4Металлические пленки

4.1Нанесение металлических пленок

Эксперименты по нанесению металлических пленок проводились на установке Leybold Univex 450B (Институт физики плазмы им. Макса Планка, Гархинг, Германия), предназначенной для нанесения покрытий методом магнетронного распыления (рисунок 4.1).

Рис. 4.1: Внешний вид установки Leybold Univex 450B

Принципиальная схема напылительной части установки схожа со схемой, представленной на рисунке 2.2. Вакуумная камера 1 откачивается механическим безмасляным и турбомолекулярным насосами. На входе турбомолекулярного насоса установлена криогенная ловушка. Контроль давления в камере осуществляется при помощи абсолютного датчика давления типа баратрон и магнитного электроразрядного преобразователя. Система газонапуска включает в себя баллоны с рабочими газами (аргоном, азотом и кислородом) с установленными на них редукторами и регуляторы расхода газа. Остаточное давление в камере не менее 5 × 10−7 мбар.

На верхней стенке вакуумной камеры установлены пять планарных несба-

47

лансированных магнетронов 2, на которых закрепляются мишени для распыления. Магнетроны расположены под углом 30 к нормали.

Образцы располагаются на круглом вращающемся столике 3, установленном на дне вакуумной камеры. Столик электрически изолирован от стенок камеры, что позволяет подавать на него потенциал смещения относительно стенок. На дне столика установлен резистивный нагреватель, который позволяет нагревать столик до требуемой температуры. К нагревателю прикреплена термопара, контролирующая его температуру. Калибровочные эксперименты, в которых термопара была прикреплена непосредственно к образцу, расположенному на столике, показали, что температура образца меньше температуры нагревателя примерно на 100 C. Однако данная разница может быть как боль-

ше, так и меньше 100 C в зависимости от степени теплового контакта между

образцом и столиком. В дальнейшем везде считается, что температура образца ниже температуры подложки на 100 C. Поддержание заданной температуры

осуществляется программной регуляцией мощности нагревателя по отрицательной обратной связи, которая реализуется с помощью ПИД алгоритма.

Около каждого магнетрона установлена подвижная заслонка 4, которая позволяет закрывать его от столика с образцами при очистке мишени и травлении образцов.

Были проведены эксперименты по нанесению покрытий катодного типа из меди, титана и хрома. Пленки наносились на несколько типов подложек: из промышленной конденсаторной алюминиевой фольги высокой чистоты толщиной 40 мкм, из алюминий–магниевого сплава толщиной 2 мм, из стекла толщиной 2 мм. В качестве мишеней для распыления использовались: медный катод (чистотой 99,99 %), титановый катод (чистотой 99,995 %) и хромовый катод (чистотой 99,95 %). Перед каждым экспериментом столик с образцами покрывался алюминиевой фольгой для предотвращения попадания в осаждаемую пленку примесей от предыдущих экспериментов (рисунок 4.2). Для обеспечения хорошего теплового контакта образца из фольги со столиком по краям он прижимался к столику при помощи образцов из стекла. На столике также располагался образец из алюминий–магниевого сплава для получения на всех типах подложек покрытий, осажденных при одинаковых условиях.

Перед началом эксперимента включался нагрев столика с образцами. При этом наблюдалось повышение давления в системе (примерно на порядок), обусловленное десорбцией газов, содержащихся в образцах. Для определения газов, содержащихся в исходной алюминиевой фольге, был проведен ее анализ

48

Рис. 4.2: Вакуумная камера установки изнутри

методом термодесорбционной спектроскопии на сверхвысоковакуумном термодесорбционном стенде (НИЯУ МИФИ, Москва), детально описанном в [30]. Образец из алюминиевой фольги нагревался линейно со скоростью 2 К/с до температуры 850 К (так как температура плавления алюминия 933,5 K). Десорбирующиеся газы регистрировались квадрупольным масс-спектрометром Pfeiffer Prisma 200M1. При нагреве изменение фона основных сигналов было незначительным. ТДС анализ показывает, что основными газами, содержащимися в фольге, являются водород и вода, причем сигнал водорода на порядок выше сигнала воды. Такое большое содержание водорода в алюминии объясняется технологией его производства – электролизом из расплава глинозема, в ходе которого выделяется водород. На рисунке 4.3 представлены ТДС спектры водорода (массовое число1 2) и воды (массовое число 18). Интенсивный выход водорода происходит практически во всем диапазоне температур – только после 750 К наблюдается уменьшение его газовыделения. На спектре воды видны два пика газовыделения – при 400 К и при 600 К. После 600 К наблюдается спад газовыделения воды. Это означает, что для эффективного удаления содержащихся в фольге газов ее необходимо выдерживать при температуре около 500 C

до тех пор, пока давление в системе не вернется на прежний уровень.

После включения нагрева образцов выжидалось определенное время (около 1 часа), пока давление в системе не вернется на прежний уровень. После этого фольга считалась обезгаженной. Затем скорость откачки дросселировалась при помощи регулируемого клапана между турбомолекулярным насосом и камерой, в криогенную ловушку заливался жидкий азот и выжидалось определенное

1Напомним, что массовым числом называется отношение массы иона к его заряду

49

Рис. 4.3: ТДС спектр алюминиевой фольги

время (около 30 мин), пока давление в системе не стабилизируется. Далее в камеру напускался аргон до достижения давления 5×10−3 мбар (поток 80 sccm).

Затем зажигался ВЧ емкостной разряд для очистки поверхности образцов от оксидного слоя и других присутствующих на ней загрязнений (мощность 100 Вт, напряжение самосмещения на подложке −440 В, время горения 4 мин). Далее

для очистки катода от загрязнений при закрытой заслонке в течение 1 мин зажигался магнетронный разряд. Затем заслонка открывалась и начиналось осаждение пленки. Столик с образцами вращался со скоростью 5 оборотов в минуту. В процессе осаждения он находился под плавающим потенциалом.

На образцы из стекла было произведено тестовое нанесение медного покрытия для определения скорости осаждения меди при фиксированных параметрах (мощность разряда и расход аргона). Считалось, что скорость осаждения пленки не зависит от температуры подложки. На участок поверхности одного из образцов был положен другой образец для того, чтобы оставить на первом образце участок без покрытия. Граница между чистым участком и участком с медным покрытием представляет из себя ступеньку, которая является не строго прямоугольной (а является скорее трапецеидальной) из-за эффекта затенения потока осаждаемых атомов границей расположенного сверху образца, а так же из-за внутренних сжимающих напряжений в пленке. Высота этой ступеньки была измерена на профилометре Tencor AlphaStep 200. Делением измеренной высоты ступеньки на время осаждения покрытия была определена скорость осаждения покрытия. Для медного покрытия, полученного при потоке газа 80 sccm и мощности разряда 300 Вт, скорость осаждения равнялась примерно 30 нм/мин.

В магнетронных системах мощность разряда является одним из основных

50

параметров (напряжение и ток разряда являются второстепенными), так как скорость осаждения пленки обычно пропорциональна мощности разряда. Это объясняется тем, скорость осаждения пропорциональна числу атомов, распыленных с поверхности мишени в единицу времени. Число таких атомов равно произведению коэффициента распыления на величину тока разряда . Ве-

личина коэффициента распыления зависит от энергии налетающих ионов – в диапазоне энергий от сотен электрон-вольт до десятков килоэлектрон-вольт наблюдается увеличение коэффициента распыления с ростом энергии налетающих частиц [7]. В магнетронном разряде энергия ионов, падающих на мишень, равна примерно = 0, 73 , где – напряжение разряда [31]. Поэтому коэффициент распыления в магнетронных системах является функцией напряжения разряда. В определенном диапазоне энергий можно считать, что коэффициент распыления линейно зависит от энергии налетающих ионов и, соответственно, от напряжения разряда. Поэтому скорость осаждения оказывается пропорциональной мощности разряда ( ) .

Задачей данной работы является создание тонких защитных покрытий, поэтому было решено, что толщина получаемых пленок не должна превышать

500нм.

Впервой серии экспериментов были получены покрытия из меди при трех значениях температуры нагревателя – при 300 C, 400 C и 500 C. Осаждение

было произведено при трех разных температурах подложки с целью тестирования нагревателя подложки, изучения влияния нагрева подложки на работу системы и на свойства получаемых покрытий. Параметры осаждения были следующими: мощность разряда 300 Вт, напряжение разряда 454 В, время горения 15 мин.

Во второй серии экспериментов были получены покрытия из хрома при температуре нагревателя 500 C. Согласно данным производителя установки, соот-

ношение коэффициентов распыления (и, соответственно, скоростей осаждения) хрома и меди при одинаковых условиях осаждения равно 0,65. Поэтому для получения хромовых покрытий с толщиной, примерно равной толщине медных покрытий, использовались следующие параметры осаждения: мощность разряда 300 Вт, напряжение разряда 291 В, время горения 30 мин.

В третьей серии экспериментов были получены покрытия из титана при температурах нагревателя 500 C и 600 C. При температуре нагревателя 700 C

уже наблюдалось размягчение образцов, поэтому температура 600 C является максимальной температурой нагревателя, при которой возможно нанесение по-

51