Преимущества технологии

Таким образом, источники ВЧ плазмы на ТСР разряде обладают следующими преимуществами по сравнению с источниками плазмы других конструкций:

1. TCP разряду не нужны электроды (катод и анод), поэтому нет проблемы распыления их материалов. Кроме того, отсутствие металлических (а тем более накаливаемых) электродов позволяет источнику работать длительное время с химически активными газами.

2. TCP разряд удается зажигать при более низком давлении, чем разряд на постоянном токе.

3. Высокая концентрация плазмы (примерно 10¹² см^-3).

4. Низкий потенциал плазмы относительно изолированной подложки.

5. Возможно регулирование энергии ионов, бомбардирующих обрабатываемые подложки, изменением потенциала на подложкодержателе.

6. Высокая равномерность ионного тока на подложку большого диаметра.

7. Высокий КПД использования ВЧ мощности генератора, достигаемый за счет уменьшения рабочего объема плазмы и нерабочих поверхностей этого объема.

8. Достаточная простота конструкции антенны и удобство ее монтажа в рабочей камере установки.

9. Низкая «цена иона», то есть электрическая энергия генератора, затраченная на образование одного иона в установившемся разряде, всего 60-100 эВ/ион [11].

Экспериментальная часть Описание экспериментальной установки «Магнетрон»

Установка "Магнетрон" (НИЯУ МИФИ, Москва), представленная на рисунке 4, пред­назначена для нанесения покрытий методом физического осаждения их из плазмы магнетронного разряда.

Рис. 4. Внешний вид установки «Магнетрон»

На рисунке 5 представлена подробная схема основных элементов установки. Вакуум­ная камера (позиция 3), выполненная из нержавеющей стали, имеет цилиндрическую форму с восьмью выходами. Для откачки вакуумной системы используются два насоса: форвакуумный (НВР - 4.5Д) (позиция 13) и турбомолекулярный (Pfeiffer TPU 082) (позиция 10). Между насосами стоит адсорбционная ловушка (позиция 12) и проходной клапан (позиция 11). Ловушка позволяет минимизировать попадание паров масла из форвакуумного насоса в вакуумный объем камеры. Для измерения давления используется измерительная лампа Pfeiffer Inficon PKR (диапазон измерения давления: 5 • 10^-9 - 1000 мБар), сочетающая термо­парный и магнитный электроразрядный преобразователи (позиция 8). Для напуска рабочего газа и поддержания давления на необходимом уровне, установлена система плавной регули­ровки давления. Она включает в себя два баллона (с аргоном - позиция 19 и дейтерием - позиция 20) с редукторами и прецизионный натекатель (позиция 21). Все элементы систе­мы натекания выполнены из нержавеющей стали для повышения чистоты подаваемого газа. Между камерой и насосами установлен угловой клапан (позиция 9), при помощи которого можно дросселировать скорость откачки газа до нужного значения, а также изолировать камеру от насосов. Предельное остаточное давление в камере не менее 1 • 10^-5 мБар.

Рис. 5. Схема основных систем установки «Магнетрон»: 1 - область горения разряда; 2 - распыляемая мишень, лежащая на катоде; 3 - вакуумная камера; 4 - вакуумный ввод движения; 5 - электрические токовводы для подключения к термопаре, измеряющей темпе­ратуру образца; 6 - окошко; 7 - электрический токоввод для подачи напряжения смещения на образец; 8 - магнитный электроразрядный преобразователь; 9 - механический угловой клапан, соединяющий камеру и систему откачки; 10 - турбомолекулярный насос (ТМН); 11 - проходной клапан между ТМН и форвакуумным насосом; 12 - адсорбционная ловушка; 13 - форвакуумный насос; 14 - блок высоковольтного питания (БП100); 15 - лабораторный автотрансформатор регулируемый (ЛАТР); 16 - магнетронный узел; 17 - внешнее водяное охлаждение; 18 - вольтметр; 19 - баллон с аргоном и редуктор; 20 - баллон с дейтерием и редуктор; 21 - игольчатый натекатель; 22 - столик для крепления образца

Основным элементом установки является планарный магнетрон (позиция 16), который устанавливается на отдельном фланце и изолируется от камеры при помощи фторопласто­вого изолятора, который является также и вакуумным уплотнением. Для охлаждения катода в процессе облучения предусмотрено съемное водяное охлаждение (позиция 17). На катоде располагается мишень для распыления (позиция 2), которая прижимается к катоду при по­мощи кольца из нержавеющей стали, что улучшает ее контакт с поверхностью магнетрона, фиксирует ее положение и не дает ей перегреваться.

Магнетрон изготовлен по классической схеме [20] с постоянным кольцевым магнитом, рас­положенным под катодом, с магнитопроводом в его центре. Магнит создает поле арочного типа над поверхностью катода. Силовые линии электрического поля вблизи катода направ­лены по нормали к его поверхности. Анодом являются стенки вакуумной камеры (позиция 3). В качестве катода выступает вся магнетронная система в целом. После напуска рабочего газа при приложении напряжения между катодом и анодом происходит пробой газа. Элек­троны, дрейфуя в скрещенных полях вдоль силовых линий, ионизуют рабочий газ, а ионы ускоряются в электрическом поле к катоду. Разряд имеет форму кольца, прижатого к катоду в области, где электрическое поле и магнитное поле перпендикулярны.

Для измерения напряжения между анодом и катодом установлен вольтметр (позиция 18). В качестве источника высокого напряжения используется блок питания БП100 (позиция 14) совместно с лабораторным автотрансформатором регулируемым (ЛАТР) (позиция 15). Автотрансформатор необходим для регулировки выходного напряжения блока БП100. Для измерения общего тока разряда используется штатный стрелочный прибор блока питания БП100.

Для визуального наблюдения за процессом облучения на верхнем фланце установлено окошко (позиция 6). На том же фланце установлена система, позволяющая использовать установку для нанесения различных покрытий, а также облучать образцы за счет подачи на крепежный столик смещающего потенциала. Она включает в себя ввод движения (пози­ция 4), столик (позиция 22) и токоввод (позиция 7). В такой системе столик размещается на конце вакуумного ввода, что дает возможность передвигать его по вертикали, а также вра­щать. Столик изолирован от ввода движения при помощи керамического изолятора. Столик электрически связан с токовводом (позиция 11), что позволяет подавать на него смещаю­щий потенциал относительно заземленного корпуса. К столику также приварена термопара, присоединенная к токовводам (позиция 5), что позволяет измерять температуру образца. Об­разец, на который будет нанесено покрытие, может различными способами прикрепляться к столику.

Вся установка в целом установлена на передвижном стенде (на колесиках). Имеет соб­ственную выделенную систему электропитания (220/380 В) и защиту от коротких замыка­ний.

Процедура проведения экспериментов по осаждению защитных покрытий

Эксперименты по нанесению медных покрытий на алюминий проводились на установке магнетронного распыления МР-1.

Образец, изготавливаемый из промышленной конденсаторной алюминиевой фольги высокой чистоты в виде пластины 5 х 5 см., закреплялся на столике для образцов поверх мишени магнетронного узла. Поверх образца, около его края, прикреплялась полоска фольги размерами 5 х 0, 3 см. предназначенная для того, чтобы оставить небольшой участок фольги необлученным. Это дает возможность измерения толщины получившейся пленки (при помощи электронного микроскопа или профилометра). Вся поверхность камеры и крышка закрывались алюминиевой фольгой во избежание их запыления материалом мише­ни (рисунок 6). После этого камера закрывалась и откачивалась в течение 10-12 часов (перед началом эксперимента остаточный вакуум был порядка 1,2 • 10^-5 мБар).

Рис. 6. Внутреннее устройство вакуумной камеры

Перед началом облучения включалось водяное охлаждение катода, а скорость откачки камеры дросселировалась при помощи регулируемого углового клапана, который установлен между основной камерой и насосами (до установления давления в рабочей камере порядка 1 • 10^-4 мБар). При помощи системы газонапуска в камеру напускался аргон (чистотой 99,99 %).

Аргон напускался в рабочую камеру через систему газонапуска до установления рабочего дав­ления в рабочем объеме на уровне 1 • 10^-1 мБар. Такое высокое давление необходимо, во-первых для зажигания в камере тлеющего разряда между образцом и стенками камеры (образец выступает в качестве катода) при небольших напряжениях разряда (меньше 1000 В) и, во-вторых при повышенных давлениях у распыленных с поверхности образца атомов меньше шансов осесть на поверхности катода в дальнейшем осаждаемого металла (тем самым загрязнив его). Между токовводом, кондуктивно связанным с образцом, и заземленным корпусом установки (и заземленным магнетронным узлом) подается напряжение от блока питания БП100. В результате зажига­ется тлеющий разряд между образцом (выступающим в роли катода) и стенками установки/мишенью (анодом). Этот процесс можно назвать "аргонным травлением" образца. По ис­течении определенного времени тлеющий разряд гасится и давление в камере уменьшается до значения 5 • 10^-2. Такое значение давления аргона подходит для зажигания магнетронного разряда, очищающего катод от загрязнений, так как распыленным с поверхности катода атомам трудно попасть на подложку из-за частых столкновений с молекулами рабочего га­за. Через токоввод и последовательно включенное измерительное сопротивление (номиналом 10 Ом) подключался блок питания Delta Electronica SM 3004-D, подающий на об­разец отрицательное напряжение смещения относительно стенок камеры (в диапазоне 0-300 В). Затем столик с образцом заводился за специально спроектированный защитный экран, включался блок питания БП100 и подавалось разрядное напряжение (соответ­ствующее требуемому разрядному току) на магнетронный узел и зажигался магнетронный разряд. Этот процесс можно назвать "очисткой катода". По истечении определенного вре­мени разряд гасится, затем давление аргона в камере уменьшается до значения 2, 5 • 10-3 мБар. Выбор такого давления рабочего газа определяется двумя основными условиями: стабильностью горения разряда и хорошей скоростью осаждения по­крытия. Было экспериментально определено, что при понижении давления рабочего газа магнетронный разряд становится менее стабильным (заметно мерцание разряда). С другой стороны, при понижении давления рабочего газа увеличивается скорость осаждения распы­ленных атомов на подложку в силу того, что длина свободного пробега молекулы в газе обратно пропорциональна давлению газа, поэтому чем меньше давление, тем меньшее коли­чество распыленных атомов испытывает рассеяние на молекулах рабочего газа. Исходя из этих двух противоречивых требований было экспериментально определено оптимальное зна­чение давления рабочего газа. Далее зажигается магнетронный разряд с требуемыми значениями тока разряда и напряжения смещения, а образец при помощи вакуумного ввода, на котором он закреплен, выводился из-под защитного экрана. Этот процесс можно назвать "нанесением металлической пленки".

Было проведено 3 серии экспериментов по нанесению медной пленки на алюминиевую подложку. Все 3 серии проводились в практически одинаковых условиях, различие между ними состояло в длительности и способе подачи потенциала смещения. Эти способы показаны в виде графиков U(t) на рис.7.

Рис. 7. Схемы подачи потенциала смещения

В первом эксперименте потенциал смещения на подложку был постоянен и составлял -300В. Полученный в этом эксперименте образец планировалось использовать для сравнения с образцами, полученными в двух следующих экспериментах, на предмет характера адгезии осажденного покрытия к поверхности подложки.

Во втором эксперименте в первую половину общего времени осаждения к подложке прикладывался нулевой потенциал смещения с целью создания слоя с хорошей адгезией, а затем, на остаток времени осаждения, потенциал смещения на подложку уменьшался до -300В для нанесения второго слоя с большей плотностью и лучшими протекционными свойствами.

Наконец, в третьем эксперименте потенциал смещения на подложку чередовался последовательно между значениями 0В и -300В со сменой через каждую минуту на протяжении всего времени осаждения защитной пленки.

Результаты и обсуждение

Нанесенные в ходе вышеописанных экспериментов покрытия были подвергнуты стандартным тестам, использовавшимся и в предыдущих сериях экспериментов с целью выявления таких характеристик осажденных пленок как адгезионные и защитные свойства. Сначала был проведен так называемый скотч-тест, в ходе которого к образцу приклеивалась тонкая полоска липкой ленты, а затем резко отдиралась для определения адгезионных характеристик защитного покрытия (если осажденная пленка оставалась на содранной полоске ленты, адгезия покрытия считалась неудовлетворительной, в противном случае тест считался успешно пройденным). В этом тесте только покрытие, нанесенное в отсутствие напряжения смещения, показало успешный результат. Это, возможно, связано с тем, что при приложении отрицательного потенциала смещения к подложке, ионы рабочего газа проникают в осажденную пленку на всю ее толщину, разрушая связи сцепления с подложкой (или предыдущими слоями) даже у тех слоев, что были осаждены при нулевом потенциале смещения на подложку, а, следовательно, должны обладать удовлетворительной адгезией.

Тем не менее, был проведён и основный тест, целью которого является выявление непосредственно защитных свойств напыленных покрытий - тест на воздействие на образец тридцатипроцентного раствора щелочи (KOH). В ходе теста капля раствора наносилась на поверхность образца, после чего последующая реакция наблюдалась под стереомикроскопом.

Реакция происходила менее бурно, чем в проводимых ранее экспериментах с углеродным покрытием. Можно предположить, что электролит через мелкие поры и трещины в медном покрытии проникал внутрь и реакция щелочи с алюминием, сопровождающаяся сильным газообразованием происходила под поверхностью пленки. При этом щелочь распространялась по образцу под пленкой меди, не разрывая ее, что говорит о том, что связи между атомами меди в пленке были сильнее, чем связи защитного слоя с алюминием. Покрытие разрывалась лишь тогда, когда щелочь растекалась до краев образца и отслаивала пленку меди. Весь процесс, как правило, занимал около 20 минут. После промывания остатков щелочи с поверхности фольги, оставался белый нерастворимый налет (оксид алюминия, комплексная соль алюминия), при этом на­блюдалась деструкция (сминание, вспучивание, разрывание) защитного слоя.

Это позволяет сделать вывод, что режимы осаждения с подачей на подложку отрицательного потенциала смещения не позволяют получить в достаточной степени плотных покрытий с полным отсутствием сквозных микродефектов, что приводит к реакции, проходящей по тому же механизму, что и у металлических образцов, полученных при постоянном нулевом потенциале смещения на алюминиевую подложку.

Рис. 8. Разрыв пленок на границе образца под воздействием щелочи

Заключение

В ходе работы были изучены основные физические принципы горения плазменного ВЧ разряда, а также особенности и преимущества TCP технологии, интересные с точки зрения использования её для модификации поверхности и нанесения покрытий.

Также, было произведено ознакомление с устройством и принципом работы установки «МР-1» и порядком проведения экспериментов по нанесению тонких покрытий на подложку методом физического осаждения их из плазмы магнетронного разряда. Было проведено несколько экспериментов по нанесению металлических защитных покрытий на алюминиевую подложку в стационарном магнетронном разряде. Целью экспериментов было определение защитных свойств таких покрытий для предохранения алюминиевой подложки от коррозии в агрессивной щелочной среде. Все образцы, полученные в ходе экспериментов, были подвергнуты тестам на воздействие щелочи и изучены под стереомикроскопом. Также, в ходе экспериментов были проведены тесты по определению характера зависимости адгезии получаемых покрытий от потенциала смещения, подаваемого на подложку.

В результате экспериментов были выявлены недостаточные защитные свойства наносимых металлических покрытий и на основании экспериментальных данных были выдвинуты предположения о характере процесса разрушения защитного слоя под действием щелочной среды.

Литература

1. Бузовкина В.С., Резвый Р.Р., Сейдман Л.А., Финарев М.И. Исследование методом эллипсометрии поверхности кремния после бомбардировки ионами аргона. В сб. «Электронная техника». Сер. 2. «Полупроводниковые приборы». 1977. Вып. 7. С. 26-34.

2. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Устройства со скрещенными полями и перспективы их использования в технологии микроэлектроники. М., ЦНИИ «Электроника». 1991. Вып. 2 (1619). 37 с.

3. Pelletier J., Lagarde T., Durandet A. and Tynelis-Diez K. Distributed ECR Plasma sources: Reactor scale-up and performance. In: “Microwave plasma and its applications”, edited by Yury A. Lebedev. Moscow: The Moscow Physical Society, 1995, p. 352-365.

4. Boswell R.W. Very efficient plasma generation by whistler waves near lower hybrid frequency. – Plasma Phys and Contr. Fusion, vol. 26, No. 10, p. 1147-1162.

5. Perry A.J., Boswell R.W. Fast anisotropic etching of silicon in an inductively coupled plasma reactor. – Appl. Phys. Lett. 55(2), (1989), p. 148-150.

6. Смирнов Б.М. Физика слабоионизованного газа. – М.: Наука, 1978. 341 с.

7. Riemann K.-U. The Bohm Criterion and Shealth Formation. J. Phys. D: Appl. Phys. 1991, v. 24, p. 493-518.

8. Xue-Yu Qlan, Sato A.H. Inductively coupled RF plasma reactor with floating coil antenna for reduced capacitive coupling. US Patent №5683539 (4.11.1997).

9. Paranjpe A.P. and all. Structure and method for incorporating an inductively coupled plasma source in a plasma processing chamber. US Patent №5580385 (3.12.1994).

10. Берлин. Е.В., Двинин С.А., Сейдман Л.А. Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких пленок. – М.: Техносфера, 2007. 176 с.

11. Фарейник Н.И. Высокочастотные разряды низкого давления в технологии малоэнергоемкого вакуумно-плазменного травления микроструктур. – ФИП PSE Т.2. №1. С. 117-145.

12. Берлин Е.В., Сейдман Л.А. Ионно-плазменные процессы в тонкопленочной технологии. – М.: Техносфера, 2010. С. 482-489.

.