4.3. Параметры процесса осаждения пленок

Скорость осаждения пленок определяется скоростью распыления, которая в основном определяется плотностью ионного тока в зоне эрозии мишени и энергией ионов (ускоряющим напряжением). Кроме того, на скорость осаждения оказывают влияние и такие факторы, как расстояние мишень—подложка, размеры зоны эрозии, материал мишени и рабочее давление.

Для получения большой скорости осаждения подложка должна быть размещена так близко к мишени, как это возможно при сохранении внешних очертаний области плазмы. Типичные наименьшие расстояния 5–7 см. Расстояние мишень—подложка и скорость осаждения могут изменяться во времени, когда для улучшения равномерности толщины пленки или для увеличения производительности используется перемещение подложек. Движение подложек усложняет определение скорости осаждения.

Зависимость скорости осаждения от давления имеет максимум в области 0,3–0,8 Па, что обусловлено менее эффективным поступлением ионов на катод из-за уменьшения количества носителей заряда при низких давлениях и рассеянием распыляемого материала на молекулах газа при высоких давлениях.

При допущении равномерного распределения тока на поверхности катода скорость распыления (эрозия катода), мкм/мин,

v_р10⁴q/ρt, (4.5)

где q – количество материала, распыляемого с единицы площади катода, г/см²; ρ – плотность пленки, г/см³; t – время распыления, мин. При распылении в аргоне q=1,6710^6(A/N_A)(j_i/e)St, где A – атомная масса распыляемого материала; N_A – число Авогадро; S – коэффициент распыления.

Плотность ионного тока связана с толщиной ТКП и падением потенциала в ТКП U_к законом Чайдла-Ленгмюра (первое слагаемое), а также с плотностью электронов в плазме n_e и температурой T_e – уравнением Бома (второе слагаемое):

(4.6)

В промышленных конструкциях ток разряда достигает нескольких десятков ампер при плотности тока до 0,2 А/см² и более. При этом следует учесть, что в средней части зоны распыления (эрозии) плотность тока значительно превышает указанное значение.

При давлениях более 0,8 Па из-за рассеяния потока распыленных атомов наблюдается диффузионный режим и скорость осаждения рассчитывается по формуле

(4.7)

где λ_а – длина свободного пробега диффундирующих атомов; L – расстояние между мишенью и подложкой.

При понижении давления возрастает доля распыленных атомов, достигающих поверхности подложки в результате направленного движения. Тогда для определения v₀ следует использовать формулу

v₀=n(L)v_т/4+v_рexp(L/l_a), (4.8)

где n(L) – доля атомов, достигающих подложку диффузией, определяемая из уравнения диффузии; v_т – тепловая скорость диффундирующих атомов. Второе слагаемое учитывает долю атомов, достигающих подложку без столкновений.

При линейном перемещении подложек над прямоугольной мишенью средняя скорость осаждения

v₀=h₁v_п/b, (4.9)

где h₁ – средняя толщина пленки за один проход подложки под мишенью; v_п – скорость перемещения подложки; b – эффективная ширина мишени в направлении движения подложки.

Типичные скорости осаждения пленок для различных материалов при диаметре подложки 200 мм и расстоянии от мишени 50 мм: Al — 1,0–1,2, Cr — 0,5–0,7, Cu — 1,2–1,5, Au — 1,5–1,8 и Ag — 2,0–2,5 мкм/мин.

Главным фактором, ограничивающим скорость осаждения, является максимальная мощность, которая может быть подана на катод, не вызывая его растрескивания, сублимации или плавления. Для материалов с хорошей теплопроводностью допустимая плотность мощности легко может превысить возможности водяного охлаждения отводить тепло от пластины, на которой крепится мишень, и достигает 510⁵ Вт/м².

Одной из важнейших задач при нанесении пленок магнетронным распылением является получение максимально равномерных по толщине покрытий. Этого можно добиться различными путями: выбором формы и размеров мишени и зоны распыления на ней, взаимного положения мишени и подложки, относительным их перемещением, подбором рабочего давления.

Разрядная плазма МРУ повторяет форму полюсных наконечников си-cтемы и при использовании плоских мишеней (планарных МРУ) может быть реализована в форме окружности, сильно вытянутого эллипса (квазилинейный генератор) или других сложных замкнутых непересекающихся кривых. Это дает возможность регулировать интенсивность осаждения пленок на различных участках покрываемых поверхностей.

Для МРУ с дисковым катодом наилучшее распределение толщины получается для мишени, у которой внутренний диаметр равен 0,7L, а внешний 0,8L. При ширине плазменного кольца 2 см и минимальном расстояние мишень-подложка 5 см оптимальный наружный диаметр плазменного кольца 9,5 см. Дисковые мишени с большими размерами кольца должны размещаться пропорционально дальше от подложек. Лучшей конструкцией магнитной системы для кольцевого источника являются многочисленные концентрические кольца, создающие концентричную тороидальную область плазмы. Этим обеспечивается также за счет одинаковой скорости эрозии максимальное использование (до 80 %) материала мишени.

При использовании МРУ с протяженно-овальной зоной эрозии для хорошей равномерности распределения требуется перемещение подложек в направлении, перпендикулярном длине катода. Для катода с отношением длины к ширине 2,5 и расстоянием мишень-подложка, равным 0,5 ширины мишени, толщина пленки больше в центре. Очевидно, что длинная узкая мишень, имеющая полукруглые плазменные области за пределами подложки, обеспечивает равномерное распределение, близкое к распределению бесконечного линейного источника.

Особенностью МРУ является то, что распределение ионного тока на мишени неравномерно. При расчете равномерности толщины осаждаемой пленки необходимо учитывать как геометрию мишени, так и распределение на ней плотности ионного тока.

Существенное влияние на формирование равномерной пленки оказывает угловое распределение распыленных атомов в пространстве. Обычно считают, что для магнетронного распыления оно является косинусным. В общем случае реальное распределение можно учесть функцией Q=(1+k)cos^kφ, где k – константа для конкретного вида распределения эмитируемых частиц.

Равномерность распределения толщины пленки может быть повышена путем перемещения подложек в процессе осаждения пленок в сочетании с оптимизацией геометрии магнитного блока.

3

2

2 2

1 1 1

Рис. 4.4. Способы позиционирования подложек относительно мишеней: 1 – мишень; 2 – подложка; 3 – экран

Р азличные способы перемещения (позиционирования) подложек относительно источника распыления показаны на рис. 4.4. Источник распыления может быть смонтирован так, чтобы распыление происходило в любом направлении. При планетарном движении подложек (рис. 4.4, а), расстояние источник—подложка велико и эффективная скорость осаждения снижается. При использовании дисковых мишеней с вращением подложек в одной плоскости (рис. 4.4, б) расстояние мишень—подложка может быть меньше, но для получения хорошей равномерности требуются фигурные экраны, более того, возможна модификация катода и магнитного узла для получения клинообразной зоны распыления.

В установке с планетарным вращением подложек МРУ позволяет получить более равномерное покрытие рельефа, чем при использовании электронно-лучевых испарителей. Это обусловлено тем, что рассеяние на атомах аргона и большая площадь катода обеспечивают широкий интервал углов падения распыленных атомов на подложки.

При движении подложек в одной плоскости (рис. 4.4, в), когда расстояние подложка—мишень остается практически постоянным, требуются многократные проходы их относительно друг друга. Линейное перемещение позволяет использовать большие возможности прямоугольных МРУ благодаря минимальному расстоянию мишень—подложка и максимальной производительности. Однако все виды перемещений подложек создают изменение скорости осаждения и угла падения материала во времени.

Рис. 4. 5. Геометрическая модель системы

Расчет параметров мишени МРУ, имеющей вид тела вращения (в общем случае кольцо с распыляемой поверхностью конической формы), и взаимного положения обрабатываемой подложки и мишени, а также оптимизация конструкции устройства по критерию равномерного распределения пленки по толщине как на планарной, так и на рельефной поверхности подложки, можно производить с использованием геометрической модели системы осаждения пленки при распылении мишени, показанной на рис. 4.5.