Берлин Е. - Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких плёнок, страница 8

Появление пробоев связано с накоплением заряда на поверхности мишени, частично покрытой слоем диэлектрика. Для решения этой проблемы широко применяются среднечастотные источники питания (СЧ ИП). В этой главе рассмотрим причины пробоев, способы их подавления и особенности процесса реактивного распыления при использовании СЧ ИП. 5.1. Причины пробоев на катоде при реактивном магнетронном распылении Проблема пробоев (образования дуг) при магнетронном разряде, хотя она имеет место и при нереактивном разряде, резко усилилась при реактивном распылении. В процессе реактивного ионного распыления на поверхности мишени из-за взаимодействия с ней атомов и ионов реактивного газа образуется слой диэлектрика.

При бомбардировке его положительными ионами из плазмы разряда на его поверхности скапливается положительный заряд, который притягивает электроны из мишени, образуя в диэлектрике сильное электрическое поле [1 [. Так образуется конденсатор. Напряжение на конденсаторе растет со временем и в пределе может сравняться с напряже- нием ИП. Так как разность потенциалов между мишенью и плазмой задана источником питания, то разность потенциалов между плазмой и поверхностью диэлектрика стремится к нулю.

И тогда распыление диэлектрика прекращается. На практике распыление не прекращается, так как заряд на диэлектрике не накапливается до такой степени. Заряд с поверхности диэлектрика сбрасывается при пробоях диэлектрика. Например, в работе [6[ был проведен оценочный расчет для процесса получения 510г Если на слое диэлектрика толщиной 100 нм падает полное напряжение источника питания 700 В, то это создаст в нем электрическое поле с напряженностью 7 1О' В/м, которая на порядок выше напряженности пробивного поля для 510, — Е,=7 10' В/м.

В такой ситуации будут иметь место многочисленные пробои, которые обычно называют микропробои. В той же работе показано, что слой соединения, обладающий заметной проводимостью, не накапливает заряд и не создает пробои. Это подтверждено экспериментально в процессах получения пленок проводящих соединений ЬпО,, УпО и 1п,Ог Диэлектрики с очень низкой проводимостью, менее 10 " (Ом см) ', и высокими пробивными напряженностями, такие как А1 О, А[Н, г В,Хе В10, и Та,О„хорошо накапливают заряд.

Если напряженность поля в диэлектрике превысит пробивную напряжен ность диэлектрика — Е, то имеют место микропробои слоя диэлектрика на поверхности мишени. Интервал между микропробоями1 определяется временем накапливания заряда и равен [1[: е..е Е Е„ «Р (5.1) где е, и е — диэлектрические проницаемости вакуума и диэлектрика; 1 — плотность тока положительных ионов на мишень.

Из формулы (5.1) можно сделать несколько выводов. Первый: при заданной плотности ионного тока количество микропробоев не зависит от толщины диэлектрика. Это связано с тем, что с одной стороны, чем меньше его толщина, тем ниже потенциал пробоя, но с другой стороны соответственно выше емкость конденсатора, образованного этим диэлектриком, и из-за этого ниже скорость роста потенциала. В результате микропробой диэлектрика происходит одновременно на участках с разной толщиной диэлектрика, если плотность ионного тока на ннх одинакова.

Второй вывод: для снижения ~~~44 суасть 1. Гаага 5. Процесс реактиеного магнетронного расныаеннн ( 5.1.Ф нй н р ~ р р 45~) количества микропробоев целесообразно снижать плотность тока на мишень, то есть при заданном токе разряда делать зону эрозии больших размеров. Можно оценить частоту возникновения микропробоев Г на ми- "Р шени алюминия при получении А1,0, [1], для которого Е„,=!.10' В/м и в=10, а типичная плотность тока 450 А/м'. 1 — — — = 50 кГц.

с. е Е (5.2) Этот оценочный расчет подтверждается тем, что микропробои гасятся при использовании среднечастотного (40-50 кГц) ИП [2 — 3, 9 — 10, 23]. Иногда микропробои перерастают в дуговые разряды между мишенью и плазмой или заземленными экранами [2]. Это происходит, если из-за микропробоя на поверхности катода возникает горячее катодное пятно диаметром около 10 мкм [7]. Температура в пятне повышается настолько, что поддерживает высокий ток термоэлектронной эмиссии из катода с типичной плотностью тока 1 10" А/м'.

Во время дугового пробоя импеданс разряда резко снижается, ток резко возрастает, а напряжение разряда падает до 80 — 120 В. В это время из-за наличия магнитного поля дуга может передвигаться по поверхности катода, оставляя след. Возникший дуговой разряд будет существовать, пока работает ИП. Разряд прекращается только после отключения питающего напряжения. Величина энергии, выделяемой локально в дуговом пробое, определяется электрическими параметрами дуги и свойствами ИП. Даже если предусмотрены специальные электронные схемы снятия напряжения питания при пробое, то отключение в тиристорных ИП происходит только после истечения половины периода (10 мс). Поэтому в тиристорном ИП длительность дуги 5 — 10 мс, следовательно, энергия пробоя будет 20 — 200 Дж.

Такой энергии достаточно для локального испарения некоторого количества материала катода, которое осядет в виде пятна на подложке, или возможно даже образование микрокапель или микрочастиц и перенос их на подложку с образованием дефектов в растушей пленке [22]. В среднечастотном ИП длительность дуги не превышает 10 — 50 мкс (в зависимости от частоты).

Энергия пробоя в этом случае будет всего 20 — 1000 мДж. Это на два-три порядка меньше, чем в обычном сое г 2 (5.3) Для возникновения катодного пятна необходима критическая плотность энергии%„. Через нее определим необходимую минимальную толщину диэлектрика: 2 И', е, еЕ'м (5.4) Таким образом, мы видим, что для перерастания микропробоя в дуговой пробой необходима минимальная толщина диэлектрика, которая зависит только от свойств самого диэлектрика. Возможно, этим объясняется заметная разница в количестве дуговых пробоев в реактивном магнетронном процессе получения различных диэлектриков. тиристорном ИП. Следовательно, все возможные дефекты в пленке, связанные с пробоями, будут проявляться во столько же раз меньше.

Предыдущие оценки были сделаны в предположении, что плотность тока и толшина диэлектрика одинаковы по плошади мишени, что лля магнетронов не верно. Для магнетронов характерно неравномерное распределение тока и диэлектрика по площади мишени. При получении окислов центральная часть зона эрозии обычно свободна от диэлектрика. По мере удаления от края свободной части зоны эрозии толщина слоя диэлектрика возрастает, а плотность ионного тока снижается. У границы зоны эрозии толшина диэлектрика близка к нулю, там же на него приходится максимальная плотность ионного тока. Поэтому в диэлектрике у границы с поверхностью открытого металла в зоне эрозии резко возрастает напряженность электрического поля [1, 4] и, соответственно, количество микропробоев.

Поэтому именно этот сравнительно небольшой по плошади участок авторы работ [1, 4] считают ответственным за пробои. Но мы придерживаемся другого мнения. Дело атом, что частота возникновения микропробоев Г, на много порядков превышает частоту возникновения дуговых пробоев на мишени [! — 2]. То есть дуга, хотя и провоцируется микропробоем, но не каждым, а только таким, в котором реализуется достаточная плотность энергии для образования горячего катодного пятна на мишени. Плотность энергии микропробоя диэлектрика можно оценить по формуле: ~~~6 ч 1.Г 5.ч ~ р у ЮГПЬ ца г, ~ СЧИП 47) Из-за большой неравномерности плотности тока по поверхности мишени в магиетроииом источнике достаточная толщина диэлектрика будет иметь место ие вблизи краев свободной части зоны эрозии, а поодаль от нее.

И, несмотря на то, что количество микропробоев там ниже, вероятность перерастания их в дуговые пробои значительно выше. Поэтому именно там, по нашему мнению, имеет место большинство дуг. 5.2. Подавление пробоев на катоде с помощью импульсного СЧ ИП Как было показано выше, причиной микропробоев является положительный заряд, иакапливаемый иа поверхности диэлектрика.

Для устранения микропробоев необходимо ие допускать его накапливания и периодически устранять этот заряд. Устраняют заряд, привлекая электроны из плазмы разряда с помощью периодической паузы в распылении (уииполяриое импульсное распыление) или периодической подачи иа мишень кратковременных положительных импульсов (двуполяриое импульсное распыление). Критическая минимальная частота импульсов, необходимая для исключения микропробоев !', определяется по формуле (5.2). Критическая частота растет с ростом тока в соответствии с формулой (5.