4.2. Магнетронное напыление тонких пленок

В МРУ используется аномальный тлеющий разряд, локализованный у поверхности мишени в неоднородных скрещенных электрическом и магнитном полях. Эмиттируемые с поверхности мишени в результате ионной бомбардировки электроны захватываются магнитным полем и совершают сложные циклические движения у распыляемой поверхности, испытывая многократные ионизирующие столкновения с атомами рабочего газа и отдавая значительную долю энергии на ионообразование. В результате достигаются высокая степень ионизации газа и существенное увеличение эффективности распыления материала мишени.

Это позволяет:

повысить в несколько десятков раз скорость осаждения материалов, приблизив ее к скорости термо-вакуумного осаждения;

понизить на порядок рабочее давление, что резко уменьшает загрязнение пленок газовыми включениями;

исключить интенсивную бомбардировку подложек высокоэнергетическими электронами, т. е. устранить неконтролируемый нагрев подложек и повреждение структур.

Кроме того, современные конструкции МРУ реализуют планаризацию ступенек и контактных отверстий без снижения скорости осаждения материалов.

Рис. 4.1. Схема типичной конструкции планарного МРУ

Механизм разряда в МРУ. Несмотря на большое разнообразие модификаций МРУ, каждая из них в том или ином виде включает следующие основные конструктивные элементы: водоохлаждаемый катод, магнитный блок и анод. В качестве анода иногда используют стенки рабочей камеры. Типичная конструкция планарного МРУ представлена упрощенной схемой на рис. 4.1.

Все конструктивные элементы МРУ монтируются в корпусе 8, присоединяемом к рабочей камере через промежуточное изолирующее кольцо 2 и фланец 4 с вакуумными уплотнительными прокладками 1 и 3. Дискообразная мишень—катод 19 охлаждается проточной водой по трубкам 14 и 17. На катод подается напряжение порядка 300–1000 В через клемму 16. Под катодом расположен магнитный блок, состоящий из центрального 15 и периферийного 12 постоянных магнитов, закрепленных на основании блока 13, изготовленного из магнитомягкого материала. Магнитный блок создает над поверхностью катода дугообразное неоднородное магнитное поле 11 напряженностью до 0,04 Тл. Над катодом расположен анод 9, который может находиться либо под потенциалом земли, либо под некоторым напряжением смещения (порядка 30–100 В). Такое расположение анода обеспечивает образование электрического поля 10 с составляющей, перпендикулярной к плоскости катода. При подаче отрицательного потенциала на катод в прикатодной области образуется зона скрещенных неоднородных электрического и магнитного полей.

Возникающие в результате ионизации газа или за счет вторичных процессов на поверхности катода электроны под действием электрического и магнитного полей движутся в угловом направлении по циклоидальным траекториям. При столкновении с атомами рабочего газа происходит частичная ионизация. Электроны, потерявшие часть своей энергии на ионизацию, начинают двигаться по новым траекториям, пока не попадают на анод. При низком давлении заряд имеет отрицательный знак, столкновения редки и разрядный ток мал. С увеличением давления выше некоторого критического значения высоковольтный разряд низкого давления скачкообразно переходит в сильноточный разряд с интенсивным ионообразованием – обычный тлеющий с характерными для него приэлектродными частями и малым сопротивлением разрядного промежутка. Определяющее значение имеет величина индукции магнитного поля, в зависимости от которой разряд может иметь три различные структуры, характеризующие соответственно три режима.

Для слабых магнитных полей (до 0,01 Тл) наблюдается режим с положительным объемным зарядом у катода, когда приложенное напряжение падает в узком прикатодном участке (в области темного катодного пространства). При средних значениях поля (до 0,1 Тл) возникает разряд с отрицательным объемным зарядом у анода, когда приложенное напряжение падает преимущественно вблизи анода. В сильных полях (более 0,1 Тл) режим с анодным падением потенциала частично модифицируется и возникает заметное падение потенциала и в прикатодной области.

Переход от одного типа разряда к другому зависит не только от величины магнитного поля, но и от конструктивных особенностей МРУ, давления газа и других факторов. В частности, при уменьшении давления падение катодного потенциала возрастает. С целью устойчивого поддержания разряда в разрядной области магнитное поле должно быть направлено вдоль одного из ортов прямоугольной системы координат, электрическое поле – вдоль другого орта, а вдоль третьего орта происходит дрейф плазмы разряда. За счет увеличения длины пути электронов до анода их столкновения с атомами рабочего газа происходят многократно. В результате достигается высокая степень ионизации газа. Геометрия торообразной зоны плазмы 5 определяется формой неоднородного магнитного поля над поверхностью катода.

При низком давлении разряд с холодным катодом поддерживается преимущественно за счет вторичных электронов, эмитируемых с катода в результате ионной бомбардировки. Одновременно происходит ионное распыление материала мишени-катода в зоне эрозии 8. Плотность плазмы в разряде и интенсивность эрозии мишени максимальны в области, где магнитные силовые линии имеют направление, близкое к параллельному относительно поверхности катода. Покидающие поверхность мишени частицы осаждаются в виде пленки 6 на подложке 7, а также частично рассеиваются на атомах остаточных газов и осаждаются на стенках рабочей вакуумной камеры.

Разряд в МРУ характеризуется тесной взаимосвязанностью параметров; здесь невозможно независимо изменять напряженность магнитного поля, давление газа, плотность тока и катодное падение потенциала.

Для оценки движения частиц следует разложить их движение на две составляющих: направленную и диффузионную. Критерием оценки характера движения может служить отношение напряженности электрического поля E к рабочему давлению P: чем больше это отношение, тем больше преобладает направленное движение частиц. Для МРУ отношение E/P велико [превышает 10⁵ В/(мПа)], что позволяет считать движение частиц в плазме магнетронного разряда направленным.

Основным видом направленного движения заряженных частиц в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля, является циклотронное вращение, характеризуемое циклотронной частотой ω_с=eB/m и ларморовским радиусом r_L=v_/ω_с, где e и m – заряд, Кл, и масса, кг, частицы; B – индукция магнитного поля, Тл; v_ – составляющая скорости частицы в направлении, перпендикулярном силовой линии магнитного поля, м/с. Совместное действие скрещенных электрического и магнитного полей вызывает холловский дрейф частицы в направлении, перпендикулярном как электрическому, так и магнитному полям, со скоростью v_H=E/B. В случае однородных полей траектория движения частицы представляет собой циклоиду, высота которой равна двум ларморовским радиусам, h_c=2mE/(eB²), а длина дуги L_с=8mE/(eB²). Поскольку поля в МРУ обычно неоднородные, то существуют и другие виды дрейфовых движений частиц, например градиентный и центробежный дрейф, вызываемые неоднородностью магнитного поля, а траектории частиц будут отличаться от циклоидальной и иметь вид сложных трохоид.

При движении электроны сталкиваются с атомами газа и ионизируют их, теряя при этом часть энергии и двигаясь по новым орбитам до тех пор, пока не попадут на анод. Количество столкновений определяется длиной пути электрона и длиной его свободного пробега λ_e, зависящей от давления рабочего газа. При этом для разряда с катодным падением потенциала желательно, чтобы электрон осуществил столкновение в пределах одной циклоиды для исключения его обратного перезахвата мишенью, т. е. выполнялось условие L_c>λ_e. Доля возвращающихся на катод электронов увеличивается с уменьшением давления газа, поскольку при этом возрастает длина свободного пробега. На практике, как правило, λ_e>L_c и явление перезахвата в зависимости от конструктивных особенностей и режимов работы МРУ может оказывать существенное влияние на эффективность разряда. В цилиндрических коаксиальных МРУ с центральным положением катода перезахватывается около 5 % эмитированных электронов, а в планарных — до 50 %, что может явиться причиной существенного возрастания напряжения зажигания разряда и минимального напряжения существования плазмы. Явлением перезахвата объясняется снижение эффективности разряда при сильных магнитных полях, но на практике его влияние снижается из-за неоднородности полей, обеспечивающих уход эмитированного из катода электрона на расстояние, большее h_c.

Магнитное поле, существенно увеличивая путь электронов от катода к аноду, увеличивает число ионизирующих столкновений с атомами газа. В этом смысле наложение магнитного поля можно считать эквивалентным повышению рабочего давления, в результате чего разряд существует при более низких давлениях рабочего газа. Эквивалентное давление оценивается по формуле

(4.1)

где τ_e – время между столкновениями электрона с атомами рабочего газа, с. Поскольку τ_e~(λ₀P)/2(e/m)U, где λ₀ – средняя длина свободного пробега электрона при давлении 1 Па, м; e/m=1,7610¹¹ Кл/кг – удельный заряд электрона; U – ускоряющее напряжение, В, то

(4.2)

Для типичных условий магнетронного разряда P=0,13 Па, B=0,035 Тл, U=400 В, λ₀0,025 м (в аргоне) ω_сτ_e100, что соответствует эквивалентному повышению давления на два порядка по сравнению с давлением рабочего газа.

Электроны с первоначальной средней энергией 3–5 эВ дрейфуют от катода через серию столкновений без ионизации (область темного катодного пространства – ТКП) до тех пор, пока их средняя энергия за счет анодного падения потенциала не станет равной энергии ионизации газа W_i (~30 эВ для Ar): m(E/B)²/2=W_i. Для оценки характеристик разрядного промежутка в первом приближении можно считать траекторию эмитированного с катода электрона циклоидальной. Поскольку радиус r_L ионов более чем на два порядка превышает аналогичный параметр электронов, влиянием магнитного поля на ионы можно пренебречь, считая, что под действием электрического поля они свободно двигаются на катод, не играя существенной роли в ионизационных процессах магнетронного разряда. Объемный заряд электронов вблизи катода создает сравнительно сильное поле, вплоть до образования виртуального катода, потенциал которого становится ниже потенциала катода. В этом случае поле у катода для вылетающих электронов становится тормозящим и потому задерживает электроны, начальная энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. В сторону анода продолжают двигаться лишь электроны, прошедшие через минимум потенциала и, соответственно, размножившиеся в разрядном слое. Это режим ограничения тока объемным зарядом. Ток на анод зависит от того, насколько потенциал созданного приложенным напряжением поля больше потенциала поля частиц. Перезахват может быть причиной существенного возрастания напряжения зажигания разряда и минимального напряжения существования плазмы. Параметры прикатодной области определяются соотношением между шириной ТКП d_к и высотой циклоиды h_c, по которой движется эмитированный с катода электрон. Если h_с существенно превышает d_к, то электрон, ускорившись в ТКП под действием разности потенциалов U_к, приобретет скорость v_e=2eU_к/m=5,910⁵U_к и будет в области плазмы двигаться по ларморовской окружности, т. е. высота его траектории от поверхности катода будет примерно соответствовать r_L для рассчитанного значения v_е. Предельной величиной d_к следует считать значение, близкое к h_с, рис. 4.2, поскольку в этом случае большая часть эмитированных электронов будет перемещаться в области ТКП, не выходя в область отрицательного свечения плазмы, где они должны эффективно ионизировать газ. Критическое значение параметров для этого случая определяется из выражения d_к2mU_к/e/B_к, где B_к – индукция магнитного поля.

Рис. 4.2. Разрядный промежуток МРУ: 1 – катод; 2 – траектория вторичного электрона; 3 – электрон; 4 – плазма; 5 – виртуальный анод; 6 – анод; 7 – распыленная частица; 8 – ион

Считая, что при каждом ионизирующем столкновении электрон удаляется от катода на расстояние, примерно равное r_L, можно оценить границу плазмы, т. е. положение условного анода, характеризующее область пространства, в которой электроны теряют ионизирующую способность, израсходовав полученную от электрического поля энергию на образование и поддержание плазмы магнетронного разряда. Полная энергия, которая может быть получена электроном, составляет W_e=eU_р, где U_р – напряжение на разряде. При плазмообразовании энергия электрона тратится на ионизацию, а также на резонансное и нерезонансное возбуждение атомов, и суммарная энергия, отнесенная на один акт ионизации, составляет W₀=30–50 эВ/ион. Тогда оценку расстояния от катода до анода можно провести по формуле

(4.3)

а для разряда с преимущественным катодным падением потенциала (т. е. при U_кU_р) — по формуле

(4.4)

где Q=W_e/W₀ – число ионизирующих столкновений электрона с атомами. Следует брать средне значение индукции магнитного поля в зоне разряда (обычно 0,6–0,7 от максимального значения индукции у распыляемой поверхности при использовании арочного поля).

Оценка значения d_a имеет практическое значение при определении положения реального анода МРУ. Если его располагать на меньшем расстоянии от середины зоны распыления катода, то часть энергетических электронов, еще способных ионизировать газ, будет им перезахватываться, что снизит эффективность работы МРУ и приведет к возрастанию рабочих напряжений.

Рис. 4.3. Фокусирующее действие магнитного (а) и электрического (б) полей на электроны: 1 – катод-мишень; 2 – силовая линия магнитного поля; 3 – эквипотенциальная поверхность на границе ТКП

Часто в МРУ используют магнитные поля арочной конфигурации, позволяющие наиболее эффективно локализовать плазму у распыляемой поверхности. При арочном магнитном поле осуществляется магнитная фокусировка электронов, поскольку электроны, эмитированные с краев зоны распыления, имеют преимущественно составляющую скорости v_, направленную вдоль силовой линии поля к середине зоны распыления (рис. 4.3, а). Повышение концентрации электронов в центре зоны распыления приводит к повышению частоты ионизирующих столкновений и плотности плазмы в этой области. В результате плотность ионного тока на мишень в центре зоны распыления будет выше, чем на краях, а катодное падение потенциала U_к — меньше. А поскольку ширина ТКП обратно пропорциональна U_к, то граница ТКП имеет вогнутую форму, и электроны, ускоряющиеся в ТКП, приобретают под действием электрического поля скорость в направлении к центру зоны распыления, испытывая электрическую фокусировку (рис. 4.3, б). Аналогичный эффект дополнительно проявляется по мере увеличения эрозии мишени, когда зона распыления становится также вогнутой, что приводит к снижению рабочего напряжения и повышению тока разряда.

В плазме, находящейся в магнитном поле, возникают волновые явления, которые могут явится причиной нестабильности разряда. Волновые явления связаны с колебаниями электронного и ионного токов, а также с дрейфовым характером движения частиц в скрещенных неоднородных электрическом и магнитном полях. Электроны совершают колебания вдоль силовых линий магнитного поля с частотой ω_=4πe²n_e/m, которая превышает частоту столкновений электронов с атомами газа, а также совершают колебания поперек силовых линий с частотой ω_²+ω_с². В плазме цилиндрических МРУ возникают колебания в диапазоне 50–500 кГц, планарных — с частотой 15 и 130 МГц, которые наблюдаются при превышении некоторого значения тока разряда. Оценка ω_ позволяет определить плотность электронов в магнетронном разряде, которая составляет ~210⁹ см^3.

Условия возникновения нестабильностей зависят от величины и конфигурации магнитного поля, рабочего давления, геометрических параметров МРУ. Создавая поле заданной конфигурации и выбирая форму и положение электродов, можно влиять на частоту колебаний частиц. Например, используя два катода, через которые проходит магнитный поток, можно заставить осциллировать электроны между катодами вдоль силовых линий магнитного поля, в результате чего возникает электронно-циклотронный резонанс на частотах до 20 ГГц. При этом повышается эффективность ионизации и плотность плазмы достигает 10¹² см^3 при низких давлениях газа (10^1–10^3 Па).