УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ И НАНЕСЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК
APPARATUS FOR ION-PLASMA ETCHING AND DEPOSITING THIN FILMS

Изобретение относится к области нанесения тонких пленок в вакууме и может быть использовано в микроэлектронике при разработке установок для ионно-плазменного травления и нанесения тонких пленок различных материалов.
Известна установка ионно-плазменного распыления, в которой вольфрамовый термокатод помещен в отдельную камеру, сообщающуюся с вакуумной камерой через небольшое отверстие. Кольцевой анод и мишень расположены соосно в вакуумной камере. Магнитное поле создается кольцевым соленоидом, установленным снаружи вакуумной камеры [1].
При таком расположении термокатода и анода в магнитном поле плазма собирается в узкий шнур, что приводит к неравномерности распределения ионного тока по поверхности мишени и подложки, а следовательно, к неравномерному травлению и распылению.
Известна установка для ионно-плазменного распыления, в которой в вакуумной камере ионизационная система выполнена в виде двух одинаковых электродов - термокатодов [2].
Недостатками этого устройства являются:
- термокатоды работают поочередно, один из них при работе является анодом, что приводит к его быстрому износу;
- отсутствие магнитной системы не позволяет создать плазму высокой интенсивности и, следовательно, вести качественное распыление или травление.
Известно устройство для ионно-плазменного нанесения тонких пленок, принятое за прототип [3]. Устройство содержит вакуумную камеру, в которой размещена разрядная камера, имеющая щель, напротив которой располагается отражатель. В разрядной камере вдоль щели расположен протяженный термокатод в виде накаленной нити, сбоку от которого расположен анод. Магнитные наконечники постоянных магнитов установлены внутри камеры. В устройстве создается плоский ленточный поток плазмы.
Недостатками устройства являются:
- разрядная камера, находясь внутри вакуумной камеры, вызывает ее дополнительный нагрев;
- нить термокатода утончается неравномерно по длине, при травлении возникает большой разброс глубины травления в различных местах мишени.
Техническим результатом изобретения является увеличение равномерности распределения плотности ионного тока по поверхности мишени и потока наносимого материала, что приводит к повышению качества пленок при увеличении производительности и экономичности устройства.
Технический результат достигается тем, что устройство для ионно-плазменного травления и нанесения тонких пленок содержит вакуумную камеру и магнитную систему. В вакуумной камере расположены анод, протяженный термокатод с отражателем, напротив друг друга распыляемая мишень и подложкодержатель. Анод выполнен в виде полого прямоугольного параллелепипеда, в отверстиях оснований которого расположены мишень и подложкодержатель. Возле открытых торцов расположены напротив друг друга два спиральных термокатода, имеющие полукруглые отражатели, закрывающие торцы. Параллельно мишени и подложке установлены магнитоуправляемые заслонки. Магнитная система выполнена в виде двух соленоидов, связанных магнитопроводом и установленных возле отражателей снаружи камеры. Длина термокатода 1, расстояние между мишенью и подложкодержателем h, расстояние между катодами L и диаметр мишени d выбраны из соотношений:
0.13L≤h≤0.3L; 0.45L≤d; l=1,14d.
Мишень может быть установлена на держателе, выполненном в виде полого куба с возможностью вращения.
Магнитопровод может быть расположен с одной стороны камеры и иметь на концах постоянные магниты.
Отражатели могут быть выполнены полыми с отверстиями со стороны катода.
В данной конструкции технологическая область устройства, то есть пространство между мишенью и подложкодержателем и область непосредственного формирования плазмы высокой плотности совмещены. Конструкция является одной из разновидностей ячеек Пеннинга. Характерной особенностью такой ячейки является наличие двух отражателей, замкнутого анода между ними и продольного магнитного поля.
Плазма в предлагаемом устройстве создается в скрещенных электрическом и магнитном полях. Электроны термокатодов совершают большое количество осцилляции между отражателями, прежде чем попадут на анод. В отличие от известных конструкций на пути потока плазмы нет электродов. Осциллирующие электроны не теряются и тем самым плотность образующейся плазмы не уменьшается.
Протяженный спиральный термокатод позволяет увеличить плотность потока электронов на единицу длины. Соответственно увеличивается поток плазмы.
Полукруглые отражатели могут быть полыми, куда через натекатель подается рабочий газ и выходит через отверстия к катоду. Это также способствует увеличению плотности ионной плазмы.
Параллельно мишени и подложке установлены магнитоуправляемые заслонки, перекрывающие поток распыляемых материалов подложки или мишени. Тем самым препятствующие их загрязнению.
Магнитная система, выполненная в виде двух соленоидов, связанных магнитопроводом и установленных возле отражателей снаружи камеры, создает магнитное поле в пространстве между термокатодами Магнитопровод может быть расположен с одной стороны вакуумной камеры и иметь на концах постоянные магниты, которые создают в пространстве между термокатодами дополнительное однородное магнитное поле. Мишень может быть установлена на держателе, выполненном в виде полого куба с возможностью вращения. При напылении многослойных структур на каждую грань куба помещают мишень, изготовленную из материала одного из слоев. Держатель выполнен полым, что ускоряет его остывание, что способствует повышению производительности.
Соотношения были установлены экспериментально. При этих условиях плазма равномерно распределяется по всей поверхности мишени и образцов, размещенных на подложкодержателе. При этом достигается экономичность распределения плотности ионного тока и повышается качество пленок.
Когда расстояние между мишенью и подложкодержателем h меньше 0,13L возникает неустойчивость зажигания и стационарность горения разряда, а при h больше 0,3L уменьшается плотность плазмы.
Устройство для ионно-плазменного травления и нанесения тонких пленок поясняется чертежом.
На фиг.1 представлено устройство для ионно-плазменного травления и нанесения тонких пленок, где
вакуумная камера - 1,
анод - 2,
протяженный спиральный термокатод - 3,
отражатель - 4,
мишень - 5,
подложкодержатель - 6,
магнитоуправляемая заслонка - 7,
соленоид - 8,
магнитопровод - 9,
натекатель - 10,
отверстие в отражателе - 11,
крышка камеры - 12,
постоянные магниты - 13.
Пример.
Вакуумная камера 1 выполнена из нержавеющей стали Х18Н10Т с двойными стенками диаметром 350 мм и крышкой 12. Камера 1 охлаждается проточной водой. Анод 2 выполнен в виде полого прямоугольного параллелепипеда из молибдена марки МЧ, торцы полости которого открыты, высота полости 25 мм и ширина 86 мм, в основаниях параллелепипеда выполнены отверстия, для мишени 5 диаметром 78 мм, а для подложкодержателя 72 мм. Открытые торцы анода 2 закрыты полукруглыми полыми отражателями 4, выполненными из молибдена МРН. Рабочий газ подается в отражатель 4 через натекатель 10 и выходит к термокатоду 3 через 10 отверстий 11 диаметром 1,5 мм. Термокатод 3 изготовлен в виде спирали из вольфрамовой проволоки ВРН диаметром 0,6 мм. Диаметр спирали 6 мм, а длина l=85 мм. Термокатод 3 установлен перед отражателем 4 и одним концом соединен с ним. В отверстиях оснований анода 2 напротив друг друга установлены мишень 5 и подложкодержатель 6. Расстояние между ними h равно 25 мм, расстояние между термокатодами L равно 160 мм, диаметр мишени d=75 мм, диаметр подложкодержателя 70 мм. Соленоиды 8 с магнитопроводом 9, изготовленным из электротехнической стали марки 10895 и постоянными магнитами 13 из самарий кобальта, установлены снаружи камеры 1 возле отражателей 4.
Устройство для защиты смотрового окна вакуумной камеры работает следующим образом.
-4
Вакуумная камера 1 откачивается до высокого остаточного вакуума 1·10Па. В камеру 1 через натекатель 10 напускают рабочий газ до необходимого уровня давления. Давление в камере поддерживается постоянным в течение всего процесса. На соленоиды 8 подают ток возбуждения. На анод 2 подается электрический потенциал положительный относительно отражателей 4. На термокатоды 3 подается напряжение накала. Между термокатодами 3 образуется плазма. Мишень 5 закрывается заслонкой 7 и на подложкодержатель 6 с установленными образцами подается отрицательный относительно анода 2 электрический потенциал 50-100 В. Происходит процесс травления. Ток разряда составляет 0,8А. Процесс травления идет с увеличением отрицательного потенциала до 0,2-2 кВ.
2
Ионный ток на подложке составляет 500 мА, плотность его 10 мА/см. Неравномерность распределения плотности тока по подложке не более 10%. После окончания травления, открывают заслонку 7 и открывают мишень 5. Закрывают подложкодержатель 6 с установленными образцами заслонкой 7 и открытую мишень 5 протравливают. Открывают заслонку 7, на открытую мишень 5 подают отрицательный потенциал относительно анода 2 и напыляют пленки на образцы. После напыления перекрывают напуск рабочего газа, снимают питающие напряжения и извлекают изделия после остывания из камеры 1 через крышку 12.
Экономичность устройства зависит от эффективности использования ионов газового разряда. Ионы вытягиваются из плазмы на электроды, находящиеся под отрицательным потенциалом относительно плазмы. Расположение мишени и подложкодержателя в полости прямоугольного параллелепипеда обеспечивает значительно больший ионный ток на мишени или подложке, чем на катодах.
Эксперимент проводился на молибденовой мишени. Измеренная скорость ионного травления составила 8 нм/с, а скорость напыления пленок молибдена на подложку 5 нм/с. Мощность рассеивания в устройстве составляла 640 Вт, мощность разряда 160 Вт. Экономичность при токе на подложке (образце) составила 0,62 мА/Вт, что выше, чем в известных устройствах.
Источники информации
1. В.А. Попович и др. «Установка ионно-плазменного распыления», « Электронная техника» Серия 1, Электроника СВЧ, выпуск 5, 1973.
6
2. SU 247001, МПКC23C 14/42, С23С 14/32.
3. US 4175029, НПК 204/298.