Исследование магнетронного разряда с полым катодом для получения металлических пленок

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНЕТРОННОГО РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

Ю.П. ЦАРЬГОРОДЦЕВ, доц. каф. физики МГУЛ, канд. техн. наук,

Н.П. ПОЛУЭКТОВ, проф. каф. физики МГУЛ, д-р техн. наук,

В.Н. ХАРЧЕНКО, проф. каф. физики МГУЛ, д-р техн. наук,

И.А. КАМЫШОВ, асп. каф. физики МГУЛ

Магнетрон с полым катодом - новый тип источника плазмы для осаждения пленок с использованием атомов и ионов металла. Особенностью этого разряда является высокая концентрация плазмы (более 1012 см-3 при давлении 1 мТор), создаваемая в большом (103 см-3) объеме, низкая (10-50 эВ) и легко изменяемая энергия ионов, приходящих на подложку, что обусловливает его применение для создания адгезионных, диффузионных и затравочных слоев в канавках (тренчах) и межслойных отверстиях субмикронных структур с большим аспектным отношением [1, 2]. В разряде на смеси инертных и реактивных газов можно получать компаундные многослойные пленки с наноразмерными структурами [3]. Образование пленок в таком разряде сопровождается большими потоками низкоэнергетических ионов, что позволяют получать пленки с уникальными свойствами.

В данной работе приведены результаты исследования магнетронного разряда с полым катодом. На рис. 1 показана схема установки. Катод магнетрона выполнен в виде закрытого с одного конца цилиндра (диаметр 8 см, длина 7 см), изготовленного из меди и охлаждаемого водой. В него можно вставлять цилиндрические мишени из различных металлов, изготовленные и листов толщиной 1-3 мм. Питание катода производилось от инверторного источника мощностью до 12 кВт (20 А, 600 В). Вакуумная камера состоит из катода - источника плазмы и реактора (диаметр 35 см, длина 55 см). Для откачки использовался турбомолекулярный насос, подача газа через электронный регулятор расхода. Магнитное поле создавалось столбиками из Sm- Co магнитов (8 шт) или Fe-Ne-B магнитов (12 шт), расположенных

caf-physics@mgul.ac.ru вокруг катода. Концы столбиков соединены кольцевыми железными магнитопроводами. Индукция магнитного поля вблизи цилиндрической поверхности катода составляет 550 Гс для Sm- Co магнитов и 800 Гс для Fe-Ne-B магнитов. Магнитная пробка на выходе из катода, образуемая такой конструкцией, удерживает вторичные электроны внутри катода. Скрещенные ExB поля вызывают дрейф электронов в азимутальном направлении, в результате внутри полого катода создается плазма высокой концентрации (> 1012 см-3). Коэффициент использования мишени в таком катоде высок, зона эрозии занимает почти всю цилиндрическую часть. Те электроны и ионы, которые имеют начальную аксиальную скорость, способны покидать полый катод и распространяться вниз по потоку. Для данного катода диаметр центрального керна потока порядка 5 см на расстоянии 20 см от среза магнетрона. Для расширения потока плазмы и создания более однородного радиального распределения на расстоянии нескольких сантиметров от среза установлен электромагнит, магнитное поле которого включено навстречу магнитному полю постоянных магнитов, образуя на выходе магнетрона поле касповой конфигурации. Чтобы уменьшить радиальные потери плазмы, между катодом и заземленным анодом устанавливалась цилиндрическая вставка диаметром 160 мм и длиной 110 мм, находящаяся под плавающим потенциалом.

Температура электронов, функция распределения электронов по энергиям, концентрация ионов и электронов, а также плавающий потенциал Vf и потенциал плазмы Vs определялись из зондовых характеристик цилиндрических (г = 0,175 мм, l = 5 мм) зондов Лэнгмюра.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008

139

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рис. 2. ВАХ разряда для различных давлений

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

N., 101!См 3

- 4= 0 А

- 4л= -0,6 А D

- L = -1,25 А

а)

R, см

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Рис. 3. Радиальные распределения: а) концентрации электронов; б) потенциала плазмы V плавающего потенциала V f и средней температуры электронов <T> в зависимости от тока электромагнита /л . Ar, p = 5 мТор, расход Ar 50 см3/мин, I = 8 A, U = 384 В. 20 см от магнетрона

0 1

2 3 4 5

12 4 10

8

3

6

4

2

2

10

N, 1011см-3 9 мТор ^ :

5 мТор

-

s' б) -

* W, кВт

2345

0

1

Рис. 4. Зависимость потенциала плазмы Vs, плавающего потенциала V , средней температуры электронов T ср - а); концентрации электронов Ne - б) от мощности разряда. р = 8 мТор, расход 50 см3/мин . Электромагнит выключен. 20 см от магнетрона, r = 0 см

140

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Рис. 5. Зависимость нормализованных интенсивностей Рис. 6. Профиль эрозии мишени маг-

спектральных линий от мощности разряда. р = 4 нетрона по его длине

мТор. 20 см от магнетрона

Регистрация вольт-амперных характеристик производилась при помощи модулей NI 6221 и SC 2345 фирмы National Instruments. Программа сбора данных написана на языке LabView.

ВАХ зонда, состоящая максимум из 640 пар точек напряжение-ток (каждая точка получается осреднением 10 - 30 измерений), регистрируется за время менее 3 с. Программа зондовых измерений имеет графический интерфейс, позволяет оперативно управлять процессом сбора данных, просматривать графики ВАХ.

Измерение спектров излучения плазмы производилось с помощью монохроматора с дисперсией 2,4 нм/мм. Радиальные зондовые и спектральные измерения производились на расстоянии 20 см от магнетрона.

На рис. 2 показаны вольт-амперные характеристики (ВАХ) разряда для различных давлений при магнитном поле B = 800 Гс. С увеличением давления напряжение разряда уменьшается, что связано с ростом концентрации плазмы. Вероятность ионизации атомов электронами пропорциональна концентрации нейтральных частиц, а уменьшение энергии электронов в данном диапазоне давлений, приводящее к обратному эффекту, незначительно.

Влияние магнитного поля электромагнита на радиальные характеристики плазмы, измеренные на расстоянии 20 см от среза магнетрона, можно увидеть на рис. 3. Увеличение магнитного поля электромаг-

нита, направленного навстречу магнитному полю постоянных магнитов, с одной стороны, приводит к росту однородности потока, с другой - падению концентрации плазмы (рис. 3а). При мощности разряда 3 кВт и давлении 5 мТор концентрация плазмы на оси разряда уменьшается с 7,2Н0П см-3 при выключенном электромагните до 3^ 1011 см-3 при токе 1,25 А. Вольт-амперные характеристики разряда не зависят от тока электромагнита, т.е. внутри магнетрона концентрация плазмы не меняется. Как следует из рис. 3б, на расстоянии 20 см от магнетрона температура электронов уменьшается при включении электромагнита. Вероятно, это происходит вследствие роста потерь на возбуждение и ионизацию атомов при увеличении сечения потока. Тем не менее, большие величины концентрации и температуры электронов на таком расстоянии позволяют эффективно ионизовать распыленные атомы металла на пути их движения к подложке.

Отметим также, что энергия ионов на изолированную подложку, равная e(Vp - Vf), не превышает 20 эВ.

Влияние мощности на параметры разряда в его центре на расстоянии 20 см от магнетрона показано на рис. 4 а, б. Плазменный и плавающий потенциалы, средняя температура электронов слабо зависят от мощности, а концентрация плазмы растет почти линейно с мощностью до уровня 1,5 кВт, затем показатель степени уменьшается до 0.6. При задан-

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 6/2008

141

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ной мощности концентрация плазмы увеличивается с ростом давления разряда, так как увеличивается число столкновений электронов с атомами.

Возрастание концентрации и числа высокоэнергетичных электронов с увеличением мощности разряда вызывает эффективную ионизацию распыленных атомов меди. На рис. 5 показаны зависимость нормализованных интенсивностей спектральных линий атомов и ионов Ar и Cu от мощности разряда (интенсивности линий при W = 300 Вт принята за 1).

С увеличением мощности в 10 раз интенсивность излучения атомов аргона возрастает в 10 раз, атомов меди в 20-25 раз, а ионов меди и аргона в 100-120 раз. Эти измерения указывают на возможность достижения больших степеней ионизации потоков распыленных атомов мишени. Из рис.6, на котором приведен профиль эрозии (черные точки), следует, что длина зоны распыления составляет 5 см. Видно, что эрозия неравномерна по длине катода. Как известно, наибольшая величина эрозии происходит в области, где магнитные силовые линии параллельны поверхности мишени. Данный профиль эрозии был получен при длине столбиков магнитов

7,5 см. При увеличении длины магнитных столбиков до 10 см профиль стал более плоским (светлые точки).

Плазма при низких давлениях характеризуется сильной неравновесностью: температура электронов 2-10 эВ (1 эВ = 11600 К), в то время как температура атомов и ионов на два порядка меньше. Образование пленок при воздействии больших потоков ионов и атомов не может быть описано равновесной термодинамикой и, как следствие, часто наблюдается образование метастабильных фаз. Способность синтезировать материалы при существенно более низких температурах по сравнению с равновесными - важное свойство разрядов при низких давлениях в установках плотной плазмы.

При температуре подложки 0,3Тплавл < Т < 0,5Т и значительных потоках ионов пленка имеет волокнистую структуру, в которой кристаллы растут перпендикулярно

поверхности подложки с плотной упаковкой (пустоты 5 %). Поток энергетичных частиц перераспыляет атомы металла со слабой адгезией, стимулирует поверхностную миграцию атомов металла и, в конечном счете, приводит к образованию пленок с высокими физическими и электрическими параметрами. Кроме того, только под действием потока энергетических частиц можно получать пленки с различной кристаллической структурой. Эффект ионной бомбардировки зависит от плотности потока ионов Г. и их

г

энергии E Используя формулу для плотности потока ионов

Г

0,6Ц

при T = 3 эВ и концентрации ионов аргона nAr+ = 6п0п см -3, получаем ГЛг+ = 2.4П016 см-2с. Для ионов меди эти величины равны nC+ = 8П010 см -3, получаем ГСи+ = 8П015 см-2с. В исследуемом разряде как J, так и E. могут независимо друг от друга варьироваться в широком диапазоне параметров, изменяя мощность и давление разряда, ток электромагнита и расстояние до подложки. На расстоянии 20 см от среза магнетрона поток нейтральных атомов меди ГСи = 0,25 (nCu)vCu = = 3П015 см-2с, т.е. степень ионизации потока металла в = ГСи+/(ГСи+ + ГСи) = 0,65. Данным потокам соответствует скорость осаждения 130 нм/мин. В разряде аргона при давлении 5 мТор и мощности магнетрона 3 кВт скорость осаждения меди на подложку, расположенную на расстоянии 20 см от мишени, составила 120 нм/мин, что хорошо согласуется с расчетным значением.

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ № 08-08-00455.

Библиографический список

1. Klawuhn E., D^outo G.C, Ashtiani K.A., Rymer P., Biberger M.A., Levy K.B. Ionized physical-vapor deposition using a hollow-cathode magnetron source for advanced metallization // J.Vac.Sci.Technol. -2000. - A18(4). - P.1546 -1549.

2. Vyas V., Kushner M.J., Scaling of hollow cathode magnetrons for ionized metal physical vapor deposition // J. Vac.Sci.Technol.- 2006. - A24, P.1955-1969.

3. Anders A. Metal plasmas for the fabrication of nanostructures // J.Phys.D:Appl.Phys. - 2007. -Vol.40. - P. 2272-2284.

142

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008