4.4. Особенности технологии и оборудование

Магнетронное распыление является универсальным методом, позволяющим получать пленки практически любых материалов, включая легкоплавкие и тугоплавкие металлы, многокомпонентные сплавы, полупроводники и полупроводниковые соединения. При использовании ВЧ-разряда можно также наносить пленки диэлектриков. Возможность варьировать параметры процесса осаждения в широких пределах позволяет получать пленки с требуемыми свойствами. Являясь источником поверхностного типа и представляя возможность выбора конфигурации зон распыления и форм мишеней, МРУ обеспечивает высокую равномерность распределения конденсата по толщине как на планарных, так и рельефных поверхностях. Поскольку подложка не является электродом МРУ, можно осуществлять контролируемое воздействие на условия формирования пленки. С этой целью производится контролируемый нагрев пластин, воздействие на них потоков заряженных частиц путем подачи напряжения смещения (постоянного, регулируемого или высокочастотного) на подложкодержатель, а также на анод МРУ. Работа в широком диапазоне давлений позволяет использовать этот параметр в качестве управляющего рядом свойств пленок: адгезией, структурой, термомеханическими напряжениями, равномерностью и др.

Для распыления сплавов, как и для всех методов ионного распыления, характерно сохранение композиционного состава материала мишени в пленке, причем этот состав сохраняется на протяжении всего срока службы мишени и не зависит от толщины осаждаемой пленки.

Отсутствие нагрева подложек позволяет применять этот метод для нанесения пленок на тонкие гибкие ленты из органических материалов с низкой термостойкостью (майлар, полиимид и др.).

Магнетронным распылением хрома и окиси железа на стеклянные подложки изготавливают высококачественные фотошаблоны.

Этим методом успешно наносят многослойные покрытия типа Cr—Au, Cr—Cu на металлические подложки, металлические пленки типа Cr—Cu—Al, W—Ti—Al, Ti—Pt—Au, пленки Ni—Cr—Au—Cu, используемые в производстве полупроводниковых приборов.

С помощью магнетронного распыления получают магнитные пленки из мишеней в виде тонкой ленты NiFe, сверхпроводящие пленки ниобия, а также пленки Nb₃Sn с температурой фазового перехода 18,3 К.

Широкий класс нитридов, окислов, карбидов, сульфидов, селенидов и других соединений получают реактивным распылением NbN, TaN, CdS, CdSe, TiO₂, Al₂O₃, TaO и др.

Конструкции МРУ для осаждения пленок. Технически наиболее простым является МРУ с плоской мишенью. Типичная конструкция МРУ с диско-

Рис. 4.6. Схемы планарных МРУ: 1 – мишень; 2 – зона эрозии; 3 – анод; 4 – водоохлаждаемый корпус катода; 5 – магнитная система; 6 – заземленный экран; 7 – дополнительный электрод с отрицательным потенциалом

вой плоской мишенью показана на рис. 4.6, а. Магнитная система такого устройства может быть выполнена или на основе электромагнитной катушки, или из постоянных магнитов и располагается под нераспыляемой поверхностью мишени в водоохлаждаемом корпусе катода. Магнитные системы на основе электромагнитных катушек требуют постоянного и стабилизированного электропитания, изоляции относительно катода, собственного охлаждения и находят применение только в исследовательских работах, чтобы управлять индукцией магнитного поля над распыляемой поверхностью мишени для выбора оптимального значения. Из-за большого газовыделения от сильно развитой поверхности катушек их не размещают внутри вакуумных систем. В промышленных условиях предпочтительно использовать постоянные магниты. Кроме того, отдельные магниты позволяют создавать сложные формы магнитных систем и, соответственно, зон эрозии на поверхности мишени. Планарные протяженные МРУ с постоянными магнитами могут быть выполнены больших габаритов (например, длина 610 и ширина 160 мм) и используются для нанесения пленок на поверхности большой площади. Иногда такие распылительные системы размещаются в рабочих камерах последовательно одна за другой (многосекционно). Это способствует повышению производительности оборудования.

В планарных МРУ благодаря совершенной магнитной ловушке электронов создаются наиболее высокие плотности тока распыления и достигаются наибольшие скорости распыления.

При нанесении покрытия с помощью МРУ возможно образование дефектов в полупроводниковых структурах из-за бомбардировки подложки высокоэнергетическими ионами и электронами. Для улавливания электронов на анод МРУ подается положительное смещение от 30 до 100 В. Кроме того, для отражения высокоэнергетических электронов в МРУ вводятся дополнительные электроды (аноды) (рис. 4.6, б). Эти электроды устанавливаются над мишенью, где магнитные силовые линии перпендикулярны ее поверхности.

Для устранения бомбардировки подложки высокоэнергетическими ионами над поверхностью положительного анода размещается дополнительный улавливающий ионы катод (рис. 4.6, в).

Рис. 4.7. Схема МРУ с конической мишенью: 1 – катод; 2 – мишень; 3 – зона эрозии; 4 – анод смещения; 5 – магнитная система; 6 – заземленный анод; 7 – магнитная система

МРУ с коническим катодом. Удовлетворительное распределение толщины пленок на неподвижных изделиях диаметром менее диаметра зоны эрозии и на расстоянии, равном указанному диаметру, обеспечивает использование кольцевой конической мишени. Кроме того, распыление с конической мишени обеспечивает хорошее покрытие ступенек на рельефных подложках (с коэффициентом покрытия 0,5 и более). Так как зона эрозии в конической мишени расположена в наиболее "толстой" ее части, МРУ обладает большим ресурсом эксплуатации мишени. Заземленный корпус является дополнительным анодом системы. Для строгой фокусировки магнитных силовых линий между полюсными наконечниками используется дополнительная магнитная система непосредственно под анодом 6 (рис. 4.7).

Характерной особенностью новых конструкций МРУ является использование нескольких мишеней, одновременно участвующих в процессе распыления. Это позволяет получать пленки сплавов и сложных материалов с одновременным управлением их составом, повышать равномерность пленки по толщине и коэффициент использования материала мишени. Кроме того, уменьшаются размеры мишеней, что весьма важно, поскольку мишени большого размера очень сложно изготовлять, они хрупки и могут растрескиваться.

Для осаждения пленок на пластины большого диаметра используются МРУ с комбинированной мишенью (рис.4.8, а), конической (диаметром 250 мм) и дисковой (диаметром 100 мм), каждая из которых снабжена своей магнитной системой. При соотношении мощностей на конической и дисковой мишенях 0,7:0,3 на кремниевой пластине диаметром 200 мм неравномерность пленки по толщине не превышает 3,3 %.

В МРУ с компрессией магнитного поля (рис. 4.8, б) дополнительные магнитные системы создают между мишенью и подложкой дополнительное магнитное поле заданной конфигурации и величины, оказывающее влияние на основное поле у мишени МРУ. Это позволяет располагать подложку на малом расстоянии от мишени, снижать электронную бомбардировку ее поверхности, увеличивать площадь эрозии мишени или при использовании изменяющегося во времени дополнительного поля сканировать зону распыления по мишени. В последнем случае, применяя комбинированную мишень, можно одновременно распылять разные компоненты, регулировать состав пленки изменением частоты сканирования.

а

а) б)

в)

г)

Рис. 4.8. Схемы МРУ для нанесения пленок с комбинированной мишенью (а), с компрессией магнитного поля (б), с плоскопараллельными мишенями (в), с дополнительным сетчатым электродом и ВЧ-напряжением смещения на подложке (г): 1 – распыляемые мишени; 2 – подложкодержатель; 3 – магнитная система; 4 – источник питания; 5 – система подачи газа; 6 – согласующее устройство; 7 – дополнительная магнитная система; 8 – сетчатый электрод; 9 – источник напряжения смещения на электроде

Для распыления диэлектрических материалов в настоящее время широко используются ВЧ МРУ, которые, однако, гораздо менее эффективны, чем МРУ на постоянном токе. В МРУ с двумя симметричными мишенями, расположенными друг против друга (рис. 4.8, в), благодаря совпадению фаз ВЧ-на-пряжения на поверхностях противоположных мишеней высокоэнергетические электроны, ответственные за ионизацию рабочего газа, не могут покинуть пространство между мишенями, так как каждая из мишеней отталкивает электроны, эмитируемые противоположной мишенью в процессе бомбардировки ее поверхности ионами из плазмы. С увеличением плотности электронов повышается степень ионизации плазмы и, как следствие, скорость распыления.

Для нанесения равномерной пленки на рельефные поверхности и обеспечения планаризации используются МРУ с ВЧ-смещением на подложке (рис. 4.9, г). Чередованием процессов осаждения и травления достигается хорошая планаризация диэлектрика. Подача на дополнительный сетчатый электрод постоянного напряжения смещения обеспечивает улавливание быстрых электронов, тем самым снижая радиационные дефекты в подзатворном диэлектрике и межслойной изоляции многоуровневой металлизации МОП-структур.

Большой запас распыляемого материала и длительность работы МРУ позволяют создавать на их основе установки непрерывного действия с проведением очистки, травления и осаждения в едином вакуумном цикле, что необходимо для гибкого автоматизированного производства СБИС.

МРУ для размерного травления микроструктур. Помимо осаждения пленок МРУ широко используются для реализации процессов размерного травления микроструктур В качестве автономного источника для реактивного ионно-лучевого травления широкого класса материалов используют так называемую магнетронную пушку, разряд в которой горит между анодом, на который подается ВЧ-напряжение, и заземленным катодом. Магнетронная пушка проста по конструкции и пригодна для продолжительной работы с химически активными газами. Она обеспечивает большие разрядные токи (до 1 А) при сравнительно невысоком напряжении (меньше 0,5 кВ) и при использовании C₂F₆ позволяет травить SiO₂ со скоростью 0,5 мкм/мин с селективностью по отношению к поликремнию до 20.