами плазмы, мишени и подложки они имеются. При распылении металлов в реактивной среде или в инертной, но с большой концентрацией химически активных газов, а также распылении диэлектриков поток пара состоит не только из нейтральных частиц, но также из положительных и отрицательных ионов. Положительно заряженные ионы под действием потенциала катода возвращаются обратно на мишень, тогда как отрицательно заряженные ионы аналогично вторичным электронам ускоряются в направлении поверхности мишени. Ускоренные отрицательные ионы (чаще всего кислород и осколки углеводородов) вызывают вторичное распыление материалов пленки или других элементов напылительного устройства, приводят к загрязнению конденсата и не контролируемому ухудшению фактора чистоты [21, 22].

Бомбардировку положительными ионами инертного газа поверхности растущей пленки можно использовать для избирательного катодного распыления примесей остаточных газов (рис. 2б, в, г, д, е). С этой целью в устройствах плазменного распыления на подложку подается отрицательное смещение или растущая пленка обрабатывается пучком ионов из автономного источника, а сам метод распыления будет классифицироваться как "ионное осаждение".

На основе теоретического анализа процесса распыления "со смещением" получено выражение для относительного количества газовой примеси (f) определенного типа (i), захваченной в пленку при U_см = 0 [22, 26]

f_i = a_i n_i / (a_i n_i + n_n),

где a_i - эффективный коэффициент прилипания атомов типа

i во время осаждения;

n_i, n_n - число атомов (газа типа или пара, соответственно), падающих

на единицу площади пленки в единицу времени.

При распылении со смещением (u_cm = - 100 - 300 В) содержание примеси будет равно:

f_i = (a_in_i - (j/e) (AS - B) / (a_in_i - (j/e) (AS - В) + n_n),

где A = (a_in_i + В j/e) / (a_in_i + j (S+B)/e)

j - плотность ионного тока на подложку;

В - часть этого тока, обусловленная примесными ионами;

S - коэффициент распыления примесных атомов;

е - заряд электрона.

На рис. 3 теоретические данные сравниваются с экспериментальными, а на рис.4 показано влияние смещения на чистоту пленки для различного количества примеси в среде рабочего газа.

Рис. 3. Сравнение теоретической и экспериментальной зависимости удельного сопротивления танталовых пленок от напряжения смещения при распылении в тлеющем разряде

‑ - теория; х - эксперимент

Рис. 4. Зависимость удельного сопротивления танталовых пленок от смещения на подложке и процентного содержания кислорода в среде инертного газа

D - 0,9 % О₂; о - 0,25 % О₂;  - остаточный газ

С повышением напряжения смещения объемное сопротивление пленок металлов уменьшается. При U_cм > 300 В оно начинает увеличиваться из - за внедрения аргона в решетку металла.

Обычно чистота пленок в технологии их получения оценивается не столько процентным содержанием примесей в материале пленки, например, удельным сопротивлением, температурой перехода в сверхпроводящее состояние или коэрцетивной силой. В электронике очень часто за критерий качества пленок принимают их удельное сопротивление. Подобная оценка качества по свойствам пленок страдает тем недостатком, что при этом невыясненным химическая природа примеси, а также сам источник загрязнения. Поэтому в наиболее прецезионных технологических процессах требуется проводить измерение состава с помощью современных приборов для физико-химического анализа поверхности.

Приборные факторы играют важную роль в технологическом процессе вакуумного осаждения тонких пленок. Изменение геометрии разрядного промежутка влияет на пространственное распределение частиц газа и пара. В качестве примера рассмотрим распыление в тлеющем разряде (рис. 2а, б). По мере увеличения площади катода диодной системы все меньшее количество примесей реактивного газа будет достигать подложки, расположенной в центре анода.

Молекулы реактивного газа проникают из вакуумной среды в пространство катод - анод, претерпевают многократные столкновения с атомами инертного газа (р = 10° - 10¹) и активно поглощаются электродами. Независимо от того, присутствовали ли примеси в исходном инертном газе или они появились в результате обезгаживания деталей внутривакуумной арматуры, будет происходить очистка газа при движении от периферии плоскопараллельной разрядной системы к ее центру. В то же время этот метод не приводит к улучшению чистоты пленок для тех случаев, когда основным источником газоотделения является подложка, анод или катод.

Распыляемый образец может быть плоской или цилиндрической формы. От этого зависят конфигурация электродов всей разрядной системы и узла крепления подложек, характеристики разряда, распределение нейтральных и заряженных частиц в пространстве.