13.2. Методы ионно-плазменного распыления

Ионно-плазменная технология позволяет получить для микросхем проводящие, резистивные, диэлектрические, полупроводниковые и магнитные пленки, обладает по сравнению с вакуум-термической технологией преимуществами, многие из которых особенно важны при промышленном производстве ИС:

1) большая площадь распыляемой пластины материала – мишени, выполняющей функции источника атомов осаждаемого вещества, позволяет получить равномерные по толщине пленки на подложках больших размеров, что обеспечивает эффективную реализацию группового метода обработки;

2) мишень представляет собой длительно незаменяемый источник материала, что облегчает автоматизацию, повышает однородность процесса;

3) обеспечивается высокая адгезия пленки к подложке благодаря большой энергии конденсирующихся атомов;

4) получение пленок из тугоплавких металлов протекает без чрезмерного перегрева вакуумной камеры;

5) возможно получение окисных, нитридных и других пленок в результате химических реакций атомов распыляемого металла с вводимыми

в камеру газами;

6) возможно наносить на подложку соединения и сплавы без диссоциации и фракционирования, т.е. без изменения исходного состава.

Методы ионно-плазменного распыления включают в себя:

ионно-плазменное распыление на постоянном токе (катодное распыление);

высокочастотное ионно-плазменное распыление;

реактивное ионно-плазменное распыление.

13.2.1. Механизмы распыления вещества потоком ионов

Для распыления мишени используют ионы инертных газов (обычно аргон высокой чистоты). Источником ионов служит тлеющий разряд. Ионное распыление происходит путем импульсной передачи энергии от ионов плазмы атомам вещества электрода с последующим радиационным разрушением. Попав в вещество, ион на пути пробега растрачивает свою энергию при соударении с атомами вещества. В случае, когда переданная атомами энергия превышает энергию их смещения, атомы могут покинуть свои места в кристаллической решетке, образуя смещенные атомы. Первично смещенные атомы при достаточном запасе энергии смещают другие атомы и т.д. Таким образом, вдоль пути иона образуются каскады смещенных атомов. Часть смещенных атомов может достичь поверхности облучаемого ионами тела и покинуть ее, т.е. произойдет ионное распыление.

Основной характеристикой, определяющей эффективность распыления, является коэффициент распыления, представляющий собой среднее число атомов мишени, распыленных одним ионом. Коэффициент распыления зависит от энергии иона, его массы (рода рабочего газа), материала мишени, а также от угла падения иона. Характеристика потока вещества, испускаемого с распыляемой поверхности, определяется:

а) составом распыленных частиц; б) энергетическим спектром частиц; в) угловым распределением частиц.

Состав распыленных частиц слагается из атомов и ионов основного вещества; ионов, атомов и молекул примесей и газов, содержащихся в материале мишени, рабочего и фоновых газов. Энергетический спектр распыленных атомов и ионов вещества определяется условиями распыления: природой и энергией первичных ионов, природой распыляемого вещества и углом вылета атомов из мишени. Распыленные частицы обладают широким спектром энергий вплоть до нескольких сотен электронвольт. При распылении сплавов скорость процесса для разных компонентов в общем случае различна. Обеспечить заданный состав пленок при ионом распылении в большинстве случаев проще, чем при термическом вакуумном напылении. Один из приемов заключается в использовании составных (мозаичных) мишеней . Соотношения площадей компонентов мишени рассчитывают исходя из заданного состава пленки и коэффициентов распыления.

13.2.2. Ионно-плазменное распыление на постоянном токе (катодное распыление)

Простейшая диодная установка ионно-плазменного распыления на постоянном токе состоит из (рисунок 13.16): рабочей камеры (1); катодамишени (2), который выполняет две функции: является источником электронов (за счет автоэлектронной эмиссии) и мишенью распыляемого материала; анода (3) с расположенными на нём подложками (4).

Сначала система откачивается до предельного вакуума. После этого в неё напускается инертный газ (аргон) до давления 10 –1 – 10 –2 Торр. При подаче высокого напряжения на электроды катод эмитирует электроны. Электроны двигаются к аноду, приобретают энергию в электрическом поле и ионизируют атомы газа. В результате происходит лавинообразное нарастание потока электронов к аноду и встречного потока ионов к катоду. В пространстве между катодом и анодом зажигается тлеющий разряд (5). Распределение напряжения в тлеющем разряде приведено на рисунке 13.17:

В простейшем случае тлеющий разряд может быть разделен на две области: область темного катодного пространства, на котором падает практически всё напряжение и область светящегося столба. В области столба концентрация электронов и ионов приблизительно одинакова и велика, благодаря чему эта область обладает высокой электропроводностью, а падение потенциала на ней весьма мало. Состояние газа при этом называют плазмой , а методы напыления, при которых источником бомбардирующих частиц служит плазма – ионно-плазменными . Положительные ионы образовавшейся плазмы ускоряются электрическим полем в области темного катодного пространства разряда и бомбардируют катод. Возникающий разряд может стать стационарным лишь при условии, если с катода в разрядный промежуток будут поступать электроны в количестве, достаточном для поддержания концентрации электронов и ионов в разряде. По достижении катода ионы рекомбинируют с электронами, поступающими на катод из внешней цепи. Освобождающаяся энергия достаточна, чтобы вызвать эмиссию электронов с поверхности катода (так называемая, вторичная электронная эмиссия ), а при определенной кинетической энергии ионы могут выбивать также атомы из материала катода (происходит распыление). Распыленные атомы мишени двигаются преимущественно перпендикулярно её поверхности и осаждаются на подложки, расположенные на аноде.

Вторичные электроны в результате столкновений должны создавать такое количество ионов, которое, с одной стороны, компенсирует их убыль в результате нейтрализации, а с другой, – обеспечивает постоянный приток вторичных электронов с катода. В этом случае разряд поддерживает сам себя и называется самостоятельным тлеющим разрядом .

Как мы говорили, ионно-плазменное распыление характеризуется высокой адгезией пленок к подложке. Причиной повышенной адгезии является запас энергии у конденсирующихся атомов вещества. Избыток энергии обусловливает большую миграционную способность атомов и уменьшает потенциальную энергию системы «пленка – подложка», что, в конечном счете, определяет величину адгезионной прочности. Действительно, при ионно-плазменном распылении атомы вещества достигают подложки со средним значением энергии 5 эВ (энергия атомов, испаренных при 1000 о С, составляет в среднем 0,2 эВ). Таким образом, основной особенностью конденсации пленок, наносимых данным методом, является повышенная кинетическая энергия осаждающихся атомов.

При катодном распылении легче, чем при термическом вакуумном испарении, достигнуть равномерного распределения конденсата по толщине, так как плоский источник атомов – катод может по размерам быть больше расстояния до подложки (30 – 80 мм). Так, при диаметре катода 300 – 350 мм достигается равномерность конденсата по толщине ± 2 % на площади анода диаметром 150 мм. При движении подложек на вращающемся аноде равномерность в распределении конденсата улучшается до ± 1 %.

Для конденсации пленок характерно повышенное содержание в их составе атомов примесных фоновых газов. Загрязнение пленок определяется в основном фоном реактивных атмосферных газов – азота, кислорода, углеводорода, загрязнения же атомами аргона незначительны.

Рассмотренная диодная система обладает рядом недостатков. Так, скорость распыления мишени определяется концентрацией ионов газа, бомбардирующих мишень. Последняя, в свою очередь, зависит от количества электронов, испускаемых катодом-мишенью, и от давления газа в камере. Поскольку эмиссия электронов из холодного катода не велика, приходится создавать достаточно высокое давление газа (10 –1 – 10 –2 Торр). А это, за счет увеличения столкновений распыляемых частиц с атомами газа, ведет к снижению скорости роста пленки и её загрязнению атомами газа. Таким образом, в данных системах не удается получить высокие скорости роста пленок.

Для решения этой проблемы были созданы триодные (трехэлектродные) системы ионно-плазменного распыления. Они отличаются от диодных систем тем, что в них разделены функции катода и мишени. То есть добавляется третий электрод – обычный термоэмиссионный катод (рисунок 13.18):