Студопедия
Случайная страница | ТОМ-1 | ТОМ-2 | ТОМ-3
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Ионно-плазменное распыление.

Для уменьшения загрязнений необходимо уменьшать давление рабочего газа в камере, но при этом будет уменьшаться число ионизирующих столкновений электронов с атомами и уменьшится плотность ионов в разряде. Это можно компенсировать введением дополнительного источника электронов и превращения разряда в несамостоятельный. Наиболее простой способ - применение источника термоэлектронной эмиссии, при этом разряд обеспечивается даже в высоком вакууме. В отличие от катодного распыления этот процесс осуществляется в трехэлектродной системе, поэтому иногда его называют триодным распылением, как это представлено на рис. 1.

 
 
Рис. 1. Схема установки ионно-плазменного напыления; 1 - катод; 2 - анод; 3 - мишень; 4 - подложка; 5 - область газового разряда; 6 - ионы плазмы; 7 - выбитые атомы; 8 - источник накального напряжения.
 
 

 
 


Главная особенность его по сравнению с методом ионного распыления состоит в том, что между мишенью 3 (с нанесенным на нее слоем распыляемого вещества) и подложкой 4 зажигается независимый несамостоятельный газовый разряд. 5. Для него характерно наличие стороннего источника электронов в виде накаливаемого катода 1 (с независимым источником накального напряжения 8). Разряд характеризуется низкими рабочими напряжениями (десятки вольт) и низким давлением рабочего газа (10-3 - 10-4 Торр).

В процессе напыления на мишень подается отрицательный потенциал (порядка 2 - 3 кВ), который достаточен для возникновения и поддержания аномального тлеющего разряда. Положительные ионы плазмы 6 под действием потенциала ударяются о мишень и, проникая вглубь, теряют энергию, смещая атомы, и останавливаются. Если энергия, переданная атому, больше энергии сублимации данного материала, то атом 7 покидает мишень. За счет полученного от иона импульса выбитые атомы пересекают разрядный промежуток и осаждаются на подложку, причем энергия, с которой они подходят к подложке существенно больше, чем при методе ТВН. В упрощенном виде эта схема приведена на рис. 2. Таким образом, в данной системе имеются три независимо управляемых электрода: термокатод, анод и распыляемая мишень, потенциал которой относительно термокатода составляет несколько киловольт.

Весь процесс напыления происходит только во время подачи потенциала на мишень. Если до начала напыления с помощью механической заслонки изолировать подложку, то выбитые с верхнего, загрязненного слоя мишени атомы осядут на заслонку - будет иметь место ионная очистка мишени. Если же подать до процесса напыления отрицательный потенциал на подложку - то будет иметь место ионная очистка подложки, являющаяся практически самым эффективным способом очистки подложки от загрязнений.

рис. 2. Схема установки. 1 – термокатод; 2 – анод; 3 – мишень; 4 – подложка; 5 – подложкодержатель.

Возникают трудности при распылении диэлектрических материалов, т.к. на мишени возникает положительный заряд, отталкивающий ионы. Для преодоления этих трудностей применяют высокочастотное ионно-плазменное напыление, заключающееся в подаче на мишень совместно с постоянным отрицательным потенциалом высокочастотного (порядка 15 кГц) переменного напряжения с амплитудой, незначительно превышающей постоянный отрицательный потенциал. При этом большую часть периода результирующий потенциал является отрицательным, идет процесс распыления мишени и накопления положительного заряда. Во время небольшой части периода потенциал является положительным и мишень бомбардируется электронами плазмы, энергия которых для распыления недостаточна, однако накопившийся заряд они чрезвычайно успешно снимают. Добавление к рабочему газу газа реагента позволяет реализовывать реактивное ионно-плазменное напыление и получать окислы, гидриды, нитриды и прочие соединения, аналогично методу ионного распыления.

Если к рабочему инертному газу добавить кислород и бомбардировать поверхность металлической пленки, находящейся под положительным потенциалом, то отрицательные ионы кислорода будут окислять металлическую пленку. Этот процесс называется анодированием. С его помощью получают самые высококачественные пленки металлических окислов. По мере роста окисной пленки ток в цепи анода уменьшается, что вызывает необходимость повышения питающего напряжения и процесс анодирования протекает при более высокой напряженности поля в окисной пленке, что повышает ее электрическую прочность.

Разряд на постоянном токе нельзя использовать для распыления диэлектрических материалов, так как электроны должны непрерывно уходить с мишени во внешнюю цепь. Поэтому мишень должна быть проводящей. Это ограничение снимается при проведении разряда на переменном токе достаточно высокой частоты, именно такой, при которой за половину периода высокочастотного напряжения, приложенного к электродам электроны не успевают пройти расстояние между анодом и катодом (обычно это частота 10 - 50 МГц). Для поддержания стационарного характера разряда необходимо, чтобы за время своей жизни каждый электрон произвел в среднем одну ионизацию. Роль электродов сводиться теперь лишь к созданию поля в газоразрядном промежутке, их можно в принципе вынести за пределы газоразрядной камеры. В установках высокочастотного распыления электроды покрываются мишенями из распыляемого диэлектрика.

Так как электроны плазмы имеют гораздо большие скорости теплового движения, чем ионы, то поверхности мишеней, соприкасающиеся с плазмой, заряжаются отрицательно. Величина этого разряда растет при подаче на электроды ВЧ напряжения. Действительно, когда положительный заряд на каком-либо электроде оказывается больше отрицательного заряда на мишени, поле будет направленно от мишени к газу и на мишень пойдет дополнительный поток электронов. Остальную часть периода к мишени будут дрейфовать ионы. Однако так как их подвижность значительно ниже чем у электронов, то они практически, почти не будут изменять величину отрицательного заряда мишени. При достаточно большом ВЧ напряжении мишень будет весьма энергично бомбардироваться ионами и распыляться. Попадая на подложку и конденсируясь, распыленные частицы мишени будут создавать на ней пленку.

Процесс ионного распыления можно интенсифицировать не только путем увеличения числа электронов, эмиттируемых с катода, как при ионно-плазменном распылении, но и путем повышения эффективности ионизации электронами нейтральных атомов газа. Этого можно добиться с помощью использования магнитного поля, воздействующего на тлеющий разряд путем изменением характера движения электронов. Влиянием магнитного поля на существенно более тяжелые ионы можно в принципе пренебречь. Под воздействием магнитного поля электроны, вектор скорости которых не параллелен направлению магнитного поля, начинают двигаться по спиральным траекториям, вследствие чего возрастает эффективная длина пути, проходимого электроном. Это эквивалентно увеличению давления газа в рабочей камере.

Также наложение магнитного поля сильно уменьшает радиальную диффузию электронов из зоны действия газового разряда, что снижает потери электронов, способных осуществлять ионизацию. Такие устройства называются магнетронами. С их помощью удается поддерживать газовый разряд до давлений вплоть до 10-12 Торр, что существенно уменьшает загрязнение получаемых пленок.

Атомы, выбитые из мишени при ионном распылении, могут обладать значительной энергией (порядка десятков электрон-вольт), причем относительная доля таких атомов увеличивается с ростом энергии бомбардирующих ионов. Это определяет специфику процесса конденсации атомов на подложке при ионном напылении - отсутствие критической температуры и критической плотности атомного пучка. Вследствие высокой энергии бомбардирующих атомов они практически при любой температуре и любой плотности пучка "вбиваются" в поверхность подложки и застревают там. По мере напыления доля напыляемых атомов в поверхностном слое непрерывно растет и, в конце концов, на поверхности образуется пленка из чистого материала мишени.

При соударении атомов, выбитых из мишени, с атомами нейтрального газа в камере последние могут также приобретать высокую кинетическую энергию, достаточную для внедрения их в подложку. Концентрация таких атомов в напыленной пленке может достигать нескольких процентов. Кроме того, при ионном распылении возможно образование значительно большего числа разнообразных химических соединений активного газа с материалом мишени, чем при термическом распылении. Это является следствием того, что в разряде возникают возбужденные атомы и молекулы, молекулы могут диссоциировать на нейтральные атомы либо ионы, образуются молекулярные ионы и т. д. Все эти частицы химически более активны, чем нейтральные не возбужденные молекулы. Это обстоятельство используется, в частности, для получения нитридов металлов и особенно нитрида кремния в технологии интегральных схем.

Существенным достоинством ионного напыления является возможность получения пленок строго стехиометрического состава из сплавов и сложных химических соединений, а также высокая адгезия пленок к подложкам. Недостатком считается относительно низкие скорости нанесения пленок, лежащие в интервале 5 - 300 нм/мин. Если в установке используется не высококлассное вакуумное оборудование, а, в частности, откачные системы на силиконовом масле, то пары масла, попадая в рабочую камеру, под воздействием плазмы и высокочастотного поля образуют радикалы. Эти радикалы, оседая на поверхность подложки, очень сильно ее загрязняют. Это приводит к необходимости использовать так называемую безмасляную откачку.

Стремление интенсифицировать процесс получения пленок, сохранить стехиометрический состав исходных материалов, осажденных в виде пленок, повысить чистоту пленок и адгезию их к подложкам привело к применению в субмикронной технологии импульсных плазменных ускорителей (ИПУ). При импульсно-плазменном нанесении пленок используют более плотные потоки пара, чем при ионно-плазменном распылении. Создавая плотные потоки плазмы, можно на несколько порядков увеличить скорость осаждения, а, следовательно, и производительность процесса, а используя высокий вакуум - получить более чистые пленки, чем при катодном распылении. В ИПУ плазма создается в парах распыляемого материала, испаряемого и ионизируемого любым способом, например в дуговом разряде. Испарение материала происходит, как взрыв в вакууме. При длительности импульса порядка долей секунды материал поверхности распыляемого вещества в месте образования дуги превращается в пар высокой плотности с температурой порядка 105 К. Такое испарение является уникальным по скорости и энергии частиц и поэтому представляет особый интерес для получения пленок с высокой адгезией при большой производительности процесса.

Конденсация пленок при ионном распылении происходит в сложных условиях: при относительно высоком давлении инертного газа, в присутствии химически активной и ионизированной в разряде фоновой атмосферы, при наличии электростатического поля. Причиной повышенной адгезии является значительный запас энергии у конденсирующихся атомов вещества. Она на порядок выше, чем при термическом испарении. Этот избыток энергии обуславливает большую миграционную подвижность атомов и уменьшает потенциальную энергию системы "пленка - подложка", что во многом и определяет величину адгезионной прочности. Чистота наносимых пленок связана с параметрами разряда, так как высокоэнергетические атомы осаждаемого вещества вызывают самоочистку пленки. Распыленные атомы несут около 10% энергии распыляющих ионов. Даже с учетом столкновений с атомами газа в пролетном пространстве распыленные атомы могут обладать в среднем энергией 5 эВ, превышающей не только энергию физической адсорбции, но и хемосорбции.

Для сравнения вспомним, что энергия атомов, испаренных при 1000° С, составляет в среднем 0,2 эВ. Такое различие энергий (в 50 раз) распыленных и испаренных атомов является одной из причин более высокой адгезии пленок, полученных ионным распылением. Наиболее слабая адгезия наблюдается при положительном потенциале на подложке, образующемся в результате интенсивной электронной бомбардировки. Электронная бомбардировка при наличии в фоновой атмосфере углеводородов и силиконовых масел, проникших из откачной системы, вызывает их полимеризацию и формирование в составе пленки стойких посторонних включений.

Присутствие в потоке вещества электрически заряженных атомов влияет на весь процесс роста пленки. Заряженные частицы, попадая на подложку, увеличивают площадь поверхности первичных гранул вследствие дополнительной электростатической энергии поверхности, увеличивают поверхностную диффузию между гранулами, ускоряют их объединение. Первичные образования, как и при термическом испарении, состоят из зародышей, которые перерастают в гранулы. Но с этого момента распыленные гранулы продолжают расти только в плоскости, в результате чего ионным распылением можно получить сплошные пленки при гораздо меньших толщинах, чем в случае термического испарения.

Такое поведение гранул не может быть объяснено высокой кинетической энергией атомов и сопутствующим эффектом очистки поверхности подложки, так как оба эти факта повышают агломерацию (скопление атомов в отдельные группы) благодаря хорошим условиям для перемещения атомов по подложке. Здесь решающее значение имеет заряженность частиц вещества. Увеличение поверхности гранул за счет дополнительной электростатической энергии и облегчение их слияния в электростатическом поле являются доминирующими факторами, определяющими образование сплошной пленки при ее малых толщинах.

По достижении в камере вакуума порядка 10-4 Па термокатод разогревают и в камеру через натекатель подают инертный газ при давлении 0,05 - 1 Па. В результате термоэлектронной эмиссии с катода будут интенсивно испускаться электроны, ускоряющиеся вертикальным электрическим полем. При напряжении между термокатодом и анодом порядка 100 В возникает несамостоятельный газовый разряд, при этом разрядный ток достигает нескольких ампер. Мишень, имеющая отрицательный потенциал относительно катода, оттягивает на себя значительную часть ионов, образующихся в газовом разряде, и ускоряет их. В результате бомбардировки мишени ионами происходит ее распыление, и распыленные атомы осаждаются на подложке, формируя тонкую пленку.

Такие трехэлектродные системы, в которых электрические цепи разряда распыления разделены и управляются независимо друг от друга, обеспечивают гибкость управления процессом. Скорость осаждения составляет единицы нанометров в секунду, что в несколько раз превышает аналогичный показатель для двухэлектродной схемы катодного распыления. Дальнейшее развитие трехэлектродных систем распыления привело к использованию автономных ионных источников. Ионный источник представляет собой газоразрядную камеру с термокатодом, в которую подается рабочий газ под давлением ~ 0,5 Па, что обеспечивает высокую концентрацию ионов. Газоразрядная камера отделена от камеры осаждения калиброванными отверстиями, благодаря чему обеспечивается перепад давлений, и давление в камере осаждения, где расположены мишень и подложка, составляет ~ 0,015 Па. Часть ионов поступает через отверстия в камеру осаждения, ускоряется и распыляет мишень. Такая конструкция позволяет увеличить скорость распыления мишени и повысить чистоту осаждаемых на подложке пленок.

Рассмотренные выше методы получения тонких пленок используют постоянные напряжения, прикладываемые к электродам системы распыления что позволяет распылять мишени только из электропроводящих или полупроводниковых материалов. Если мишень выполнена из диэлектрика, то, при ее бомбардировке положительно заряженными ионами на ней очень быстро будет накапливаться положительный заряд. Этот заряд создаст электрическое поле, которое будет тормозить бомбардирующие мишень ионы. Распыление мишени очень быстро прекратится. Для распыления диэлектрической мишени необходимо между анодом и катодом-мишенью подавать переменное напряжение. В этом случае мишень поочередно будет обрабатываться потоками электронов и положительно заряженных ионов. При отрицательном потенциале на мишени будет происходить ее распыление ионами, а при положительном потенциале – нейтрализация заряда потоком электронов. Это в принципе позволяет распылять мишени из диэлектрических материалов, однако эффективность такого метода распыления будет невысокой.

Эффективность распыления можно значительно повысить, если между анодом и катодом-мишенью подать переменное напряжение частотой порядка 10 МГц (обычно используют частоту 13,56 МГц, разрешенную для технологических установок, работающих в этом частотном диапазоне). Повышение эффективности при высокочастотном распылении объясняется следующим образом. Масса электронов значительно меньше массы ионов. Поэтому, обладая значительно большей подвижностью, электроны успевают следовать за быстроменяющимся полем, переходя с одного электрода на другой. Ионы, будучи гораздо менее подвижными, не успевают заметно перемещаться в межэлектродном пространстве, в результате чего там образуется объемный положительный заряд ионов. Кроме того, количество электронов, поступающих на мишень за полпериода, значительно превышает то количество, которое необходимо для нейтрализации заряда ионов на мишени. В результате на диэлектрической мишени скапливается отрицательный заряд электронов. Все это приводит к появлению в межэлектродном пространстве дополнительного электрического поля, которое способно ускорить часть ионов до больших энергий, что и увеличивает эффективность распыления мишени.

Следует отметить еще одно важное обстоятельство. В условиях высокочастотного разряда заряженные частицы (электроны и ионы) совершают колебательное движение с некоторой амплитудой А. Если расстояние между электродами превышает амплитуду А, то на электроды поступают только те частицы, которые находятся от электрода на расстоянии, не превышающем А. При этом существенно, что в средней части разряда электроны совершают осциллирующие движения, эффективно ионизируя газ, поэтому высокочастотный разряд может существовать при более низких давлениях, и надобность в сложной трехэлектродной системы отпадает. Благодаря пониженному давлению в газоразрядной камере, высокочастотные системы с успехом используют для распыления не только диэлектрических мишеней, но и мишеней из металлов и полупроводников.

При реактивном распылении в газоразрядную камеру наряду с рабочим газом (обычно аргоном) добавляется небольшое количество реакционного активного газа (кислорода, азота и др.), в результате чего на подложке образуется пленка из химического соединения, образованного атомами мишени и активного газа. Если, например, мишень изготовлена из алюминия, а в качестве активного газа используется кислород, то на подложке получается пленка из оксида алюминия, если же в камеру добавляется азот, то получится пленка из нитрида алюминия. Кроме оксидных и нитридных пленок, данным способом можно получать карбидные и сульфидные пленки, добавляя в камеру соответственно метан СН4 или пары серы. Для получения химического соединения необходимо строго определенное парциальное давление активного газа, зависящее от материала мишени. Поэтому чаще получаются не химические соединения, а твердые растворы. На основе одной мишени из какого-либо металла и различных активных газов можно получать широкую гамму свойств осаждаемых пленок – от проводящих и низкоомных резистивных до высокоомных резистивных и диэлектрических.

Использовать реактивное распыление взамен непосредственного распыления мишени из химического соединения целесообразно тогда, когда коэффициент распыления данного химического соединения (оксида, нитрида и так далее) низкий, либо тогда, когда технологически трудно изготовить массивную мишень из этого соединения. Кроме того, реактивное распыление создает условия для гибкого управления свойствами пленок при создании многослойных структур (например, пленочных конденсаторов).

В общем случае процесс осаждения пленок при реактивном распылении обусловлен тремя механизмами, действующими параллельно:

-образование химического соединения на поверхности мишени и его распыление;

-образование химического соединения в пролетном пространстве "мишень - подложка" и осаждение его на подложку;

-взаимодействие осажденных на подложке атомов мишени с атомами активного газа.

В условиях невысокого давления газа в камере вероятность второго механизма весьма мала и его вклад в общий процесс формирования пленки на подложке незначителен. Что касается соотношения вкладов первого и второго механизмов, то это зависит от условий распыления, а именно, от рода материала мишени и от рода активного газа, от общего давления газовой смеси в камере и от парциального давления активного газа; от расстояния между мишенью и подложкой. На практике часто уменьшение парциального давления газа при прочих равных условиях увеличивает вероятность образования соединения непосредственно на подложке. В большинстве случаев необходимые реакции полностью протекают при содержании активного газа в газовой смеси (аргон + активный газ) порядка единиц процентов.

Процесс распыления также характеризуется скоростью распыления ν, определяемой по толщине слоя вещества, удаляемого в единицу времени:

где М2 – молярная масса мишени, j1 – плотность тока ионов, S - коэффициент распыления, ρ - плотность вещества мишени. Плотность потока ионов, создаваемая источниками ионов, изменяется в широких пределах от 10-6 до 0,1 А/см2. Коэффициент распыления может изменяться в пределах 10-4 – 10. Подставляя эти значения в формулу, получаем, что метод ионно-плазменного распыления позволяет обрабатывать любые твердые материалы со скоростью 10-14-10-4 см/с.

К преимуществам метода ионно - плазменного распыления можно отнести:

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

2. Мишень представляет собой длительно не заменяемый источник материала (при толщине пластины 3 мм смена производиться один раз в месяц при двухсменной работе), что облегчает автоматизацию, повышает однородность процесса;

3. Обеспечивается высокая адгезия пленки к подложке благодаря большой энергии конденсирующихся атомов;

4. Получение пленок из тугоплавких металлов протекает без перегрева вакуумной камеры;

5. Возможно получение окисных, нитридных и других пленок, в том числе легированных, в результате химических реакций атомов распыляемого металла с вводимыми в камеру газами;

6. Можно проводить окисление плазменным анодированием;

7. Можно получать органические пленки.

8. Потери материала минимизированы, т.к. весь процесс происходит в геометрическом промежутке мишень-подложка, исключая объем камеры, как это имеет место в методе ТВН.

 


Дата добавления: 2015-12-08; просмотров: 233 | Нарушение авторских прав



mybiblioteka.su - 2015-2024 год. (0.013 сек.)