Магнетронное нанесение металлических слоёв.
Магнетронное распыление — технология нанесения тонких плёнок на подложку с помощью катодного распыления мишени в плазме магнетронного разряда — диодного разряда в скрещённых полях. Технологические устройства, предназначенные для реализации этой технологии, называются магнетронными распылительными системами.
Магнетронными называются системы, в которых используются неоднородные скрещенные электрическое и магнитное поля. Электрические параметры разряда в магнетронной системе в значительной степени зависят от рабочего давления, величины и конфигурации магнитного поля, конструктивных особенностей распылительной системы. Магнетронные системы относятся к системам ионного распыления, в которых распыление материала происходит за счет бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа (обычно аргона), образующихся в плазме аномального тлеющего разряда. Высокая скорость распыления, характерная для этих систем, достигается увеличением плотности ионного тока за счет локализации плазмы у распыляемой поверхности мишени с помощью сильного поперечного магнитного поля.
Принцип работы магнетронного распыления
Основные
элементы
1 – Катод-мишень (изготовлен из напыляемого материала) 2 – Магнитная система (обычно на основе постоянных магнитов) 3 – Источник питания 4 – Анод 5 – Траектория движения электрона 6 – Зона распыления 7 – Силовые линии магнитного поля
Силовые линии магнитного поля замыкаются между полюсами магнитной системы. Поверхность мишени, расположенная между местами входа и выхода силовых линий магнитного поля, интенсивно распыляется и имеет вид замкнутой дорожки, геометрия которой определяется формой полюсов магнитной системы. При подаче постоянного напряжения между и анодом возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий разряд. Наличие замкнутого магнитного поля у распыляемой поверхности мишени позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени.
Электроны с катода под действием ионной бомбардировки совершают движение по замкнутым траекториям у поверхности мишени. Электроны оказываются как бы в ловушке, создаваемой с одной стороны магнитным полем, возвращающим электроны на катод, а с другой стороны — отрицательно заряженной поверхностью мишени, отталкивающей их. Электроны двигаются циклически в этой ловушке до тех пор, пока не произойдёт несколько ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа, в результате которых электрон потеряет полученную от электрического поля энергию и диффундирует на границу плазмы по направлению к аноду. Таким образом, большая часть энергии электрона, прежде чем он попадёт на анод, используется на ионизацию и возбуждение атомов рабочего газа, что значительно увеличивает эффективность процесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации положительных ионов у поверхности мишени. Это в свою очередь обусловливает увеличение интенсивности ионной бомбардировки мишени и значительный рост скорости распыления, а, следовательно, и скорости осаждения плёнки.
Вакуумная камера:
Процесс происходит в вакуумной камере, куда вводится рабочий газ, обычно инертный (например, аргон, Ar).
Поддерживается давление в диапазоне от 10^{-3} до 10^{-1} Торр.
Создание плазмы:
Между катодом (мишенью) и анодом подаётся электрическое напряжение (порядка нескольких сотен вольт), что ионизирует атомы газа и образует плазму.
Электроны, ускоренные электрическим полем, сталкиваются с атомами газа, ионизируя их и создавая положительные ионы.
Плазма разряда существует, в основном, в области магнитной ловушки в непосредственной близости от мишени, и ее форма определяется геометрией и величиной магнитного поля. Создание магнитной ловушки у распыляемой поверхности мишени представляет собой решение проблемы увеличения скорости распыления в плазменных распылительных системах. Но помимо этого достоинства магнетронная распылительная система обладает рядом специфических свойств, основным из которых является отсутствие бомбардировки подложки высокоэнергетическими вторичными электронами.
Распыление мишени:
Положительно заряженные ионы газа ускоряются к мишени (катоду) под воздействием электрического поля, выбивая атомы материала из поверхности мишени.
Эти атомы, переходя в газовую фазу, осаждаются на подложке, образуя тонкий слой.
При распылении материалов в плазме тлеющего разряда высокоэнергетические вторичные электроны с мишени являются основным источником нагрева подложек. В магнетронной распылительной системе вторичные электроны захватываются магнитной ловушкой и не бомбардируют подложку, что обеспечивает ее сравнительно низкую температуру. Источниками нагрева подложки в этой системе служат кинетическая энергия и энергия конденсации осаждаемых атомов, энергия отражённых от мишени нейтрализованных ионов и энергия ионов вторичной плазмы, а также излучение плазмы.
Магнитное поле:
Магниты, размещённые за мишенью, создают магнитное поле, которое удерживает электроны вблизи поверхности мишени, увеличивая частоту их столкновений с атомами газа.
Это позволяет поддерживать стабильную плазму при более низких давлениях и улучшает эффективность процесса.
Осаждение слоя:
Распылённые атомы оседают на подложке, формируя равномерный металлический слой.
Типы магнетронного распыления
DC-магнетронное распыление (постоянный ток):
Используется для нанесения проводящих материалов (металлов).
Катод подключается к источнику постоянного напряжения.
RF-магнетронное распыление (высокочастотное):
Применяется для осаждения диэлектриков и сложных материалов.
Используется переменное высокочастотное напряжение (обычно 13,56 МГц), чтобы предотвратить зарядку изолирующих материалов на мишени.
Реактивное магнетронное распыление:
В рабочий газ добавляются реактивные газы (например, кислород O2 или азот N2), которые вступают в химическую реакцию с распылённым материалом.
Используется для получения нитридов (например, TiN) и окислов (например, Al2O3).
Пульсирующее магнетронное распыление:
Применяется для нанесения слоёв с высокой плотностью и низким уровнем дефектов.
Осциллирующее напряжение улучшает качество покрытия.
Преимущества магнетронного распыления
Высокая производительность
Точность химического состава осаждённого вещества
Равномерность покрытия
Отсутствие термического воздействия на обрабатываемую заготовку
Возможность использования любых металлов и полупроводниковых материалов
Высокое качество покрытий:
Обеспечивает равномерные, плотные и адгезионно стойкие покрытия.
Используется для создания тонких слоёв толщиной от нескольких нанометров до микрометров.
Гибкость материалов:
Можно наносить металлы (например, алюминий Al, медь Cu, золото Au), сплавы, оксиды и нитриды.
Низкие температуры процесса:
Подходит для чувствительных подложек, так как подложка не требует нагрева.
Контроль параметров:
Легко контролировать скорость роста слоя, толщину, химический состав и текстуру поверхности.
Экономичность:
Высокая степень использования материала мишени благодаря эффективному распылению.
Недостатки магнетронного распыления
Ограниченная толщина слоя:
Для нанесения толстых слоёв требуется значительное время, что снижает производительность.
Сложность осаждения на сложные формы:
Распыление работает по линии прямой видимости, что может затруднить нанесение на детали сложной формы.
Затраты на оборудование:
Вакуумные системы и магнетронное оборудование требуют значительных начальных инвестиций.
Применение магнетронного нанесения металлических слоёв
Микроэлектроника:
Осаждение металлических контактов (например, алюминиевых или медных слоёв) для интегральных схем.
Создание барьерных слоёв, например, нитрида титана (TiN).
Оптика:
Производство зеркал, светоотражающих и антиотражающих покрытий.
Нанесение слоёв на линзы (например, алюминий или золото).
Сенсоры:
Осаждение слоёв для сенсоров давления, температуры и химического состава.
Медицинская техника:
Покрытия для биосовместимости, защиты от коррозии и улучшения механической стойкости инструментов.
Механические покрытия:
Антикоррозийные и износостойкие слои для инструментов и деталей машин.
Солнечные элементы:
Нанесение тонких металлических слоёв для контактов и отражающих структур.
Основные рабочие характеристики МРС - напряжение на электродах, ток разряда, плотность тока на мишени и удельная мощность, величина индукции магнитного поля и рабочее давление.
Высокая степень ионизации и высокая плотность ионного тока в МРС позволяют работать при более низком напряжении (0,3 - 0,8 кВ) и более низком давлении (10-2 - 1 Па) по сравнению с диодными распылительными системами на постоянном токе. Важнейшим параметром, во многом определяющим характер разряда в МРС, являются геометрия и величина магнитного поля, индукция которого у поверхности мишени 0,03 - 0,1 Т.
Высокая плотность ионного тока (на 2 порядка выше, чем в обычных диодных распылительных системах) и большая удельная мощность, рассеиваемая на мишени, резко увеличивает скорость распыления в МРС. Необходимая скорость осаждения плёнки в МРС с достаточной точностью может поддерживаться за счет постоянства таких параметров процесса, как ток разряда или подводимая мощность. Как показывает практика, для обеспечения воспроизводимости и стабильности процесса нанесения плёнки ток разряда необходимо поддерживать с точностью ± 2%, а при стабилизации процесса по мощности разряда точность ее поддержания составляет ± 20 Вт в диапазоне регулирования от 0 до 10 кВт. При этом рабочее давление должно быть постоянным (отклонение не должно превышать ± 5%). Увеличение скорости распыления с одновременным снижением давления рабочего газа позволяет существенно снизить степень загрязнения плёнок газовыми включениями.