Ионное распыление материалов в высокоплотных плазменных потоках Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ЭЛЕКТРОНИКА

"\ Ж 1 ^ж і ■

W

УДК 533.9.01 ИОННОЕ РАСПЫЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ В

ВЫСОКОПЛОТНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКАХ БЕЛОУС В.А.

Обсуждаются результаты работ по созданию технологического источника газовой плазмы. Приводятся характеристики источника плазмы и примеры его применения для очистки и травления поверхности различных материалов.

1. Введение

Процессы ионного травления различных материалов представляют несомненный интерес прежде всего в связи с бурным развитием микроэлектроники, в частности в области прецизионного травления функциональных слоев интегральных схем с помощью автономных ионно-лучевых источников [1]. Ионно-плазменные методы используются, в основном, для травления металлических слоев в процессе изготовления печатных плат и для очистки поверхности изделий сложной формы. При этом требуется высокая эффективность очистки, обеспечение технологической гибкости процесса при обработке изделий из различных материалов, надежность и воспроизводимость результатов обработки. Особенную остроту этот вопрос приобретает при обработке поверхности из химически высокоактивных материалов (в том числе ядерных) перед нанесением на них функциональных покрытий. В ряде же случаев требуется снятие ранее нанесенных покрытий при сохранении геометрических размеров покрытых деталей.

Среди многочисленных методов обработки поверхности заслуживают внимания прежде всего те, которые отличаются высокой производительностью и технологической гибкостью, экологически безопасны и обеспечивают максимальную воспроизводимость свойств поверхности. Этим требованиям в значительной степени отвечают PVD методы. Среди них следует выделить ионно-плазменные процессы обработки поверхности в низко- и среднеэнергетичной плазме.

В данной работе представлены результаты исследований, проведенных автором с сотрудниками, по изучению влияния ионно-плазменного воздействия на поверхность ряда материалов.

2. Экспериментальное оборудование и методы исследований

Эксперименты по ионно-плазменной обработке поверхности различных конструкционных, инст-

рументальных и делящихся материалов проводились на созданной нами установке (рис. 1) [2].

^8

-------------#

Рис.1. Схематический чертеж установки с источником газовой плазмы: 1 — фланец катодного узла; 2 — вольфрамовый катод; 3 — молибденовый экран; 4 — токовводы; 5 — анод; 6 — соленоид; 7 — подложкодержатель; 8 — узел вращения; 9 — вакуумная камера; 10 — сорбционный насос; 11 — натекатель; 12 — баллон с газом; 13 — откачной вакуумный пост; 14, 15, 16 — источники питания

Источник плазмы содержит вольфрамовый накаливаемый катод 2, окруженный цилиндрическим водоохлаждаемым анодом 5 из немагнитной стали. Снаружи анод охвачен соленоидом 6. Плазма генерируется дуговым разрядом низкого давления, горящим в аргоне между термокатодом и анодом в скрещенных электрическом и магнитном полях и через выходной срез анода направляется на подложкодержатель 7 с образцами или изделиями.

Необходимая для конкретного процесса энергия ионов обеспечивалась подачей на подложкодержатель 7 отрицательного по отношению к термокатоду 2 потенциала соответствующей величины.

Разделение имеющихся в плазме электронов и ионов, а также доускорение ионов до требуемой энергии происходит в дебаевском слое вблизи подложкодержателя. При этом процессы образования плазмы, ускорения ионов и воздействия на образец разделены, что позволяет достаточно эффективно управлять их параметрами.

Для оценки последствий воздействия плотных потоков плазмы на поверхность исследуемых образцов использовались традиционные методики.

Топография поверхности после ионной бомбардировки изучалась с помощью растрового электронного микроскопа. Шероховатость облученной поверхности измерялась с помощью профилографа -профилометра.

Температура образцов контролировалась с помощью хромель-алюмелевой термопары и в процессе

РИ, 2001, № 3

27

обработки не превышала 300оС. В качестве рабочего газа использовался предварительно очищенный от примесей аргон.

3. Основные характеристики источника газовой плазмы

Используемый для экспериментов источник газовой плазмы в совокупности с подложкодержателем представляет собой разновидность триодной системы ионно-плазменного травления [3]. Традиционные триодные системы позволяют извлекать ионные токи на подложку с плотностью до 1015 мА/см2. Применение в нашем случае системы скрещенных электрического и магнитного полей (напряженность последнего не превышала 60 Э) позволило увеличить плотность ионного тока на подложку до 70100мА/см2, а также улучшить равномерность обработки поверхности материалов и расширить диапазон рабочих давлений в сторону меньших значений. В качестве рабочих в источнике использовались инертные газы (аргон, криптон, ксенон, гелий, неон), водород, азот.

На рис.2 представлены графики зависимостей разрядного тока плазменного источника Ip от напряженности магнитного поля при разных токах накала.

Рис.2. Зависимость разрядного тока (Ip) источника газовой плазмы от напряженности магнитного поля соленоида (Н) в аргоне ЕА=72В Р=10-1Па:

1 - Ін= 100А; 2 - IH= 120А; 3 - IH= 140А

Из графиков следует, что увеличение напряженности магнитного поля источника от 5 до 60 Э увеличивает разрядный ток источника плазмы в 46 раз.

Было изучено влияние рабочего давления на Ip при использовании в плазменном источнике в качестве рабочих газов водорода, аргона и азота (рис.3).

Во всех газах достигались высокие значения разрядного тока источника, однако диапазон рабочих давлений газа в водороде и азоте, по сравнению с аргоном, смещался в область меньших значений.

Естественно, что при технологическом применении источника пользователей интересуют его возможности по воздействию на обрабатываемый объект. На рис .4 представлена зависимость величины извлекаемого из источника ионного тока от тока несамостоятельного разряда. Ионный ток извлекался на коллектор, расположенный на расстоянии 100 мм от среза анода. Приемная поверхность коллектора имела площадь и 400 см2.

0,001 0,01 0,1 1 Давление, Па

Рис. 3. Зависимость разрядного тока источника газовой плазмы (у от давления рабочего газа (p). IH=100 А, Нэ=60 Э. Рабочие газы: 1 — аргон; 2 — азот; 3 — водород

Рис.4. Зависимость ионного тока (I,) на подложке от разрядного тока (Ip) источника газовой плазмы в аргоне !Н=100А; Ua =80В; ид =300В; Н=60Э; р=110-1 Па

Как следует из рис.4, во всем исследуемом диапазоне разрядных токов (997А) величина ионного тока составляет около 30% от величины тока разряда. Плотность тока изменялась от 0,0075 до 0,078 А/см2 (приведены усредненные значения).

Оценки зарядового состава ионов в плазме, проведенные по ранее разработанной методике [4], показали, что, например, в аргоне доля извлекаемых из источника однозарядных ионов составляет 99 %, а их энергия на выходном срезе источника плазмы не превышает 2022 эВ. Аналогичные результаты по зарядово-массовому составу плазмы были получены в других инертных газах, в азоте и водороде.

Конструктивно источник плазмы выполнен в виде осесимметричной системы с выходным отверстием 0220 мм. Неравномерность плотности тока по сечению пучка (выходной диаметр последнего практически совпадает с размером выходного отверстия источника) не превышает 20%.

4. Ионное распыление металлов

Для изучения процессов ионно-плазменного травления ионной бомбардировке подвергались расположенные на подложкодержателе образцы в виде дисков диаметром 20 мм, толщиной 3 мм, изготовленные из Cr, Ti, Al, Mo и Ст.3. Изучались характеристики распылительной системы, а также зависимости коэффициентов распыления (S), скорости травления (Утр), энергетической эффективно-

28

РИ, 2001, № 3

сти (Кээ) от энергии ионов аргона. Бомбардировке ионами аргона подвергалась одна из плоскостей образца. Боковая и тыльная поверхности защищались от распыления экранами. Убыль массы образцов в ходе экспериментов измерялась весовым методом. В процессе ионного облучения образцов производился строгий контроль основных параметров источника газовой плазмы (ток накала IH, напряженность магнитного поля Н, потенциал анода иа, выходной разрядный ток источника 1р), а также характеристик распылительной системы (отрицательный потенциал подложки Un, ионный ток на подложке Ij) давления в вакуумной камере. По измеренной убыли массы образцов для каждого материала расчетным путем определяли коэффициенты распыления, скорости травления и энергетическую эффективность распылительной системы.

Металлографическое изучение топографии поверхности облученных образцов показало, что вследствие бомбардировки ионами аргона и распыления выявляется структура материала, протравливаются границы зерен и образуется топографический рельеф в виде конусов, ямок травления, мелких бороздок и впадин. Блистеры на поверхности в исследуемом диапазоне флюенсов облучения отсутствовали. При этом шероховатые поверхности распыляются меньше, чем гладкие. Меньший коэффициент распыления шероховатых поверхностей связан, видимо, с частичным улавливанием распыленных атомов соседними микронеровностями.

Измерения шероховатости поверхности Rz на полированном образце из Ст.3 после облучения ионами аргона энергией 200-1000 эВ свидетельствуют о том, что в указанном диапазоне энергий зависимость R (Ej) имеет линейный характер.

Максимальное значение шероховатости не превышает 0,5мкм.

Графики зависимостей коэффициентов распыления (Б)от энергии ионов аргона (Ej), полученные при ионном распылении Ti, Al, Mo, представлены на рис. 5. Данные получены при плотности тока на подложке Jj=1,3 мА/см2.

Рис.5. Зависимость коэффициентов распыления (S) материалов покрытий Al (1), Mo (2) и Ti (3) от энергии ионов Ar+ (Ej)

Для характеристики экономичности процесса распыления удобно ввести коэффициент энергетической эффективности Кээ:

^=W/m, (1)

где W — энергозатраты на распыление материала, Дж; m — масса распыленного материала, г.

Коэффициент энергетической эффективности показывает энергозатраты, необходимые для распыления единицы массы материала. В работе [2] получена зависимость Кээ=Г(Е0 для хромовой подложки, распыляемой ионами аргона. Эта зависимость представлена на рис. 6.

Рис.6. Зависимость коэффициентов энергозатрат (Кэ) (кр.1) и энергетической эффективности (кр.2) от энергии ионов Ar+ при ионном травлении хрома. Ji=1,3мА/см2

Зависимость Кээ=:Р(Е0 имеет экстремальный характер. Явно выраженный минимум Кээ лежит в диапазоне энергии ионов 100300 эВ. При таких значениях Ej максимальная доля энергии ионов расходуется на процесс распыления. При Ед300Эв растет доля энергии ионов, идущая на нагрев подложки.

Для практических приложений интерес представляют скорости травления Утр., характеризующие производительность распылительной системы. В связи с этим были измерены скорости травления ряда металлов в процессе облучения ионами аргона при разных энергиях ионов Ei и разных плотностях ионного тока на подложке Ji. Результаты измерений представлены на рис. 7.

Рис.7. Зависимость скорости травления (Утр.) ряда материалов от энергии ионов Ar: 1 — Cr; 2-Al; 3 — Mo; 4 — Ti; р=0,1Па, J=5 mA/см2

РИ, 2001, № 3

29

Чтобы уменьшить степень риска радиоактивного загрязнения теплоносителя, в ряде случаев [6] наносятся защитные покрытия непосредственно на топливные таблетки или микросферы. Естественно, что операции нанесения покрытий предшествует операция очистки поверхности покрываемых изделий. В этой связи исследовались процессы распыления металлического урана и его окислов.

Как следует из рис. 8, в диапазоне энергий ионов аргона 20 - 600 эВ, при прочих равных условиях, эффективность распыления металлического урана близка к эффективности распыления других металлов (рис.5). Что же касается диоксида урана, то в этом случае эффективность распыления существенно ниже.

Рис. 8. Зависимость коэффициентов распыления чистого урана (1) и диоксида урана (2) ионами Ar+, извлекаемыми из плазмы газового разряда с термокатодом при Ji=1,3 мА/см2

Скорости же травления в обоих случаях вполне приемлемы для практической реализации (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость скорости травления (Утр) диоксида урана UO2 от энергии ионов Ar+ при р = 0,1Па: 1 - Ji = 7,5 мА/см2; 2 - Ji = 4,2 мА/см2

Следует отметить, что с увеличением плотности ионного тока скорость травления всех исследованных материалов линейно возрастает.

5. Ионная очистка материалов

Как следует из приведенных данных, распылительная система на базе разработанного источника плазмы является достаточно эффективной. При этом скорость травления резко увеличивается с ростом энергии ионов и плотности тока на подложку. Так, при травлении диска из Ст.3 площадью

400 см2 при плотности тока J=20 мА/см2 достигалась скорость травления >30 мкм/ч.

Зачастую в технологических ионно-плазменных способах нанесения покрытий процесс ионной очистки поверхности осуществляется ионами металлов, вытягиваемых на подложку из плазмы вакуумной дуги. При этом обеспечивается плотность потока ионов 1015-1016 ион/см2. Из-за взаимодействия молекул остаточного газа с ионами металлов или атомами подложки с образованием труднорастворимых соединений полный флюенс облучения, необходимый для распыления окисных пленок и очистки, может существенно возрасти. Увеличение дозы ионной очистки заметно повышает адгезию покрытия к основе и улучшает защитные свойства покрытия [6]. На практике полный флюенс облучения обеспечивается за время очистки ~ 10 мин.

С другой стороны, как следует из работы [7], плазма вакуумной дуги содержит ионы металлов с заряд-ностью +1, +2, +3 и даже +5 (для молибдена). Средняя зарядность ионов для ряда металлов в плазме вакуумной дуги находится на уровне, близком к +2. Это означает, что энергия ионов металлов при ускоряющем напряжении на подложке 11,5 кэВ может превышать величину 35 кэВ. Такие энергии лежат далеко за пределами области максимальной энергетической эффективности процесса распыления. Поэтому очистка ионами металлов сопровождается сильным нагревом подложки с образцами или изделиями. Это подтверждается и на практике. Для того чтобы избежать перегрева подложки > 500оС, очистку проводят импульсно, с перерывами для остывания подложки, что сильно затягивает общее время очистки. Возможность регулирования тока подложки при бомбардировке ионами металла сильно ограничена. Процесс очистки ионами металла сопровождается появлением микродуг, вызывающих повреждения поверхности.

Очистка материалов газовыми ионами является более “мягкой” по сравнению с описанной выше. Зарядность ионов аргона, как показали измерения, составляет величину +1. Это означает, что при ускоряющем напряжении на подложке - 300В энергия ионов аргона равна ~ 320 эВ. Такое значение энергии ионов аргона лежит в области максимальной энергетической эффективности и при ионной очистке в этом случае обеспечивается минимальный нагрев подложки. Температура подложки за время очистки газовыми ионами не превышает 300оС. Это позволяет проводить процесс очистки непрерывно и сократить общее время этой операции. Очистка газовыми ионами обеспечивает высокую степень чистоты поверхности, а как следует из работы [6], снижение уровня микрозагрязнений подложки обеспечивает низкую пористость конденсатов и высокую адгезию покрытия к основе.

Анализ показывает, что ионная очистка поверхности с использованием распылительной системы на основе разработанного источника газовой плазмы имеет преимущества перед очисткой ионами металлов. Среди них: исключение появления микродуг

30

РИ, 2001, № 3

и вызываемых ими повреждений поверхности; меньший нагрев очищаемой поверхности; сокращение общего времени, идущего на очистку.

Особенно целесообразно использовать такую систему для обработки сложнопрофильных деталей. На рис.10 представлены графики распределения ионного тока по наружной (рис. 10,а) и внутренней (рис.10,б) поверхности трубы диаметром 150 мм, длиной 180 мм с толщиной стенки 5 мм и соотношением d/L=0,8.

Номера зондов

а

Рис. 10. Ионные токи на зонды, размещенные на внутренней поверхности: а— трубы ( рАг = 0,1 Па;

Ідет = 1 А; Идет = - 200 В. 1 - Н = 60 Э; 2 - 30 Э); б -макета детали (рАг = 0,1 Па; Ідет = 1 А; Идет = - 200 В. 1 - Н =60 Э; 2 - 30 Э; 3 - 15 Э)

Видно, что и наружная, и внутренняя поверхности облучаются и, соответственно, обрабатываются достаточно эффективно и равномерно.

Рис. 11 демонстрирует эффективность снятия окис-ной пленки.

Учитывая высокие скорости распыления при сравнительно небольшой энергии ионов (~300-400эВ) и средних величинах плотности ионного тока на подложку (1,5-10 мА/см2), можно утверждать, что описываемая система облучения поверхности деталей является простой, эффективной.

Номера обра т о в

Рис. 11. Убыль массы материала окисленных образцов из Ст.3 (1,2), поставленных на место зондов и подвергнутых ионному травлению с помощью источника аргоновой плазмы; р = 0,1 Па; Ідет = 1 А; идет = - 200 В. 1 — наружная поверхность; 2- внутренняя поверхность

Выводы

Источник низкоэнергетичной плазмы, базирующийся на использовании несамостоятельного дугового разряда, позволяет обеспечивать выходной интегральный ток ионов на подложку до 30А. Исходная энергия ионов инертных газов, азота и водорода не превышает 22 эВ.

При подаче на обрабатываемую деталь отрицательного по отношению к катоду источника потенциала реализуется триодная распылительная система с хорошо регулируемой энергией ионов, бомбардирующих подложку. Эта система является простым, хорошо управляемым инструментом для ионноплазменной обработки поверхности и обеспечивает достаточно большие (до 30 мкм/ч) скорости травления, в том числе для снятия покрытий, ионной очистки перед осаждением покрытий.

Литература: 1. Плазменная технология в производстве СБИС: Пер. с англ. / Под ред. Н.Айнспрука, Д.Брауна, М.: Мир, 1987. С. 297-320. 2. Belous V.A. and Nosov G.I. Proc. of the 6Int. Simp. on Trends and New Applications on Thin Films (TATF’98) Regensburg, Germani, March, 1998. Trans Tech Publications LTD. Р. 303-306. 3. Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов // М.: Энергоатомиздат, 1987. С.88-96. 4. Хороших В.М., Лунев В.М., Овчаренко В.Д. Исследование некоторых характеристик плазмы вакуумной металлической дуги // ЖТФ, 1977. Т.47. Вып.7. С.1486-1490. 5. Зеленський В.Ф, Неклюдов I.M., Ажажа В.М., БілоусВ.А. та ін. Розвиток досліджень в області фізики твердого тіла, матеріалознавства та нових технологій в УФТІ — ННЦ ХФТІ // Укр. фіз. журн., 1998. Т. 43. Вып.9. С.1050-1071. 6. Белоус В.А., Миронов В.В. и др. Пористость вакуумных конденсатов и методы ее определения // М.: ЦНИИ Атоминформ, 1984. 7. Аксенов И.И., Хороших В.М. Потоки частиц и массоперенос в вакуумной дуге // Обзор. М.: ЦНИИ Атоминформ. 1984. С.13-18.

Поступила в редколлегию 14.05.2001

Рецензент: д-р техн. наук Змий В.И.

Белоус Виталий Арсентьевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник ИФТТМТ ННЦ ХФТИ, зам. директора. Научные интересы: физика и химия ионноплазменных покрытий. Адрес: Украина, 61000, Харьков, ул Светлая, 21, кв. 250, тел. 35-07-55, e-mail: belous@kipt.kharkov.ua

РИ, 2001, № 3

31