ПЛАЗМЕННОЕ УСТРОЙСТВО НАНЕСЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ
PLASMA DEVICE FOR APPLICATION OF MULTILAYERED FILM COATINGS

Изобретение принадлежит к технологии изделий микро-, наноэлектроники и устройств микромеханики. Заявляемое техническое решение может быть также с успехом использовано в производстве трехмерных фотонных кристаллов с субмикронными размерами. Известно технологическое оборудование для формирования многослойных контактных систем для интегральных схем большой плотности [В.В.Одиноков. Многокамерное оборудование для металлизации СБИС в вакууме. Электронная промышленность, 1991, №5, с.3-4]. Установка дает возможность формировать качественные контактные системы к полупроводниковым приборам с помощью трех магнетронных распылительных устройств. Особенностью этого технического решения является использование вспомогательной магнитной системы, магнитное поле которой - встречное к магнитному полю распылительных устройств, что уменьшает повреждение полупроводниковых структур плазмой разряда.
Для изготовления низкоомных контактных систем к полупроводниковым сильноточным лавинно-пролетным диодам использовано пять источников материалов, которые скомпонованы радиально в одном вакуумном объеме [Болтовец М.С., Веремiйченко Г.М., Коростинськая Т.В. Багатошарова контактна система для кремнi∈воï структури з мiлкозалягаючим р-n-переходом. Декларационный патент Украины №36917А. МПК H01L 29/40. Заявлено 24.02.2000. Опубликовано 16.04.2001]. При формировании всех контактных систем использованы последовательно термические, электронно-лучевые и термоионный источники нанесения пленок. В технологическом процессе были использованы такие материалы, как Ti, Ni, Pd, Pt и Au. Барьерные слои TiN с низкоомным сопротивлением были сформированы в термоионном устройстве в атмосфере азота. Благодаря использованию такого количества источников для нанесения пленок изготовленные приборы имели большую выходную мощность и могли работать при высоких температурах и уровнях радиации. Несмотря на высокие технологические результаты это техническое решение не может быть использовано при формировании многослойных контактов на подложках большой площади из-за небольших линейных размеров используемых источников материалов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство, описанное в патенте [Волков В.В. Способ нанесения покрытий в вакууме и устройство для его осуществления. Патент 2265077 С1, Россия, МПК С23С 14/34. Заявлено 25.02.2004. Опубликовано 27.11.2005.]. Основой этого устройства являются два или несколько дуговых источников плазмы материалов, предназначенных для формирования многослойных покрытий. Каждый полученный поток плазмы материала транспортируется по соответствующему плазмоводу к плоскости подложки. Камера и дуговые источники плазмы оснащены соленоидальной магнитной системой, которая размещена снаружи технологической камеры и обеспечивает поворот плазменного потока на 90° и отделение капельной и нейтральной компонент. Устройство дает возможность получать многослойные пленочные системы из разнообразных материалов, которые могут наноситься в плазме реактивного газа кислорода, азота или их смеси. Несмотря на высокую производительность и эффективность рассмотренного устройства оно не дает возможности получать многослойные покрытия на подложках большой площади. Обычно зона равномерного нанесения пленок ограничена диаметром расходного катода дугового источника. Другим существенным недостатком является отсутствие управления энергией ионов наносимого материала путем подачи отрицательного или ВЧ-потенциала на поверхность подложки в процессе нанесения пленок металлов, диэлектриков и полупроводников.
Основная цель изобретения - усовершенствование плазменного устройства для нанесения многослойных покрытий на большие площади с управлением их свойствами путем оснащения его диэлектрическим окном с электродом возбуждения ВЧ-разряда, подключением столика с подложкой к ВЧ-генератору и источнику постоянного смещения. При этом взаимное расположение дуговых источников, электрода возбуждения, нижнего соленоидального элемента и столика с подложкой должно быть обусловлено определенными соотношениями. Таким образом, выполнение плазменного устройства с известными элементами, которые размещены определенным образом, дает возможность получить технический результат - значительно увеличить площадь подложки с высокой равномерностью нанесения по радиусу подложки и успешно управлять свойствами многослойных пленочных систем.
Указанный результат достигается за счет того, что:
1. Плазменное устройство нанесения многослойных пленочных покрытий содержит технологическую вакуумную камеру со средствами откачки и систему напуска и дозирования технологического газа, два или больше размещенных горизонтально по периферии камеры дуговых источников наносимых материалов с источниками питания, столик с подложкой, который размещен горизонтально и осесимметрично в нижней части камеры, и магнитную систему, а технологическая камера дополнительно сверху оснащена диэлектрическим окном с электродом возбуждения разряда, который через устройство согласования соединен с ВЧ-генератором, магнитная система выполнена в виде двух соленоидальных элементов, один из которых охватывает верх камеры и размещен после диэлектрического окна, а второй охватывает нижнюю часть камеры, при этом расстояние между поверхностью подложки и осями дуговых источников h определяется соотношением:
i
где M - масса иона наносимого материала, кг;
Е - напряженность электрического поля в промежутке анод-катод дугового источника, В/м;
В - индукция магнитного поля, Гс;
i
V - энергия ионов наносимого материала, эВ;
-19
е - заряд электрона, 1,6·10 Кл.
2. Устройство по п.1 характеризуется тем, что расстояние между плоскостью подложки и центром нижнего соленоидального элемента Z определяется соотношением
r
где B - индукция радиальной составляющей магнитного поля на краю подложки, Гс;
k
d - диаметр катода, м;
п
r - радиус подложки, м;
м
r - радиус соленоида, м;
-31
m - масса электрона, 9,1·10 кг;
e
V - скорость электронов, м/с;
i - суммарный ток в обмотке нижнего соленоидального элемента, А;
a
o
µ=µµ;
µ - относительная магнитная проницаемость;
o
µ - магнитная проницаемость вакуума,
3. Устройство по п.1 характеризуется тем, что расстояние между поверхностью диэлектрического окна и поверхностью подложки Н определяется выражением:
Н=(1/2+n/2)λ, м
где n=0, 1, 2 … - целые числа;
λ - уменьшенная длина волны ВЧ-колебаний на частоте ВЧ-генератора в плазме устройства, м
o
λ - длина волны колебаний в вакууме на частоте ВЧ-генератора, м;
p
ω - частота ленгмюровских колебаний, рад/с;
ω - частота ВЧ генератора, рад/с;
e
Ω - электронная циклотронная частота, рад/с.
4. Устройство по п.1 характеризуется тем, что к столику с подложкой подключены ВЧ-генератор и источник постоянного напряжения.
Новыми признаками, которые имеет данное техническое решение по сравнению с прототипом, являются оснащение плазменного устройства диэлектрическим окном с электродом возбуждения разряда, подключение столика с подложкой к ВЧ устройству и источнику постоянного смещения и взаимные расположения дуговых источников, электрода возбуждения, столика с подложкой и нижнего соленоидального элемента, которые определяются определенными соотношениями, что обеспечивает соответствие заявляемого технического решения критерию изобретения «новизна».
Эти признаки дают возможность достичь заявляемого технического результата - увеличить площадь равномерного нанесения многослойных пленочных систем и управлять физико-химическими и электрическими свойствами каждого слоя и пленочной системы в целом.
Возможность осуществления изобретения и доказательство заявляемых соотношений подтверждается следующими чертежами:
Фиг.1 - Схематическое изображение плазменного устройства нанесения многослойных пленочных покрытий.
Фиг.2 - Радиальное распределение интенсивности плазменного потока в плоскости подложки.
Фиг.3 - Наноразмерная структура, полученная в заявляемом плазменном устройстве.
z
y
Для эффективной транспортировки к плоскости подложки плазменных потоков материалов, наносимых из дуговых источников, необходимо равенство компонент магнитного поля (B=B) в точке О пересечения осей дуговых источников и плазменного реактора (плазменного устройства), как это показано на фиг.1. Воспользуемся выражением для нахождения ионного циклотронного радиуса в подобной разрядной системе, опубликованным в работе [J.Uramoto Bending Method of Discharge Plasma Flow for Ion Plating. J. of the Vacuum Society of Japan. 1984, vol.27, №2, pp.64-77]. Отсюда значение ионного циклотронного радиуса:
i
где V - энергия ионов наносимого материала, эВ;
В - индукция магнитного поля, Гс;
L - длина пути транспортировки плазменного потока от поверхности катода дугового источника к плоскости подложки, м.
С другой стороны:
i
где M - масса иона наносимого материала, кг;
i
V - энергия ионов наносимого материала, эВ.
Согласно источнику информации [С.Д.Гришин, Л.В.Лесков, Н.П.Козлов. Плазменные ускорители. М., «Машиностроение», 1983. С.26] параметры бездиссипативного дугового источника материала подобрали таким образом, что
где Е - напряженность электрического поля в промежутке «анод-катод».
Принимая во внимание, что , выражение (2) будет иметь вид:
Отсюда расстояние между поверхностью подложки и горизонтальной осью дугового источника
Для нахождения расстояния Z между поверхностью подложки и серединой нижнего соленоидального элемента магнитной системы найдем значение радиальной компоненты магнитного поля на периферии подложки, обеспечивающее высокую равномерность плазменного потока по всей площади. При транспортировке плазменного потока от плоскости катода ионного источника к плоскости подложки равномерность интенсивности уменьшается в кольцевой периферийной зоне подложки шириной:
п
где 2r - диаметр подложки, м;
k
d - диаметр катода дугового источника, м.
Для повышения равномерности толщины наносимых пленок в указанной кольцевой зоне необходимо поднять концентрацию плазмы за счет вращения электронов, что обеспечивается только при наличии радиальной компоненты неоднородного магнитного поля нижнего соленоидального элемента. При этом выражение для циклотронного радиуса в дрейфовом приближении будет иметь вид:
r
где B - радиальная компонента магнитного поля в плоскости подложки в периферийной кольцевой зоне, а
r
Радиальную компоненту магнитного поля B нижнего соленоидального элемента в плоскости подложки находим из известного выражения [Л.А.Бессонов. Теоретические основы электротехники. М, «Высшая школа», 1973 г., С.613].
где i - суммарный постоянный ток через нижний соленоидальный элемент, А;
a
µ - абсолютная магнитная проницаемость;
м
r - средний радиус нижнего соленоидального элемента;
N и K - полные эллиптические интегралы первого и второго рода - функции табулированы.
Используя методологию, приведенную в источнике [Л. А. Саркисян. Аналитические методы расчета стационарных магнитных полей. Справочное пособие. М., «Энергоатомиздат» 1993], находим значения полных интегралов:
N=1,9; K=1,2.
М
П
Z
Для упрощения выражения (8) применяем следующее преобразование. Поскольку (r+r)>>, то второй множитель в выражении (8) будет иметь вид:
м
п
Множитель в квадратных скобках упрощаем, подставляя значения N, K, r и r. После необходимых преобразований выражение (8) будет иметь вид:
Откуда:
r
где B находится из выражения (7).
п
Для нахождения расстояния Н между нижней плоскостью диэлектрического окна и поверхностью подложки рассмотрим объем устройства как заполненный магнитоактивной плазмой волновод или резонатор, в котором существуют различные моды высокочастотных колебаний [G.K.Vinogradov. Transmission line balanced inductive plasma sources. Plasma Sources Sci. Technol. 9 (2000) pp.400-412]. Исходя из того, что электрод возбуждения ВЧ-разряда размещен почти симметрично относительно оси плазменного устройства, уменьшение длины волн будет зависеть от радиальной и осевой компонент тензора диэлектрической проницаемости плазмы ε. Компоненты тензора диэлектрической проницаемости плазмы определены в работе [М.В.Кузелов, А.А.Рухадзе, Л.С.Стрелков. Плазменная релятивистская СВЧ электроника. М, Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана. 2002].
Радиальная компонента тензора диэлектрической проницаемости
Продольная компонента тензора диэлектрической проницаемости
где
- ленгмюровская частота электронов плазмы, рад/с; (15)
e
-3
n - концентрация электронов, м;
Уменьшение длины волны, возбуждающейся в плазменном устройстве, зависит от радиальной и осевой компонент тензора диэлектрической проницаемости. Полный тензор диэлектрической проницаемости плазмы будет иметь вид:
Тогда уменьшение длины волн в плазме будет иметь вид:
0
λ - длина волны в вакууме.
Таким образом, в заявляемом плазменном устройстве между поверхностью диэлектрического окна и поверхностью подложки могут существовать волны, кратные λ/2, то есть
где n=0, 1, 2, … - целые числа.
Вариант исполнения плазменного устройства для нанесения многослойных покрытий изображен на фиг.1. К технологической камере 1 со средствами откачки, системой напуска и дозировки газов (на фиг.1 не показано) по периферии пристроено два или несколько дуговых источников 2 наносимых материалов. Сверху осесимметрично над диэлектрическим окном 3 размещен спиральный электрод 4 для возбуждения индукционно связанного разряда. Через согласующий блок 5 электрод 4 соединен с ВЧ-генератором 6. Снизу технологической камеры осесимметрично размещен столик 7 с подложкой 8, на которой формируется многослойное пленочное покрытие. Столик 7 фиксируется с помощью вакуумного изолятора 9. Для управления свойствами пленок или их систем столик может быть соединен с источником постоянного напряжения 10 или с ВЧ-генератором 11. Магнитная система плазменного устройства состоит из двух соленоидальных элементов 12, 13, размещенных снаружи камеры, соответственно, в верхней и нижней частях указаной камеры.
Оптимальное расстояние Н между нижней плоскостью диэлектрического окна 3 и верхней плоскостью подложки 8 выбрано в соответствии с соотношением, заявляемым в формуле изобретения. Расстояние h между горизонтальной осью каждого из дуговых источников 2 и плоскостью подложки также обусловлено заявляемым выражением. Размещение нижнего соленоидального элемента 13 относительно подложки для достижения на плоскости максимальной равномерности плазменного потока фиксируется расстоянием Z, которое обусловлено заявляемым соотношением.
На фиг.2 (кривая 1) показано радиальное распределение ионного тока на подложке. Кривая 2 характеризует распределение ионного тока при расстояниях Z, значительно больших оптимального. Зона равномерного нанесения многослойных покрытий достигает 300 мм.
2
2
Плазменное устройство нанесения многослойных пленочных покрытий работает следующим образом. На первом этапе осуществляется очистка поверхностей катодов дуговых источников. Очистка катодов выполняется при включенных источниках питания и закрытых защитных экранах, отделяющих дуговые источники от объема технологической камеры. Защитные экраны на фиг.1 не показаны. Финишная очистка поверхности подложки выполняется ионами инертного газа из объема индукционно-связанной плазмы при включенных ВЧ-генераторе 6 и соленоидальных элементах 12, 13. При этом на столик с подложкой может подаваться мощность от включенного ВЧ-генератора 11 или с источника постоянного напряжения 10. После этого открываются защитные экраны и свободный от микрокапель ионный поток наносимого материала транспортируется к поверхности подложки, где формируется пленочная структура. Благодаря последовательной или параллельной работе отдельных дуговых источников можно формировать на подложке многокомпонентные и многослойные пленочные системы. Диэлектрические пленки получают путем подачи реактивных газов (ON) в технологическую камеру при одновременной работе дуговых источников. Углеродные, карбидные и алмазоподобные наноструктуры и пленки можно получать путем эрозии углеродных катодов дуговых источников или плазмоактивированным пиролизом углеродсодержащих газов, например таких, как метан, бензол, ацетон и тому подобных.
На фиг.3 приведена микрофотография наноструктурированной поверхности металла-катализатора (Fe), полученная с помощью заявляемого устройства.