Магнетронное распылительное устройство для синтезирования неоднородной пленки на поверхности подложки

Полезная модель относится к классу устройств, позволяющих наносить из магнетронной плазмы покрытие высокого качества, в том числе и наноразмерное.
Применение магнитных полей в распылительных системах позволяет уменьшить давление газа в вакуумной камере и обеспечить его практически стопроцентную ионизацию, что положительно сказывается на чистоте синтезируемых тонких пленок.
Если силовые линии электрического и магнитного полей параллельны, то траектории электронов представляет собой спираль с непрерывно изменяющимся шагом: они вращаются вокруг силовой линии магнитного поля за счет поперечной компоненты скорости и движутся равноускоренно вдоль силовых линий обоих полей.
Магнетронное распыление в скрещенных (ортогональных) электрическом и магнитном полях в настоящее время представляется самым востребованным методом синтеза наноразмерных пленок. При этой технологии траектории движения электронов даже в однородном магнитном поле представляют собой сложные пространственные кривые и плохо поддаются моделированию и аналитическому расчету. Поэтому эмпирические представления до сих пор имеют определяющее прикладное значение. При анализе движения частиц в магнетронном разряде нужно учитывать ограничение разрядного объема электродами, процессы на их поверхностях и реальное распределение электрического поля в межэлектродном промежутке. На траектории движения частиц влияют конфигурация электродной системы, величина напряженности и конфигурация магнитного поля.
До недавнего времени целью всех технологических разработок являлось получение максимально совершенных и однородных пленочных покрытий. Однако в последнее время наметилась тенденция к синтезу неоднородных пленок, особенно в наноразмерном диапазоне. Причем неоднородными они могут быть по различным параметрам - по составу, по толщине, по структуре, по каким-либо свойствам и т.д. Отчасти это связано с развитием и применением фрактального подхода к технологическим процессам и последним достижениям фрактальной физики и геометрии. Вне конкуренции здесь использование газового разряда в магнетронных распылительных устройствах (МРУ).
Для реализации подобной неоднородности можно, например, использовать структурированные электромагнитные поля видимого диапазона, вводимые в вакуумную камеру в процессе синтеза пленок [Способ получения тонких пленок с фрактальной структурой. Серов И.Н., Марголин В.И. Патент РФ на изобретение №2212375, приоритет от 14.11.2002, выдан 20.09.2003, МКП 7 В82В 3/00, Опубл. 20.09.2003, Бюл. №26.] Но на этом пути возникают громадные трудности, связанные как с созданием устройств, реализующих такие поля, так и с их "одноразовостью" - при необходимости изменить какой-либо элемент структуры поля или синтезируемой пленки необходимо менять все устройство целиком - заново его разрабатывая и конструируя.
Более целесообразным и технологичным является использование магнетронных распылительных устройств с неоднородным управляемым магнитным полем в разрядном промежутке. Такое поле будет влиять на прохождение ионов от катода к аноду-подложке, и направлять различные части потока в соответствующие локализации подложки, формируя таким образом локальные зоны неоднородности.
В работе [Исследование характеристик плазмы в несбалансированной магнетронной распылительной системе А.А. Соловьев, Н.С. Сочугов, К.В. Оскомов, С.В. Работкин // Физика плазмы, 2009, том 35, №5, с. 443-452] в целях изучения процесса формирования и переноса носителей заряда в магнетронном разряде с несбалансированной конфигурацией магнитного поля были проведены зондовые измерения характеристик плазмы и энергии ионов в области, простирающейся от магнитной ловушки у поверхности катода до подложки.
В настоящее время о пространственных распределениях параметров плазмы, особенно в магнетронах с несбалансированной конфигурацией магнитного поля, известно очень немного. Поэтому основной задачей работы Соловьева с соавторами было экспериментальное определение распределения характеристик плазмы в пространстве между катодом и подложкой в магнетронной распылительной системе с электромагнитной катушкой, позволяющей изменять конфигурацию магнитного поля над поверхностью катода в широких пределах.
Было показано, что для увеличения плотности плазмы в области подложки необходимо создать в пространстве между ней и магнетроном аксиальное магнитное поле, величина которого достаточна для эффективного удержания электронов и предотвращения их ухода на стенки камеры. При этом потенциал плазмы может понижаться до отрицательных значений, а характеристики плазмы в пространстве катод-подложка распределяются весьма неравномерно, что может быть использовано для синтеза неоднородных пленок. Энергетические распределения ионов в магнетронном разряде являются неравновесными, имеют максимум, соответствующий термализованным частицам, ионизованным при потенциале плазмы, и высокоэнергетический хвост с энергиями до 20-30 эВ. Интенсивность высокоэнергетического хвоста в распределениях ионов по энергиям зависит от давления в камере, степени несбалансированности магнетрона и локальных распределений магнитных полей.
Известна магнетронная распылительная система с дополнительным соленоидом [Мельников С.Н., Кундас С.П., Свадковский И.В. Моделирование и численные исследования параметров магнетронных распылительных систем // Доклады БГУИР, 2007. - июль - сентябрь (19), №3.], содержащая расположенные в вакуумной камере анод и катодный узел, включающий катод-мишень, магнитный блок из постоянных магнитов и дополнительный соленоид, расположенный параллельно линиям электрического поля. Использование дополнительного соленоида, установленного в промежутке катод-мишень - подложка, позволяет управлять соотношением ион/атом в процессе нанесения.
Недостатком использования соленоидов в качестве магнитов является большее, по сравнению с постоянными магнитами, искривление силовых линий, что приводит к градиенту в направлении, перпендикулярном силовым линиям и искажает траектории движения электронов. Кривизна линий вызывает такое специфическое дрейфовое движение, обусловленное изменением направления магнитного поля, как центробежный дрейф, т.е. дрейф под действием центробежной силы для частиц, движущихся вдоль силовых линий.
Для повышения равномерности распыления катода-мишени целесообразно применять длинные соленоиды с однородным магнитным полем, а также специальные магнитопроводы. Однако это увеличивает массу, размеры и усложняет конструкцию установок, но не приводит к абсолютной равномерности распыления из-за ухода ионов на торцы системы и снижению их концентрации на краях МРС.
По совокупности существенных признаков наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является магнетронное распылительное устройство сбалансированного типа, которое содержит вакуумную камеру, расположенные в вакуумной камере анод, катод-мишень и магнитный блок. (RU №134932 U1, МПК С23С 14/35.27.11.2013 «Магнетронная распылительная система»).
Недостатком известного устройства является наличие постоянных магнитов, расположенных под катодным узлом, что позволяет реализовывать магнетронное распыление в ортогональных (скрещенных) полях. Однако, использование постоянных магнитов представляет собой значительные неудобства. Требования к изменению конфигурации магнитного поля приводят к необходимости изменения расположения магнитов или вообще их замены, что нетехнологично. Кроме того, магнитные поля постоянных магнитов не подлежат регулировке.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является обеспечение возможности управлять распределением силовых линий и напряженности магнитного поля в разрядном промежутке и осуществлять реализацию их различных конфигураций, определяющих перераспределение потока наносимого материала в пространстве и на поверхности подложки в соответствии с требуемым распределением материала и/или его свойств по подложке.
Поставленная задача решается за счет того, что, так же, как известное, предлагаемое магнетронное распылительное устройство для синтезирования неоднородной пленки на поверхности подложки содержит вакуумную камеру, расположенные в вакуумной камере анод, катод-мишень и магнитный блок. Но, в отличие от известного, магнитный блок состоит из соленоидов, расположенных под катодом-мишенью ортогонально линиям электрического поля, соленоидов, расположенных над поверхностью анода ортогонально линиям электрического поля, причем соленоиды, расположенные над поверхностью анода повернуты на 90 градусов в своей плоскости относительно соленоидов, расположенных под катодом-мишенью, а параллельно линиям электрического поля по периметру катода-мишени и анода расположены соленоиды, ортогональные плоскостям анода и катода-мишени.
Достигаемым техническим результатом является осуществление возможности управлять распределением силовых линий и напряженности магнитного поля в разрядном промежутке и реализовывать их различные конфигурации, определяющие перераспределение потока наносимого материала в пространстве и на поверхности подложки в соответствии с требуемым распределением материала и/или его свойств по подложке.
Магнетронное распылительное устройство для синтезирования неоднородной пленки на поверхности подложки работает следующим образом. Между катодом-мишенью и анодом зажигается газовый разряд и включаются соленоиды, параллельные вектору электрического поля, вследствие чего удлиняется траектория движения электронов в разрядном промежутке, обеспечивая практически полную ионизацию атомов и молекул распыляемого материала.
Затем включаются соленоиды, расположенные под катодом-мишенью и над анодом и путем подбора их параметров (тока, напряжения, при необходимости расположения) достигается требуемое распределение параметров магнитного поля в межэлектродном пространстве, приводящее к перераспределению до этого однородного потока распыляемого материала в соответствии с требуемыми параметрами. Это может быть неоднородное, но контролируемое распределение примеси по поверхности подложки; толщины пленки в различных локациях подложки; латентной структуры синтезируемой пленки и других параметров.
К сожалению, подбор управляющих параметров для соленоидов осуществляется эмпирическим опытным путем для каждой конкретной установки, конкретного материала и конкретной решаемой задачи. Производить расчеты конфигурации магнитных полей и их параметров даже в общем виде пока не представляется возможным вследствие отсутствия соответствующей вычислительной базы и конкретного понимания происходящих в разрядном промежутке процессов взаимодействия неоднородных магнитных полей с распыляемым материалом.
Полезная модель поясняется чертежами, не включающими вакуумную камеру, где на фиг. 1 показана конструкция предлагаемого магнитного распылительного устройства - вид сбоку, а на фиг. 2 - вид сверху, где 1 - катод-мишень; 2 - анод; 3 - соленоиды, расположенные под катодом-мишенью; 4 - соленоиды, расположенные над анодом, ортогонально соленоидам, расположенным под катодом-мишенью; 5 - соленоиды, ортогональные плоскостям анода и катода-мишени. Пунктиром показаны соленоиды, расположенные вне видимости.
Для проверки работоспособности предлагаемого магнетронного распылительного устройства были проведены экспериментальные исследования на основе модернизированного вакуумного поста ВУП-4М, оснащенного дополнительным магнетронным устройством по предлагаемой полезной модели. Производилось распыление рафинированной меди. Подбор параметров соленоидов (напряжения и тока) позволил синтезировать на подложке неоднородную по толщине пленку меди, представляющую собой систему "холмов" высотой до 1 мкм и пленочное поле между ними толщиной 0,2-0,3 мкм.