CC BY
71
Разработка новых типов датчиков и устройств для контроля и управления системами различного назначени
ПОЛУЧЕНИЕ НАНОСТРУКТУРНЫХ ПЛЕНОК В УСТАНОВКАХ ВЫСОКОПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ
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,
ИИ. УСАТОВ, асп. каф. физики МГУЛ
poluekt@mgul.ac.ru
Среди различных способов получения наноструктурных пленок в нашей статье рассмотрим осаждение пленок в плазме низкого давления методом распыления. В данном методе в результате бомбардировки катода-мишени положительными ионами инертного газа происходит выбивание атомов металла (рис.1), которые осаждаются на подложке. В электронной промышленности наиболее широко используется магнетронный тлеющий разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях. Плазма в аргоне загорается между анодом и катодом, который изготовлен из распыляемого металла. На катод подается отрицательное напряжение 400-800 В. Электроны захватываются магнитным полем и совершают сложное циклоидальное движение по траекториям вблизи поверхности мишени. Область плазмы с высокой концентрацией (более 1011 см-3) в виде тора малого объема толщиной порядка 1 см, а вне его - концентрация уменьшается до 109-1010 см-3.
Начиная с 80-х гг. появились так называемые источники высокоплотной плазмы (терминология относится к области плазменных технологий). Эти источники создают плазму с концентрацией более 1011 см-3 в большом (несколько литров) объеме. Получение пленок в таких установках стимулируется большими потоками ионов, что позволяет получать наноструктурные пленки с уникальными физическими свойствами (высокая адгезия, прочность более 40 ГПа, высокая теплопроводность). К таким источникам относится индуктивно связанный разряд, СВЧ-ЭЦР-разряд, геликонный разряд и некоторые другие. Область рабочих давлений таких источников от единиц до десятков мТорр и плазма неравновесная. Температура атомов и ионов порядка 0,1 эВ, а температура элек-
тронов 1-5 эВ. Процесс образования пленок существенно неравновесный.
Особые сложности возникают при осаждении пленок на рельефных субмикронных структурах. В качестве примера можно привести металлизацию сквозных отверстий и канавок (тренчей) при создании СБИС (проводящие шины для управления транзисторами). В обычном магнетроне поток распыленного металла состоит почти на 100 % из нейтральных атомов и ими нельзя управлять. Изотропное распределение частиц здесь приводит к тому, что на верхней части субмикронной структуры образуется навес,
МАГНИТЫ
Рис. 1. Схема установки магнетронного разряда
Рис. 2. Получение пленок металла в глубоких субмикронных канавках в магнетронном (а) и магнетронном разряде с полым катодом (б)
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
173
Разработка новых типов датчиков и устройств для контроля и управления системами различного назначени
ИФП МОНОХРОМАТОР КАМАК
Рис. 3. Схема установки СВЧ-ЭЦР разряда
а внутри - полость (рис.2а). Чтобы провести анизотропную металлизацию узкого отверстия, необходим поток частиц, приходящий на поверхность структуры вдоль нормали. Одним из возможных способов решения данной проблемы является ионизации распыляемого металла. Позитивный эффект состоит в том, что на ионы можно воздействовать электрическим полем слоя перед подложкой (рис. 2б). Для увеличения вероятности ионизации распыленных атомов мишени необходимо создавать плазму высокой концентрации во всем объеме между мишенью и подложкой (15-20 см).
В лаборатории кафедры физики МГУЛ созданы два источника высокоплотной плазмы - на основе СВЧ-ЭЦР разряда и магнетрона с полым катодом.
В СВЧ-ЭЦР источнике плазма образуется в результате поглощения СВЧ волны плазмой, находящейся в магнитном поле, в условиях электронно-циклотронного резонанса, когда ларморовская частота вращения электронов равна частоте падающей волны
2,45 ГГц. Из источника (рис. 3) (диаметр 15 и длина 25 см) плазма вытекает в технологическую камеру (диаметр 35 и длина 55 см), где устанавливается подложка [1].
Эта установка обладает рядом преимуществ. Во-первых, перед подложкой можно устанавливать цилиндрические мишени для распыления, причем несколько из различных металлов, на которые подается отрицательное напряжение. Во-вторых, можно производить предварительную плазменную очистку подложки до начала распыления мишеней. В-третьих, методом распыления можно получать не только металлические, но и диэлектрические пленки, если к аргону добавлять химически активный газ (О2, N2 и т.п.). Также важно отметить, что пленки можно получать не только распылением, а методом плазмохимического осаждением из газовой фазы (например, водорода с добавками ацетилена или метана для углеродных нанотрубок и т.д.). Кроме того, можно производить травление пленок в химически активных газах (разряды во фтор- и хлорсодержащих газах).
174
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
Разработка новых типов датчиков и устройств для контроля и управления системами различного назначени
Рис. 4. Схема установки магнетронного разряда с полым катодом
Далее мы рассмотрим более подробно характеристики источника плазмы нового типа - магнетрона с полым катодом. Он предназначен для осаждения пленок с использованием атомов и ионов мишени методом распыления. Особенностью этого разряда является высокая концентрация плазмы (более 1012 см-3 при давлении 1-10 мТор), создаваемая в большом объеме, низкая (10-50 эВ) и легко изменяемая энергия ионов, приходящих на подложку. Такой источник применяется для осаждения адгезионных, диффузионных и затравочных слоев в канавках (тренчах) и межслойных отверстиях с большим аспектным отношением (глубина/ширина) при производстве современных СБИС [2].
Схема установки магнетронного разряда с полым катодом кафедры физики показана на рис. 4 [3]. Катод магнетрона выполнен в виде закрытого с одного конца цилиндра (диаметр 14 см, длина 10 см), изготовленного из меди и охлаждаемого водой. В него можно вставлять цилиндрические мишени из
различных металлов. Мощность источника разряда - до 12 кВт. Магнитное поле создается 18-ю столбиками магнитов из сплава Fe-Nd-B, расположенных вокруг катода, а также электромагнита, установленного вблизи выходного сечения. Концы столбиков соединены кольцевыми железными магнитопроводами. Индукция магнитного поля вблизи цилиндрической поверхности катода составляет 500 Гс. Магнитная пробка на выходе из катода, образуемая такой конструкцией, удерживает вторичные электроны внутри катода. Скрещенные ЕЧВ поля вызывают дрейф электронов в азимутальном направлении, в результате внутри полого катода создается плазма высокой концентрации (более 1012 см-3). Коэффициент использования мишени в таком катоде высок, зона эрозии занимает почти всю цилиндрическую поверхность. Те электроны и ионы, которые имеют начальную аксиальную скорость, способны покидать полый катод и распространяться к подложке. Для данного катода диаметр центрального керна потока
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
175
Разработка новых типов датчиков и устройств для контроля и управления системами различного назначени
Рис. 5. Вольт-амперные характеристики разряда при разных давлениях (а); зависимость концентрации от мощности разряда на расстоянии 17 см от выходного сечения (б)
Рис. 6. Радиальные распределения: а) концентрации электронов; б) - потенциала плазмы V (• о), плавающего потенциала Vf (■ □) и средней температуры электронов <T> (▲ А) в зависимости от тока электромагнита I . Ar, p=10 мТор; I=6 A; U=290 В; расстояние от магнетрона 17 см
Рис. 7. Функции распределения электронов по энергиям (а) и концентрация плазмы (б) как функция расстояния от среза магнетрона
176
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2012
Разработка новых типов датчиков и устройств для контроля и управления системами различного назначени
Рис. 8. а) - Металлизация тренча 5 х 1 мкм2. 270 нм - верх, 220 нм - дно, 100 нм - стенки (р = 10 мТорр, W = 3 кВт, Ar + Al). б) - Металлизация ступенчатого отверстия 1.5 х 0.4 мкм2 (р = 5 мТор, W = 2,6 кВт)
составляет порядка 5 см на расстоянии 20 см от выходного сечения магнетрона. Для расширения потока плазмы и создания более однородного радиального распределения на расстоянии нескольких сантиметров от среза и установлен электромагнит, магнитное поле которого включено навстречу магнитному полю постоянных магнитов.
Из источника плазма поступает в технологическую камеру, в которой установлен водоохлаждаемый алюминиевый диск с подложками для нанесения пленок.
Качество получаемых пленок зависит от величины и энергии потока набегающих частиц (ионов, нейтралов, электронов) и температуры подложки. Для определения этих параметров плазмы производились зондовые и спектральные измерения с помощью автоматизированной системы сбора данных на базе аппаратуры фирмы National Instruments и программного обеспечения в среде LabVIEV.
На рис. 5а приведены вольт-амперные характеристики разряда в аргоне для разных давлений с медной мишенью (ток до 16 А, напряжение менее 400 В). Характеристики указывают на высокую проводимость плазмы. На рис. 5б показана зависимость концентрации плазмы на оси разряда и расстоянии 17 см от выходного сечения магнетрона. Из нее видно, что концентрация плазмы растет линейно с мощностью и даже на большом
расстоянии превышает 1011 см-3. Основной вклад в концентрацию плазмы вносят ионы аргона, а концентрация ионов меди 10-25 %.
Влияние магнитного поля электромагнита на радиальные характеристики плазмы, измеренные на расстоянии 20 см от среза магнетрона, показано на рис.6. Увеличение магнитного поля электромагнита, направленного навстречу магнитному полю постоянных магнитов, с одной стороны, приводит к росту однородности потока, с другой - к падению концентрации плазмы (рис. 6). Следует отметить, что энергия ионов на изолированную подложку, равная e(Vp - Vf), порядка 20 эВ. Подавая напряжение смещения (ускоряющее напряжение) на подложку можно вызывать перераспыление получаемых пленок (необходимое для осаждения пленок на рельефные поверхности сложной формы). Такое ускорение ионов также необходимо для получения сверхтвердых покрытий. Скорости осаждения - сотни нм/мин, степень ионизации потока распыленного металла - десятки процентов.
Возрастание концентрации и числа высокоэнергетичных электронов с увеличением мощности разряда вызывает эффективную ионизацию распыленных атомов меди. На рис. 7а представлены функции распределения электронов по энергиям на разных расстояниях от источника. На рис. 7б показано продольное распределение концентрации
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 7/2012
177
