Лабораторная работа 1 магнетронное осаждение проводящих покрытий свч устройств Цель работы

1. Ознакомиться с методом магнетронного распыления для получения тонких металлических пленок в технологии микроэлектроники.

2. Получить практические навыки работы на технологическом и лабораторном оборудовании, позволяющем получать тонкие пленки металлов на различных подложках.

Основные положения

В настоящее время в производстве различных СВЧ приборов и устройств широко используются тонкие металлические и диэлектрические пленки . Металлические пленки применяют для изготовления тонкопленочных резисторов и конденсаторов, коммутационных элементов и контактных площадок, омических контактов, разводки и т.п. В зависимости от назначения элементов используют как пленки из платины, золота, серебра, никеля, хрома, меди, алюминия, титана, молибдена, так и многослойные пленочные структуры.

Наибольшее распространение получили следующие методы нанесения тонких пленок:

- термическое испарение материалов в вакууме (резистивным и высокочастотным нагревом, нагревом электронным лучом или лазером);

- ионное распыление (катодное, ионно-плазменное или магнетронное) и - ионно-термическое испарение.

Катодное, ионно-плазменное и магнетронное распыление существенно отличаются от термического испарения. Катодное распыление материалов происходит при давлении от 1 до 10² Па, скорость роста пленки меньше, чем при термическом испарении и она формируется в газовом разряде.

Катодное распыление основано на том, что поток положительно заряженных ионов рабочего газа (например, аргона), получивших энергию от сотен электронвольт до единиц килоэлектронвольт, направляют на мишень, выполненную из распыляемого вещества. Ионной бомбардировкой из мишени выбиваются частицы вещества, которые оседают на подложке в виде тонкой пленки. В зависимости от способов ионизации газа, т.е. создания плазмы и распыления мишени, ионные источники подразделяют на диодные, триодные и магнетронные.

В диодных источниках поток электронов, необходимый для ионизации рабочего газа, образуется в результате автоэлектронной эмиссии. В таких источниках бомбардируемая ионами газа мишень одновременно является катодом и поэтому называется катодом-мишенью. Осаждение вещества происходит на подложку, располагаемую на аноде. Если распыляемая мишень металлическая, то распыление ведется при постоянном токе, а если диэлектрическая, - при переменном. Во втором случае при отрицательной полярности мишень распыляется, а при положительной с нее снимается накопленный отрицательный заряд. Диодные системы (рисунок 1.2,а) наиболее просты и состоят из катода-мишени 1, анода 3 и подложки 2, размещенных в рабочей камере, в которой первоначально создается вакуум 10^-3-10^-4 Па; затем в камеру напускается инертный газ до давления 1,3-13 Па. При подаче на электроды напряжения 1-5 кВ электроны с катода-мишени устремляются в сторону анода, ионизируя инертный газ, в результате чего возникает тлеющий разряд и образуется плазма. Схема ионизации рабочего газа выглядит следующим образом: Ar + e- → Ar+ + 2e-. Положительные ионы плазмы, ускоряясь в электрическом поле, устремляются к катоду-мишени, бомбардируют и распыляют ее.

1-катод-мишень, 2-подложка, 3-анод, 4-термокатод.

Рисунок 1.2 – Ионные источники испарения: а – диодный, б – триодный;

В триодных источниках, называемых также ионно-плазменными (рисунок 1.2,б), третий электрод выполняет функцию термоэмиссионного катода, увеличивая концентрацию электронов, а, следовательно, и ионизированных атомов рабочего газа (аргона). Причем увеличение количества ионов аргона возможно при уменьшении его давления до 10^-1-10^-2 Па, что обеспечивает нанесение пленок, не загрязненных посторонними примесями. Кроме того, наличие термокатода позволяет приблизить мишень к подложке, что увеличивает скорость нанесения пленки .

Как и в диодных источниках, рабочую камеру предварительно откачивают до давления около 10^-4 Па. Напускают аргон до давления в рабочей камере порядка 10^-1-10^-2 Па, затем подают ток накала на вольфрамовый термокатод, который разогревается до температуры возникновения термоэлектронного тока высокой плотности. Напряжение между раскаленным термокатодом и анодом равно 200 В. Электроны, испускаемые термокатодом, ионизируют молекулы аргона, которые после подачи отрицательного потенциала на катод-мишень (3-5 кВ), вытягиваясь из плазмы, бомбардируют и распыляют ее поверхность.

Особенностью триодных источников распыления является безынерционность: распыление после снятия потенциала с катода-мишени мгновенно прекращается. Так как энергия ионов, распыляющих мишень, очень велика, в разрядной камере и на мишени выделяется большое количество теплоты. Поэтому такие системы требуют охлаждения.

В магнетронных источниках (рисунок 1.3), выполненных на основе диодных систем, в разрядном промежутке одновременно с электрическим действует магнитное поле, что позволяет без увеличения концентрации электронов повысить плотность плазмы.

Действие магнетронного распылителя основано на распылении материала мишени-катода при его бомбардировке ионами рабочего газа, образующимися в плазме тлеющего разряда. Магнитная система предназначена для локализации плазмы у поверхности мишени – катода, она расположена под катодом и состоит из центрального и периферийных постоянных магнитов, расположенных на основании из магнитомягкого материала.

1-поток распыляемого вещества; 2-магнитная система

Рисунок 1.3 – Схема магнетронного распыления:

Рассмотрим поэтапно упрощенный процесс магнетронного распыления (МР) металлов. Первоначально происходит откачка вакуумной камеры до давления порядка 10^-4 Па. Затем напускается рабочий газ – аргон до давлений порядка 0.01-10 Па, добавление к нему кислорода, азота, диоксида углерода, сернистых газообразных соединений позволяет получить плёнки оксидов, нитритов, карбидов, сульфитов различных материалов. На следующем этапе к катоду (мишени) прикладывается постоянное отрицательное напряжение порядка 500-1000 В. Стоит отметить, что концентрация заряженных частиц (электронов, ионов) в некотором объеме всегда отлична от нуля. В результате свободные электроны под действием электрического поля ускоряются, приобретая энергию достаточную для ионизации нейтральных атомов рабочего газа. Отметим, что в некоторых магнетронных системах для понижения напряжения возникновения разряда могут использоваться дополнительные источники электронов, например, за счет автоэлектронной и термоэлектронной эмиссий.

На электроны, движущиеся от катода, действует магнитное поле . В области, в которой магнитное поле перпендикулярно электрическому, траектория электронов изменяется. Электроны движутся по спиралям в области прикатодного пространства, при этом значительно увеличивается длина траектории, а следовательно и энергия электронов, что повышает вероятность их столкновения с молекулами рабочего газа, кроме того изменение траектории приводит к увеличению концентрации электронов, а следовательно к увеличению концентрации ионов. В результате при давлении 10^-1-10^-2 Па создается достаточно высокая концентрация ионов газа, которые движутся к катоду-мишени, бомбардируя ее и распыляя с большой интенсивностью. Поток распыляемого вещества устремляется к подложке и осаждается на ней в виде пленки.

Таким образом, процесс ионного распыления, можно разделить на ряд последовательных стадий (рисунок 1.4):

• формирование потока частиц, бомбардирующих мишень,

• физическое распыление композитной мишени,

• перенос распыленного потока от мишени к подложке,

• адсорбция, конденсация, формирование пленки.

Обозначения областей: I - темное катодное пространство (ТКП); II - область термализации (ОТ); и III- область диффузионного распространения распыленных частиц (ОДР)

Рисунок 1.4 – Модельное изображение пространства мишень - подложка в методе ионно-плазменного распыления

Формирование потока заряженных и ускоренных частиц, бомбардирующих мишень, происходит в области темного катодного пространства (ТКП) тлеющего разряда (I область на рисунке 1.3). Энергетический спектр потока ионов в системах ИПР определяется процессом резонансной перезарядки. В результате передачи электрического заряда от вытянутого из плазмы иона, ускорившегося в ТКП, к нейтральному атому рабочего газа появляются атом с высокой энергией и ион с энергией порядка kT_A (T_A - температура рабочего газа). Образовавшийся атом имеет энергию и импульс первичного иона, а вновь образовавшийся ион начинает ускоряться в поле ТКП. Поскольку координата точки перезарядки частиц меняется произвольно в ТКП, то мишень подвергается бомбардировке ионами и атомами различной энергии.

Процесс физического распыления протекает на поверхности мишени под воздействием потока частиц (ионов и атомов). Характеризует этот процесс коэффициент распыления, который определяет число атомов вещества, выбитых одним ионом. В случае многокомпонентного состава мишени различают парциальный и эффективный (интегральный) коэффициент распыления, соответствующий процессу распыления посредством моноэнергетического ионного пучка. В свою очередь коэффициент распыления зависит от энергии и природы бомбардирующего иона, природы распыляемого вещества, типа его строения, а также определяется плотностью ионного тока, температурой и состоянием поверхности мишени. Интегральная плотность потока распыленных частиц определяется через коэффициент распыления. Стоит отметить, что распределение частиц по энергии определяется по модели Томпсона , из которой следует, что для мишени титаната бария стронция (Ba_xSr_1-xTiO₃) при бомбардировке ионами аргона с энергией 5 кэВ максимуму функции распределения соответствует значение 0,5E_св. Линейное нарастание количества частиц с малой энергией при E < 0,5E_св переходит в уменьшение их количества согласно зависимости E^-2 при высоких энергиях.

Перенос распыленного потока от мишени к подложке включает следующие физические процессы: образование распыленного потока частиц на поверхности мишени, упругое рассеяние на атомах рабочего газа (области I и II) и диффузионное распространение распыленного потока (III). В области I и II, рассматриваются столкновительные процессы в модели жестких сфер, согласно которой происходят упругие столкновения, то есть без изменения внутренней энергии системы. В результате столкновения атомов, вырванных из поверхности мишени, и медленных атомов рабочего газа, происходит перераспределение энергии. В конечном счете, энергия атомов распыляемого вещества сравнивается с энергиями атомов рабочего газа. Максимальная длина, на которой происходит термализация (выравнивание энергий распыляемых атомов и атомов рабочего газа), определяет границы зоны термализации (X_т). В области III распространение атомов распыленного вещества происходит за счет диффузии. Именно в этой области необходимо расположить подложку для уменьшения энергетического воздействия на нее высокоэнергитичных нейтральных атомов. Существует несколько способов уменьшения деградирующего воздействия такого потока на растущую пленку. Один из способов – это повышение давления рабочего газа (в пределах 10^-2-10 Па) в процессе осаждения, при котором за счет столкновений с атомами газа происходит термализация частиц в пространстве дрейфа "мишень – подложка". Однако в случае увеличения давления рабочего газа увеличивается поток посторонних примесей на подложку. Таким образом, подложку необходимо размещать на границе зоны термализации.

На заключительном этапе происходит осаждение и конденсация потока атомов, достигших поверхности подложки, в результате чего формируется пленка.

Достоинствами магнетронных систем, используемых для распыления металлов, полупроводников и диэлектриков, являются: низкое рабочее давление, позволяющее уменьшить количество газовых включений в осаждаемой пленке; высокая скорость нанесения пленки; надежность и стабильность параметров напылительной системы; широкий диапазон толщин пленок при их высокой адгезии и однородности.

Схема установки магнетронного распыления металлов приведена на рисунке 1.5.

Рассмотрим подробнее порядок работы с установкой магнетронного распыления.

1. Открыть воду.

2. Включить управляющий компьютер, для этого внутри шкафа управления включить источник бесперебойного питания.

3. На стойке управления включить кнопки «сеть» и «пуск».

4. На рабочем столе компьютера запустить программу «imp 7p vl4».

5. Включить форвакуумный насос NL, щелкнув на нем левой клавишей мыши.

6. Открыть форвакуумный вентиль на магистрали к турбомолекулярному насосу VE2 (откачать форвакуумную магистраль).

7. Включить турбомолекулярный насос (ND/NT), откачивать 10-15 мин. пока значок ND/NT в программе не станет зеленым.

Условные обозначения: вакуумная камера (VC), два магнетрона в которых установлены керамические мишени БСТ, датчики давления (P1, P2, PG) турбомолекулярный насос (ND), форвакуумный насос (NL), вакуумные вентили (VE2, VE3, VE4) и пьезо-натекатели (ZQ1 и ZQ2).

Рисунок 1.5 – Блок-схема установки магнетронного распыления

8. Открыть вентиль VE1 и напустить воздух в вакуумную камеру, открыть дверцу.

9. Подготовить подложки для напыления.

10. Установить и закрепить подложки на подложкодержателе.

11. Закрыть камеру.

12. Откачать вакуумную камеру (VC) до давления 10 Па, для этого закрыть вентиль VE2 и открыть вентиль VE3 на вакуумной магистрали к камере.

13. Откачать вакуумную камеру (VC) при помощи турбомолекулярного насоса до высокого вакуума (10^-3-10^-4 Па), для этого закрыть вентиль VE3, затем последовательно открыть вентили VE2 и VE4.

14. В рабочей программе включить «Нагрев подложки», для этого на стойке управления нажать кнопку «Нагрев», затем на вкладке БР+РИ в меню "Блок распределительный" в пункте " Ток нагрева подложки" выставить значение 200 ед.

15. Провести предварительный прогрев подложек и откачку в течение 30 мин.

16. Открыть вентиль баллона с аргоном (2.5 а.т.м.).

17. Открыть пьезонатекатель ZQ1, для этого щелкнуть на значке ZQ1 и на вкладке RF/DC + БУ в пункте "Блок управление" выставить значение напряжения на пьезонатекателе, первоначально, 160 ед., затем прикрыть клапан VE4, щелкнув на него правой клавишей мыши и выставив значение "Дросселирование" 60%. Плавно изменяя значения напряжения на пьезонатекателе, добиться давления в камере 5 - 6 Па.

18. На стойке управления включить "Блок питания магнетронный ДС".

19. В компьютерной программе на вкладке RF/DC + БУ, в пункте "Управление DC" установить ток магнетрона 100 ед.

20. Провести процесс напыления длительностью 2 мин.

21. Записать все параметры технологического режима.

22. В компьютерной программе на вкладке RF/DC + БУ, в пункте "Управление DC" установить ток магнетрона 0 ед.

23. Закрыть натекатель ZQ1, для этого и на вкладке RF/DC + БУ в пункте "Блок управление" выставить значение напряжения на пьезонатекателе 0 ед., далее щелкнуть на значке ZQ1 левой кнопкой мыши.

24. Постепенно уменьшить ток нагрева подложки, для этого в рабочей программе перейти на вкладку БР+РИ в меню "Блок распределительный" в пункте " Ток нагрева подложки" выставить значение 150 ед., затем через 10 мин. – 100 ед., через 10 мин. – выключить, на стойке выключить нагрев подложки (кнопка «Нагрев»). Во время уменьшения тока нагрева подложки полностью открыть турбомолекулярный насос вентилем VE4, щелкнув на нем правой кнопкой мыши и выбрав "Открыть".

25. После выключения нагрева подложки закрыть турбомолекулярный насос вентилем VE4, щелкнув на нем правой кнопкой мыши и выбрав "Закрыть".

26. Закрыть баллон с газом.

27. На стойке управления выключить "Блок питания магнетронный ДС".

28. Выключить турбомолекулярный насос (ND-NT), щелкнув на нем левой кнопкой мыши.

29. Через 20 мин. после выключения турбомолекулярного насоса извлечь подложки из вакуумной камеры, для этого напустить в камеру воздух, щелкнув левой кнопкой мыши на значке WE1.

30. Закрыть вакуумную камеру, затем закрыть вентиль VE2, щелкнув на нем левой кнопкой мыши, аналогично открыть вентиль VE3 и откачать вакуумную камеру до давления 100 Па.

31. Закрыть вентиль VE3, щелкнув на нем левой кнопкой мыши, затем аналогично выключить форвакуумный насос NL.

32. Закрыть рабочую программу.

33. Выключить кнопку «Сеть».

34. Выключить источник бесперебойного питания, выключить компьютер

35. Закрыть воду.