Осаждение пленок в низкотемпературной плазме (ионно-плазменное распыление)

Ионно-плазменное распыление (ИПР) обладает рядом существенных преимуществ перед термическим испарением, важных для серийной автоматизированной реализации групповой технологии в производстве микроэлектронной аппаратуры (МЭА):

- позволяет получать равномерные по толщине пленки на подложках больших размеров (из-за большой площади распыляемой пластины из осаждаемого материала - мишени, выполняющей функции источника атомарного потока для создания пленки), что обеспечивает эффективную реализацию группового метода обработки;

- облегчает автоматизацию, повышает однородность процесса осаждения, так как мишень представляет собой длительно незаменяемый источник материала;

- обеспечивает высокую адгезию пленки к подложке, благодаря большой энергии и плотности частиц в осаждающемся потоке;

- позволяет получать пленки из тугоплавких и многокомпонентных материалов без перегрева вакуумной камеры и усложнения технологического оборудования;

- дает возможность получать оксидные, нитридные и другие пленки, в том числе легированные в результате, например, химических реакций атомов распыляемого материала с вводимыми в камеру химически активными газами;

- позволяет проводить ионную очистку подложек перед осаждением пленок без усложнения оборудования и распылять, материалы при температуре ниже температуры их плавления;

- дает возможность получать пленки из органических материалов, в том числе и на подложках из органических материалов при некоторых разновидностях ИПР;

- позволяет получать равномерные по толщине пленки на рельеф­ных поверхностях подложек (плат) при некоторых разновидностях ИПР;

- обеспечивает малую инерционность процесса осаждения пленок. Процесс получения пленок ИПР происходит по схеме: создание плазмы - распыление мишени и образование потока распыляемого вещества - формирование пленки на подложке.

Плазмой называют ионизированный газ, который состоит из электронов, ионов и нейтральных атомов. Электрические силы, связывая разноименно заряженные частицы плазмы, обеспечивают ее квазинейтральность. В технологии производства МЭА используется низкотемпературная плазма, создание которой осуществляется путем

формирования газового разряда в пространстве между двумя электродами, к которым подводится высокое напряжение (от единиц до десятков киловольт). Температура такой плазмы обычно не превышает 10⁵ К, давление газа в разрядном пространстве поддерживается в пределах от 1,31 10^-2 до 1,3 Па.

Тип разряда (тлеющий, дуговой и др.) зависит от давления газа, приложенного к электродам напряжения; концентрации электронов, влияющей на длину разрядного промежутка и плотность разрядного тока.

Существует множество способов реализации осаждения пленок ИПР, например ионное (или катодное) распыление двухэлектродных системах; ионно-плазменное распыление в трехэлектродных (и более) системах; магнетронное распыление с применением магратронных систем для генерации плазмы; плазмотронное распыление е применением импульсных плазменных ускорителей для возбуждения дугового разряда и др.

В простейших диодных двухэлектродных системах ионное распыление проводится в тлеющем разряде (причем мишень находится на катоде, а подложка - на аноде), вызванном ионизацией электронами катода молекул инертного газа (аргона), при давлении 1 -10 Па и напряжении 1 - 10 кВ. Расстояние между электродами составляет 1 -12 см, а диаметр электродов 5 - 50 см. Такая система малоэффективна вследствие высокой вероятности загрязнений подложки (из-за недостаточно низкого рабочего давления, необходимого для поддержания разряда), низкой скорости осаждения (не более 0,5 нм/с) и невозможности распыления диэлектрических материалов (из-за накопления положительных зарядов на катоде).

Триодные трехэлектродные системы ИПР более эффективны, в них реализуется независимый мощный разряд с термоэмиссионно-возбуждаемой плазмой, а на мишень (на третий электрод) подается отрицательный относительно плазмы потенциал, позволяющий вытягивать из плазмы и ускорять (до сотен электрон-вольт) положительные ионы для бомбардирования поверхности мишени. Рабочее давление в этом случае не превышает 0,1 Па. В таких системах можно реализовать распыление диэлектрических материалов, но не при постоянном, а при высокочастотном (13,56 МГц) потенциале на мишени (высокочастотное распыление). Кроме того, в данных системах проще, чем в диодных, реализовать получение пленок различных химических соединений с протеканием реакций между дозированно-вводимым в рабочую камеру реактивным газом и распыляемым (осаждаемым) веществом (реактивное осаждение). Изменяя парциальное давление реактивного газа от 5∙10^-2 до 5∙10^-4 Па, можно получать пленки разных химических соединений газа, например с металлом. Однако сложность оборудования, а также проблемы обеспечения высокой чистоты процесса осаждения пленок, снижения энергозатрат и др. в трехэлектродных (и более) системах требуют их постоянного совершенствования.

В последнее время для получения тонких пленок в производстве МЭА стали широко использоваться новые системы ИПР: магнетронного типа (магнетронное распыление (МР)) и с применением импульсно-плазменных ускорителей (плазмотронное распыление (ПР)). В табл.3 приведены основные параметры метода термического испарения и современных разновидностей метода ИПР, позволяющие провести их сравнительный анализ.

Таблица 3