МАГНЕТРОННАЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к плазменной технике и предназначена для нанесения посредством магнетронного распыления металлических и полупроводниковых покрытий в виде тонких пленок на различные изделия, часто в источниках информации называющиеся подложками, выполненные из металлических, полупроводниковых, диэлектрических материалов. Полезная модель может быть использована в различных областях промышленности: машиностроении, оптике, микроэлектронике, электротехнической и других отраслях промышленности, где для изделия необходимы щадящие условия нанесения пленок различных материалов.
Магнетронные распылительные системы (МРС) должны обеспечивать высокую скорость распыления, равномерность нанесения покрытия по толщине, не допускать нагрева подложки выше температуры, заданной техническими условиями, для чего в конструкции МРС предусматривается охлаждение подложки. МРС также должны быть надежными в эксплуатации. При разработке конструкций МРС необходимо обращать особое внимание на то, чтобы обеспечивался свободный разлет частиц распыляемого материала.
В зависимости от конфигурации электрических и магнитных полей в пространстве между электродами и размеров плазменной области разряда МРС делятся на два типа: сбалансированные и несбалансированные МРС (Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн. 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. К.: Аверс, 2008. С.146-149).
В сбалансированных МРС силовые линии магнитного поля располагаются над поверхностью мишени, при этом основная их часть дважды пересекает поверхность мишени, соответственно плазма разряда локализуется в непосредственной близости от мишени.
В несбалансированных МРС силовые линии магнитного поля ориентированы преимущественно в сторону подложки. В таких МРС плазма разряда распространяется до подложки.
В случае, когда необходимы щадящие условия нанесения покрытий или тонких пленок на подложку, локализация плазмы разряда вблизи мишени является одним из обязательных условий работы МРС, без чего невозможно добиться необходимого качества покрытия (Кузьмичев А.И. Магнетронные распылительные системы. Кн.1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. К.: Аверс, 2008. С.146-149). Ниже эта проблема будет рассмотрена более подробно.
Типовая МРС содержит анод и катодный узел, включающий мишень, которая является собственно катодом, и магнитный блок, расположенные в вакуумной камере (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы, М.: Радио и связь, 1982, С.11, 58). В зависимости от конфигурации создаваемого магнитного поля, как уже было отмечено, типовая МРС может быть как сбалансированного, так и несбалансированного типа.
В обоих случаях при подаче постоянного электрического потенциала на анод между мишенью и анодом возникает тлеющий разряд. Эмитирующие из-за ионной бомбардировки с поверхности мишени электроны под действием соответствующим образом ориентированных электрического и магнитного полей движутся вдоль силовых линий магнитного поля по спиралевидным траекториям, претерпевая на своем пути многократные столкновения с атомами рабочего газа и ионизируют их. Это приводит к росту плотности плазмы (соответственно к росту скорости распыления мишени).
Наличие в МРС охлаждения магнитного блока обеспечивает эффективность процесса распыления и надежность устройства.
К недостаткам типовой конструкции МРС при использовании ее в качестве сбалансированной МРС можно отнести возможность нарушения условий для локализации плазмы разряда вблизи мишени. При работе МРС некоторая часть силовых линий магнитного поля оказывается направленной в сторону подложки, что, в свою очередь, приводит к попаданию электронов в пространство между анодом и подложкой. Подложка, как правило, располагается на подложкодержателе. В процессе распыления частицы распыляемого материала свободно летят во всех направлениях. В результате осаждения частиц распыляемого материала на поверхности подложкодержателя, даже при условии его выполнения из диэлектрического материала, возникает контакт между подложкой и заземленным корпусом МРС. Зачастую подложка крепится непосредственно к корпусу МРС, и такой контакт возникает с начального момента распыления. Подложка, оказываясь под потенциалом земли, начинает выполнять функцию электрода, имеющего отрицательный по отношению к аноду потенциал. Электроны, проникающие в область между анодом и подложкой - электродом, приводят к ионизации атомов рабочего газа в области между анодом и подложкой и образованию плазмы разряда вблизи подложки. Из-за расширения области плазмы разряда и ее контакта с подложкой, подложкодержателем и другими элементами вакуумной системы увеличивается процесс газовыделения из-за десорбции загрязнений с поверхности этих элементов. Внедрение загрязнений в тонкое покрытие приводит к снижению качества покрытия. Приходится производить непрерывную «промывку» рабочего объема инертным газом, особенно в установках, работающих в промышленных условиях. При этом поток инертного газа может достигать 100 Па л/сек (Данилин Б.С., Минайчев В.Е. О рациональном использовании откачных средств для установок ионного распыления и травления материалов. Электронная техника. Сер. Микроэлектроника, 1974, вып.3(51), С.90-99). Кроме снижения качества покрытия отмеченные обстоятельства ведут к повышенному энергопотреблению при работе МРС, обусловленному повышением тока разряда из-за увеличения области плазменного разряда, что особенно ощутимо при работе МРС в промышленных условиях. Кроме того, происходит перерасход инертного газа из-за необходимости частой «промывки» рабочего объема камеры.
Из описания к патенту РФ 2220226, МПК С23С 14/35, 2003 известна МРС, имеющая специальную распылительную камеру, соединенную с системой подачи рабочего газа. Такая камера с достаточной гарантией позволяет локализовать плазму в разрядной области. Напыление происходит в основном объеме вакуумной камеры, а распыленные частицы доставляются к подложке через специальное отверстие или сетку. Однако наличие распылительной камеры усложняет конструкцию МРС.
За прототип полезной модели выбрана типовая МРС, описанная в (Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы).
Задачей полезной модели является повышение качества покрытия при сохранении простоты конструкции МРС.
Технический результат полезной модели заключается в том, чтобы не допустить воздействия плазмы разряда на подложку.
Магнетронная распылительная система сбалансированного типа содержит расположенные в вакуумной камере анод и катодный узел, включающий мишень и магнитный блок.
В отличие от прототипа магнетронная распылительная система снабжена электродом, выполненным в виде сетки из тугоплавкого металлического материала, рабочий потенциал которого равен потенциалу катода, расположенной по отношению к аноду со стороны, противоположной катодному узлу, при этом расстояние между анодом и сеткой выбирается как можно более малым, но большим расстояния, при котором между ними возможен электрический пробой.
Рекомендуется выполнять сетку из следующих материалов: молибдена, вольфрама, тантала.
Сущность технического решения, защищаемого в качестве полезной модели, заключается в предотвращении пролета электронов из области плазмы разряда между мишенью и анодом в область между анодом и обрабатываемой подложкой посредством сетки, которая имеет отрицательный относительно анода потенциал (потенциал катода) и тем самым оказывает тормозящее действие на электроны, ускоренные полем анода.
Расстояние между сеткой и анодом должно быть как можно более малым, чтобы электроны, получившие движение вдоль силовых линий магнитного поля, направленных в сторону подложки, тормозились отрицательным относительно анода потенциалом сетки и притягивались анодом, не попадая за пространство анода. Тем самым предотвращается возможность ионизации атомов рабочего газа в области между анодом и подложкой и воздействия плазмы на подложку. Вместе с тем расстояние между сеткой и анодом не должно быть меньшим расстояния, при котором между ними возможен электрический пробой.
Устранение плазмы из области, где располагается подложка, значительно снижает в этой области интенсивность газовыделения. Кроме того, исключается воздействие плазмы на поверхность подложки. Все отмеченное повышает качество покрытия и ведет к снижению энергопотребления при работе МРС.
Полезная модель является новой, несмотря на известность использования сетки в МРС, имеющих специальную распылительную камеру, соединенную с системой подачи рабочего газа. Как уже было отмечено выше, напыление в таких МРС происходит в основном объеме вакуумной камеры, а распыленные частицы доставляются к подложке через специальное отверстие или сетку. То обстоятельство, что альтернативой сетке служит отверстие, уже свидетельствует о выполнении этим отверстием или сеткой только функции разделения объема вакуумной камеры на два функционально различающихся отсека.
Полезная модель поясняется рисунком, на котором показан общий вид МРС
МРС состоит из магнитопровода 1, выполненного из магнитомягкого материала, на котором установлен кольцевой постоянный магнит 2, покрытый мишенью 3. Все три элемента в совокупности, образуют катодный узел МРС, устанавливаемый на охлаждаемом столике вакуумной камеры (на фиг. не показаны). Для лучшего отвода тепла от катодного узла между ним и охлаждаемым столиком размещают теплопроводящую пасту (на фиг. не показана). Кольцевой анод 4 устанавливают на некотором расстоянии от мишени, которое при необходимости можно изменять с целью определения оптимальных параметров горения магнетронного разряда, так как анод 4 и катодный узел механически не связаны.
Близко к аноду со стороны, противоположной к катодному узлу, установлена металлическая сетка 5. Сетка выполнена из тугоплавкого металла, например, вольфрама и закреплена в вакуумной камере на специальных держателях (на фиг. не показаны). Поз. 6 показана условная поверхность, совпадающая при работе магнетронной распылительной системы с поверхностью обрабатываемой подложки (на фиг. не показана). В качестве мишени 3 могут использоваться металлические или полупроводниковые материалы в зависимости от того, какое покрытие необходимо получить на поверхности подложки (на фиг. не показана).
Магнетронная распылительная система работает следующим образом: между анодом 4 и мишенью 3 создается разность потенциалов с помощью высоковольтного источника питания (на фиг. не показан). Через систему напуска рабочего газа (на фиг. не показана) непосредственно в разрядную область между мишенью и анодом подается рабочий газ. Под действием разности потенциалов между анодом и мишенью рабочий газ ионизируется, возникает и поддерживается тлеющий разряд. Магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 2, локализует большую часть плазмы разряда в непосредственной близости от мишени. Распыленные частицы, имея определенную длину пробега, достигают подложки и образуют на ее поверхности покрытие. Электроны, получившие движение вдоль незамкнутых силовых линий магнитного поля, направленных в сторону подложки, тормозятся отрицательным относительно анода потенциалом сетки и притягиваются анодом вследствие малого расстояния между сеткой и анодом, чем, в результате, предотвращается возможность ионизации атомов рабочего газа в области между сеткой и подложкой, которая при работе системы находится под потенциалом земли (также отрицательным относительно анода).
Заявляемая МРС была сконструирована, изготовлена и опробована в лабораторных условиях. Сетка была изготовлена из вольфрама. Размер ячеек сетки был выбран равным 5×5 мм. Расстояние между анодом и сеткой было выбрано равным 1,5 см. Длина свободного пробега распыленных частиц составляла примерно 7 см.
МРС была опробована, в частности, в двух ниже приведенных случаях, когда
+
1) В качестве распыляемой мишени была использована пластина монокристалла Si(111). При этом ток магнетронного разряда был равен 260 мА, энергия ионов рабочего газа (Ar) равна 400 эВ. Скорость роста пленки на полированной керамической подложке составила 60 нм/мин.
+
2) В качестве распыляемой мишени использован хром. При этом ток магнетронного разряда был равен 130 мА, энергия ионов рабочего газа (Ar) равна 500 эВ. Скорость роста пленки на полированной керамической подложке составила 25 нм/мин.
В обоих случаях отмечено высокое качество получившейся пленки.