Устройство для электронно-лучевого осаждения оксидных покрытий

Заявляемое техническое решение относится к области плазменной техники, может быть использовано в электронно- и ионно-лучевой технологии, а также в технологии тонких пленок. Известно устройство электронно-лучевого испарения (Electron beam evaporator, патент США US 3467057 А). Устройство включает в себя электронный источник с термокатодом, расположенный в рабочей камере, систему отклонения электронного пучка, тигель с испаряемым материалом и держатель подложки, расположенный напротив испарителя. Из-за наличия термокатода давление в камере не может превышать 0,01 Па. При испарении оксидов имеет место их частичное разложение, результатом чего становится осаждение нестехиометрического покрытия с недостатком кислорода, что ухудшает диэлектрические свойства покрытия. Кроме того, неподвижный держатель подложки не обеспечивает однородность покрытия по всей площади подложки.
Известно также устройство для нанесения покрытий (Патент РФ № RU 2496912 «Способ нанесения покрытий электронно-лучевым испарением в вакууме»), в котором электронный источник, создающий электронный пучок, расположен на фланце рабочей камеры. В камере расположены тигель с испаряемым веществом и держатель подложки. Кроме того, рядом с держателем подложки расположены электроды. На эти электроды, служащие анодом, и тигель подается напряжение, обеспечивающее зажигание разряда в парах испаряемого вещества. Это техническое решение, во-первых, улучшает адсорбцию падающих на подложку частиц и, во-вторых, позволяет контролировать скорость осаждения покрытия путем отслеживания тока разряда. Недостаток устройства также состоит в том, что в случае испарения оксида, осаждающийся на подложку диэлектрический слой неизбежно оказывается с дефицитом кислорода, что ухудшает диэлектрические свойства. Использование в устройстве термокатодного электронного источника не позволяет поднять давление активного газа, например, кислорода, выше 0,01 Па. Как и в предыдущем устройстве, держатель подложки неподвижен, что не может обеспечить однородность покрытия.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство для формирования оксидных слоев, предложенное в способе осаждения оксидных покрытий (Патент США US 6608378 В2 Formation of metal oxide gate dielectric). В этом устройстве электронный источник расположен в рабочей камере. Система отклонения электронного пучка обеспечивает его попадание на тигель с испаряемым материалом. Держатель подложки расположен напротив тигля. Внутри камеры расположен ионный источник, формирующий пучок ионов кислорода, направляемый на подложку. Ионы кислорода обеспечивают реакцию окисления. Недостаток устройства состоит в невозможности обеспечения однородности покрытия из-за неподвижности подложкодержателя. К неоднородности покрытия приводит наличие диаграммы направленности потока испаренного вещества и неоднородного распределения плотности потока ионов в ионном пучке.
Цель заявляемого технического решения состоит в повышении однородности наносимого оксидного покрытия при сохранении его стехиометрии. Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, включающем рабочую камеру, электронный источник, тигель с испаряемым материалом, держатель с размещенной на нем подложкой, на фланце рабочей камеры расположен второй электронный источник, ориентированный так, что его ось пересекает подложку на расстоянии Δ от центра подложки, равном половине ее радиуса, держатель подложки имеет электропривод, обеспечивающий вращение держателя относительно оси, проходящей через держатель и тигель, и в камере поддерживается давление кислорода 10-20 Па. Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение однородности наносимого оксидного покрытия при сохранении его стехиометрии.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, представленным на Фиг. На верхнем фланце рабочей камеры 1, откачиваемой механическим форвакуумным насосом, установлен плазменный электронный источник 2, создающий сфокусированный электронный пучок 3. В рабочей камере размещен тигель 4 с испаряемым материалом. В камере расположен держатель 5 с закрепленной в нем подложкой 6. На боковом фланце камеры установлен второй плазменный электронный источник 7, генерирующий расфокусированный электронный пучок 8. Ось источника пересекает подложку на расстоянии Δ от центра подложки, равном половине ее радиуса. Держатель подложки имеет электропривод 9, обеспечивающий вращение держателя относительно оси, проходящей через держатель и тигель. Оба электронных источника снабжены фокусирующими системами 10, позволяющими изменять фокусировку пучков. Отличие от прототипа состоит в использовании для облучения подложки электронного источника вместо ионного, а также наличия электропривода, обеспечивающего вращение подложкодержателя.
Устройство работает следующим образом. По достижении в рабочей камере предельного давления, обеспечиваемого форвакуумным насосом, в камеру напускают кислород до давления 10-20 Па. Затем включают источник расфокусированного электронного пучка, облучающий подложку. Этот пучок производит ионизацию кислорода, повышая его реакционную способность. Одновременно он нагревает поверхность подложки, что в последующем благоприятно сказывается на структуре растущего покрытия. После этого включают электропривод, обеспечивающий вращение подложкодержателя и источник сфокусированного электронного пучка, испаряющий материал, находящийся в тигле. Продукты испарения, попадая на подложку, осаждаются на ней, формируя покрытие.
Использование для облучения подложки электронного источника вместо ионного позволяет обеспечить ряд положительных эффектов. Электронный пучок с энергией в единицы килоэлектроновольт при давлениях 10-20 Па распространяется на расстояние 10-20 см без существенных потерь. Ионный пучок с такими энергиями использовать нельзя из-за производимого им распыления осаждаемого покрытия. Снижение энергии ионов до значений, не превышающих сотни электронвольт, приводит к их рассеянию из-за малой длины (единицы миллиметров) свободного пробега. Электронный пучок не только повышает реакционную способность кислорода, производя ионы и атомы, но и нагревает подложку, что положительно сказывается на качестве осаждаемого покрытия. Расположение электронного источника так, что его ось пересекает подложку на расстоянии Δ от центра подложки, равном половине ее радиуса, в сочетании с вращением подложкодержателя позволяет повысить однородность осаждаемого покрытия, т.к. в этом случае повышается однородность распределения энергии электронного пучка по подложке. Диапазон давлений 10-20 Па выбран из условия обеспечения максимального количества активного кислорода - ионов и атомов. При давлении менее 10 Па это количество снижается благодаря возрастанию длины свободного пробега электронов. Давления выше 20 Па нарушают работу электронных источников из-за пробоя ускоряющего промежутка. Повышение однородности наносимого оксидного покрытия при сохранении его стехиометрии достигается сочетанием трех факторов: диапазона давления кислорода, наличия источника расфокусированного электронного пучка, облучающего подложку, и вращения подложкодержателя.
Полезный эффект от использования предлагаемого устройства продемонстрирован в эксперименте. Вакуумная установка оснащена двумя электронными источниками с плазменными катодами. В тигель помещен брусок кварца размером 20×20×10 мм. В качестве подложки в подложкодержателе закреплена полированная пластина кремния диаметром 76 мм. В камеру напускался кислород до давления 15 Па. Включенный после этого источник расфокусированного электронного пучка создавал пучок с энергией 3 кэВ и током 30 мА. Затем был включен привод держателя подложки, обеспечивший вращение со скоростью 1 оборот в секунду. Включение источника сфокусированного электронного пучка с энергией 10 кэВ и током 100 мА вызвало нагрев бруска кварца, в результате чего через 30 с после включения началось испарение материала. Процесс продолжался в течение пяти минут, после чего были выключены оба электронных источника и электропривод держателя подложки. Через пять минут после выключения подложка была извлечена из камеры. Покрытие имело цвет, одинаковый по всей подложке, и изменяло окраску при наклоне подложки. Измерения толщины, выполненные с использованием эллипсометра «ЛЭФ-3М», дали значения толщины в интервале 590-600 нм и показателя преломления 1,44-1,46.
Эксперимент, выполненный в аналогичных условиях с неподвижным подложкодержателем, привел к получению пленки оксида кремния с толщиной, изменяющейся по подложке, в пределах 570-620 нм и показателем преломления 1,44-1,49. Сравнение результатов указывает на полезный эффект при использовании предлагаемого технического решения.