Берлин Е. - Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких плёнок, страница 5

Энергия вторичных ионов в зависимости от конструкции магнетрона и подложкодержателя может составлять 30 — 50 эВ/ион Плотность ионного тока на подложку зависит только от концентрации вторичной плазмы в области подложки, а она, в свою очередь, зависит от !ь26 ««»»«Г «41 р«»««»««аа» ».2с» 6 « ~«ц гя» ф Н Рвс. 32. Удельная тепловая энергия, рассеиваемая иа подложке при электронно-лучевом испарении (диаметр тигля 5 см) различных металлов. Горизонтальными линиями показаны средние значения энергии при распылении тех же материалов в магиетронной системе. г » мощности магнетронного разряда и конфигурации и напряженности магнитного поля магнетрона.

Магнетроны условно подразделяются на «сбалансированные» и «разбалансированные» с разной степенью разбалансированности. Эту степень разбалансированности можно характеризовать отношением плотности тока вторичных ионов на подложку к плотности потока падающих на нее распыленных атомов.

От степени разбалансированности магнетрона зависит и крутизна вольтамперной характеристики разряда, и термическая нагрузка на полложки, и во многих случаях, качество и структура напыляемых пленок. Сравнение этих результатов с данными, полученными для метода термического испарения в вакууме, показывает (рис. 3.2), что при сравнительно низких скоростях испарения последний характеризуетсяя более высокой тепловой энергией на подложку. Это объясняется тем, что в данном случае основным источником нагрева подложки является радиационное излучение с поверхности расплавленного материала. Однако при высоких скоростях испарения начинает преобладать нагрев за счет энергии конденсации. 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 сис- темы для нанесения пленок на подложки из материала с низкой термостойкостью (пластики, полимеры, оргстекло и бумагу). Основные рабочие параметры 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 пленок. Магнетронные системы относятся к низковольтным системам распыления. Напряжение питания постоянного тока не превышает 700 — 800 В. Однако, для удобства поджига разряда, особенно при низких давлениях, применяется «поджигающее» напряжение, которое составляет обычно от 1200 до ! 350 В. Источник «поджигающего» напряжения имеет круто падающую вольтамперную характеристику и при токе магнетрона более 100 — 200 мА напряжение на разряде становится «рабочим». Рабочее напряжение обычно составляет 300 †7 В,причем на мишень подается отрицательный потенциал, а анод обычно имеет нулевой потенциал.

Однако в магнетронных системах с плоским катодом для более полного улавливания вторичных электронов рекомендуетсяя на анод подавать небольшое положительное смещение (40— 50 В). В некоторых системах предусматривается подача отрицательного напряжения смещения на подложку (до 100 В) для реализации осаждения со смещением. 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 мишени очень велика и для систем с плоским катодом может достигать — 200 мА/см', причем максимальные плотности тока в центральной части зоны распыления могут быть значительно выше.

Значения удельной мощности вмделяемой на поверхности мишени засчет ионной бомбардировки в магнетронных системах с плоским катодом— !00 Вт/см'и выше. Предельно допустимая мощность определяется условиями охлаждения мишени и теплопроводностью распыляемого материала. Магнетронная распылительная система может работать в диапазоне давлений от 10' до 1 Па и выше. Важнейшими параметрами, во многом определяющими характер разряда в ней, являются геомет- ~2В ~ ааю амау в юанем м рия и величина магнитного поля, индукция которого у поверхности мишени 0,03 — 0,1 Т. Одной из основных характеристик разряда является вольтамперная характеристика (ВАХ). Существенное влияние на нее оказывают рабочее давление и индукция магнитного поля.

С уменьшением рабочего давления ВАХ сдвигаются в область больших рабочих напряжений и приближаются к линейной зависимости. Аналогичным образом влияет и индукция магнитного поля. На ВАХ разряда влияют также материал мишени и ее форма, которая видоизменяется 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 давления. В этом случае определяющим является не только геометрический фактор, но и переход зоны разряда в область более сильного магнитного поля по мере распыления мишени.

Эффективность работы магнетронной распылительной системы зависит от правильного выбора рабочих параметров процесса, а стабильность этих параметров определяет постоянство скорости осаждения пленки и воспроизводимость свойств получаемых пленок. В реактивных процессах параметры процесса влияют друг на друга, и эта взаимосвязь имеет довольно сложный вид. Эта взаимосвязь будет описана в главах 9-11.

Существенно более простая ситуация в не реактивных процессах, использующих в качестве рабочего газа инертный газ, чаще всего аргон. Там необходимая скорость осаждения пленки в магнетронной системе с достаточной точностью может поддерживаться за счет постоянства подводимой мощности. Эту функцию (стабилизацию мощности) может выполнять источник питания, благодаря чему управление конечной толщиной пленки достигается, если задается время осаждения. Однако можно управлять ростом пленки и с помощью прямых методов контроля, например, с помощью кварцевого датчика, поскольку плазма в магнетронной системе локализована и не воздействует на датчик. Как показывает практика, для обеспечения воспроизводимости и стабильности процесса нанесения пленки мощность разряда необходимо поддерживать с точностью +2% При этом рабочее давление должно быть постоянным (отклонение не должно превышать +5%).

з.2.а ~ ~ е 1 29) 3.2 Особенности вакуумной откачки магнетронных установок Основными видами откачных средств, используемых в установках с магнетронными распьшительными системами, являются диффузионные, турбомолекулярные и криогенные насосы. При переходе от режима высоковакуумной откачки (р=10'-1О' Па) к режиму распыления (р=0,3 Па) существенное значение имеет правильный выбор места дросселирования газового потока (снижение скорости откачки) с целью снижения газовой нагрузки на откачную систему или, как в случае с диффузионными насосами, сохранение состояния насоса в режиме постоянной скорости откачки. Дросселирование необходимо и для снижения потока газов, поступающих в форвакуумный насос, который «захлебывается» этим потоком. Из-за чего давление на его входе возрастает, что роковым образом сказывается на работе диффузионного насоса.

Иногда дросселирование производится частичным перекрытием затвора, расположенного над азотной ловушкой. Однако такое дросселирование нерационально, поскольку вызывает увеличение концентрации загрязняющих примесей. Так, если при полностью открытом затворе эффективная скорость откачки равна 5, а затем при его частичном перекрытии становится Бю, то одновременно в Я /5ю раз возрастает давление загрязняющих примесей в рабочем объеме установки, что в ряде случаев недопустимо. Поэтому дросселирование потока рекомендуется производить ниже азотной ловушки, что позволяет сохранить скорость откачки паров воды (которые являются основной компонентой остаточной среды в не прогреваемых установках) на прежнем уровне и тем самым снизить давление загрязняющих примесей в 15- 20 раз.

При этом время высоковакуумной откачки рабочего объема установки за счет постоянного дросселирования газового потока увеличивается незначительно (примерно в 1,5 раза). В последние годы для откачки в установках с магнстронными системами все шире начинают применяться турбомолекулярные насосы, характерной особенностью которых является стабильная скорость откачки в широком интервале давлений (от 10 ' до 10 ' Па). Однако для этих насосов характерна избирательность откачки, в частности у них низок коэффициент компрессии по легким газам, в первую очередь по водороду, что ограничивает возможность достижения высокого вакуума.