Берлин Е. - Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких плёнок, страница 10

На самом деле их подвижности отличаются на несколько порядков (необходимо помнить, что поперек магнитных силовых линий подвижность ионов выше подвижности электронов, а вдоль линий — наоборот). Этим и объясняется такое сильное влияние конфигурации магнитного поля на работу магнетронных распылительных систем. Поэтому осциллограмма тока существенно отличается от осциллограммы напряжения.

В частности, наблюдается отставание по фазе тока разряда относительно приложенного напряжения. Оно тем более, чем больше мощность разряда и его рабочее давление [23]. 5~3 у СЧШ ~ й Д Те же причины приводят к тому, что при подаче на катод магнетрона импульсов прямоугольной формы, осциллограмма тока разряда отличается от осциллограммы напряжения.

Наиболее заметны следуюшие существенные отличия: падение тока во время положительного импульса и задержка его нарастания во время отрицательного импульса [9 — 1О, 12, 20[. Из-за этого при снижении давления аргона или длительности отрицательного импульса форма импульса тока изменяется от трапециидальной к треугольной [20]. 5.4. Влияние импульсного СЧ ИП на скорость осаждения пленки При переходе от распыления на постоянном токе к импульсному СЧ- распылению скорость распыления, как ожидается, должна снижаться. Это связано с двумя причинами: во-первых, часть периода распыление отсутствует [! 1, 20], и, во вторых, в начаче отрицательного импульса пока плазма не восстановилась, скорость распыления понижена.

Действительно, скорость осаждения прозрачных пленок А1,0, с коэффициентом преломления не менее 1,55, то есть примерно стехиометрических пленок, уменьшалась при увеличении частоты импульсов [10]. Объясняется это тем, что скорость осаждения в отрицательном импульсе достигает установившегося уровня только тогда, когда плазма полностью восстановится, то есть когда ток ионов и мошность разряда достигнут установившегося уровня. Время, затрачиваемое на восстановление плазмы, уменьшает эффективную ллительность отрицательного импульса и его эффективность, и тем больше, чем короче отрицательный импульс [20]. Поэтому при постоянном т, скорость осаждения снижается с ростом частоты (рис.

5.1) [10, 23]. Было показано [10, 20], что с уменьшением т, растет скорость осаждения. Это естественно, так как распыление приближается к режиму распыления на постоянном токе. Когда при постоянной частоте импульсов т, снижается, увеличиваются не только скорость осаждения, но и одновременно приложенная мощность. Причем для любой частоты скорость осаждения с точностью 10% прямо пропорциональна мощности разряда, определяемой как произведение энергии одного отрицательного импульса на частоту следования (рис. 5.1) [10, 20]. Такая зависимость обычно справедлива для всех случаев магнетронного распыления, реактивного и не реактивного. ~$2 О 1.ГО.Ц « 005 0 0 Г 081 ОЮ 0 012 ЮО ЮЮ «Ю «Ю Х 18 х$ 12 йз 10 а оо а Йй О« ОЮ 005 805 1ООО л рг ю * ОЧ ООО ИЮ 200 500 ооо о Оо оо Оо 02 о 05 100 150 200 210 «1 «Г 5.1. Скорость осаждения в зависимости от: а — частоты импульсов при различных длительностях импульсов обратной полярности, б — мощности, потребляемой разрядом при различных частотах, а — коэффициента нагрузки при различных частотах импульсов и длительностях импульсов обратной полярности в мкс.

Условия осаждения: ток катода 9 А, давление аргона 0,4 Па (10] 500 «, ООЮП ~ ° ЮД5 Рис. 5.2. Зависимости от частоты скорости осаждения пленки, отнесенной к: а — мощности, расхолуемой источником питания, при различных частотах импульсов или переменного тока; б — мощности, потребляемой разрядом, оцениваемой по площади импульса на экране осциллографа. Условия осаждения: ток катола 9 А, давление аргона 0,4 Па 110] В то же время эффективность осаждения, или удельная скорость осаждения, понимаемая как скорость осаждения, приходящаяся на единицу эффективной (поглощенной) мощности, практически не меняется при изменении т,.

Точно так же она не зависит от частоты импульсов (рис. 5.2) [10]. Это же справедливо лля распыления на синусоидальном переменном токе. Но эффективность для переменного тока в два раза меньше (рис. 5.2) ]1О], так как в этом случае половину периода распыление не происходит. Если же учитывать мощность, потребляемую разрядом только во время отрицательных (распыляющих) импульсов, то эффективность импульсного распыления и распыления на переменном токе оказываются одинаковыми (рис. 5.2) 110, 20].

'«5~ О 5.Г 5.»о 5 и 5 5550 5 ООИИ ~ д ф \5 Рис. 5.3. Скорость осаждения пленок окиси алюминия, и приходящаяся на 1 ампер тока разряда, в < 50 нм/мин/А в зависимости от коэффициента нагрузки [3] $ к Я ко тффиииоит ии»у о«и, % Рис. 5.4. Скорость осаждения пленок окиси алюминия, приходящаяся на 1 ампер тока разряда, в нм/мин/А в зависимости от параметров разряда [3] 15 50 50 55 ° 5О 50 и«0550 Ги А 50 ° ЯОИИИ ИОПВКЕЮО О И«555«А отч Кроме эффективной (поглощаемой) разрядом мощности при высоких частотах в цепях питания магнетрона присутствуют [21), так называемые, отраженная и циркулирующая мощности. Их появление связано с тем, что сопротивление магнетронного разряда имеет существенную емкостную составляющую.

Она увеличивается лри появлении на поверхности мишени диэлектрической пленки в реактивном процессе [21]. Изменения реактивных составляющих мощности очень чувствительны к изменениям параметров разряда, в особенности к изменению состояния поверхности мишени. Зто дает возможность, измеряя реактивную составляющую мощности, контролировать процесс и делать его стабильным [21). Обычно наблюдается прямая пропорциональносп между скоростью нанесения и коэффициентом нагрузки (рис. 5.3) [3, !О, 20].

Но при высоких частотах, как оказалось [! 1), при снижении коэффициента нагрузки до 60% скорость осаждения снижается только до 70% от скорости распыления на постоянном токе. То есть, существует и обратная тенденция увеличения скорости осаждения благодаря возникновению режима «предпочтительное распыление>, в котором распыление диэлектрика идет с повышенным коэффициентом распыления [14]. Режим «прелпочтительное распыление» заключается в следующем. Когда на мишень в цоложительном импульсе подается, например, +100 В, электроны из плазмы не только компенсируют положительный заряд ионов на поверхности диэлектрика, но и заряжают эту поверхность отрицательным зарядом.

В результате на поверхности диэлектрика относительно мишени образуется потенциал -100 В. При переключении напряжения на мишени на отрицательное, например, на -400 В, потенциал цоверхности диэлектрика относительно плазмы достигает— 500 В. Этим иовышенным потенциалом ионы аргона вытягиваются из нлазмы, ускоряются и бомбардируют диэлектрик, распыляя его более эффективно. Степень покрытия мишени уменьшается, а скорость распыления материала мишени возрастает. Чем выше амплитуда положительного импульса, тем больше скорость нанесения.

Так при увеличении амплитуды с 1О до 20% величины амплитуды отрицательного импульса, скорость возрастает в 1,5 раза (рис. 5.4). Величина положительного импульса должна быть достаточно высокой, чтобы сделать заметным режим «предпочтительное распыление», но не превышать величины, вызывающей распыление арматуры. Обычно используют амплитуду положительного импульса до 200 В [29]. ( 56 гавань 1. Глава з. Процесс реактивногомагаааронногорасанлениа 5.5.Рю ют р ь 5~ )г Точно также и длительность положительного импульса должна быть достаточной для перезарядки поверхности диэлектрика.

Так как отрицательный заряд компенсируется ионами за короткое время в начале отрицательного импульса, то предпочтительное распыление происходит только в это время в начале отрицательного импульса, и его эффективность заметно проявляется только на высоких частотах 80-150 кГц, когда длительность отрицательного импульса достаточно мала. Там она проявляется даже при образовании на поверхности мишени пленок проводящих соединений, таких как Т!Х, Та1Ч, 1ТО [14]. 5.5. Работа ИП при возникновении дуги Применение СЧ ИП не гарантирует полного исключения возникновение дуг в процессе распыления.

Поэтому в современных ИП применяют дополнительные специальные системы подавления возникающих дуг. Параметры таких систем, подавляюших отдельные дуги, обсуждаются в работах [31 — 34]. Общим способом подавления возникаюших дуг является снятие напряжения питания или резкая смена полярности питающего напряжения. Внеочередной реверсный импульс прерывает дугу и перезаряжает поверхность диэлектрика. Далее процесс продолжается обычным образом.

5.5.1. Способы обнаружения пробоя Возникшая дуга проявляется в возрастании тока и в резком падении напряжения разряда. На этом основаны основные способы ее обнаружения. Типичный предел падения напряжения устанавливается в диапазоне 50-150 В [22, 31]. Фиксация пробоя занимает не более 1 мкс. 5.5.2. Влияние времени задержки выключения ИП после пробоя на стабильность реактивного процесса напыления Казалось бы, что при возникновении дуги, чем быстрее среагирует зашита, тем лучше.

Действительно, за малое время существования дуги меньшая энергия локально действует на мишень и производит меньшие разрушения. Однако эксперимент [31, 34] не подтверждает этого. Для каждой пары материал мишени — реактивный газ существует оптимальное с точки зрения достижения минимального числа дуг время задержки выключения ИП в диапазоне 5-400 мкс.