Оптическое управление расходом реактивного газа в процессах магнетронного нанесения покрытий

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет радиофизики и компьютерных технологий

Кафедра физической электроники и нанотехнологий

Магистерская диссертация

Тема: Оптическое управление расходом реактивного газа в процессах магнетронного нанесения покрытий

Минск 2012



Реферат

Объектом исследований является плазма магнетронного разряда в процессах формирования пленок оксида и нитрида титана, нанесенных методом магнетронного распыления при различных условиях проведения процесса. Цель работы - сравнить алгоритмы оптического управления процессом реактивного магнетронного напыления с точки зрения их устойчивости к нестабильности мощности и давления на примере нанесения пленок оксида и нитрида титана стехиометрического состава.

Описана установка, проанализированы особенности метода реактивного магнетронного осаждения. Рассмотрены методы управления расхода реактивного газа при магнетронном осаждении пленок оксида и нитрида титана. Пояснены зависимости, установлены коэффициенты пропорциональности между относительным изменением состава осаждаемого потока, скоростью осаждения и относительной нестабильностью мощности и давления.



Содержание

Введение

1. Магнетронное осаждение пленочных покрытий

1.1 Осаждение пленок металлов

1.2 Осаждение пленочных покрытий сложного химического состава (оксидов, нитридов, карбидов металлов)

1.3 Проблема магнетронного осаждения

1.4 Управление процессом магнетронного осаждения

2. Сравнительное исследование устойчивости алгоритмов оптического управления магнетронным распылением к нестабильности мощности и давления магнетронного разряда.

3. Исследование влияние нестабильности мощности и давления магнетронного разряда на процесс осаждения пленок

3.1 Описание экспериментальной установки

3.2 Методика и результаты экспериментов

Заключение

Список литературы



Введение

Магнетронные распылительные системы, принцип работы которых основан на физическом распылении материала мишени (катода) при газовом разряде в скрещенном электрическом и магнитном полях, считаются наиболее перспективными устройствами для нанесения тонкопленочных покрытий сложного химического состава, в частности, оксидов, нитридов, карбидов, карбонитридов и т.д. различных материалов. Достоинствами таких устройств является: относительно высокие скорости нанесения, высокая степень сцепления покрытия с подложкой, возможность получения равномерных по толщине покрытий на большой площади подложки, возможность получения пленок химических соединений заданного состава. Формирование пленок при магнетронном распылении происходит из потоков частиц, образованных как в низкотемпературной плазме разряда, так и в результате физического распыления материала мишени. По этой причине свойства и структура покрытий определяются, в первую очередь, состоянием и параметрами плазмы магнетронного разряда: химический и компонентный состав; плотность, кинетическая и потенциальная энергия частиц.

Максимально насыщенную информацию о состоянии и параметрах плазмы разряда, ее неустойчивости и динамике переходных процессов дает эмиссионный оптический спектр. Использование интенсивности элементов эмиссионного спектра для разработки способов и устройств управления состоянием плазмы, следовательно, свойствами покрытий, позволяет достичь высоких качественных результатов в технологии вакуумно-плазменного нанесения. Разработанные к настоящему времени системы оптического управления позволяют реализовать различные алгоритмы управления расходом рабочих газов. На практике процессы реактивного магнетронного осаждения проводятся в условиях непостоянства мощности магнетронного разряда и давления в вакуумной камере. По этой причине актуальность приобрел вопрос о сравнении алгоритмов оптического управления с точки зрения их устойчивости к нестабильности мощности и давления.

Цель работы:

Сравнить алгоритмы оптического управления процессом реактивного магнетронного напыления с точки зрения их устойчивости к нестабильности мощности и давления на примере нанесения пленок оксида и нитрида титана стехиометрического состава.



1. Магнетронное осаждение

1.1 Осаждение пленок металлов

Магнетронные распылительные системы (МРС) считаются наиболее перспективными устройствами для нанесения тонкопленочных покрытий сложного химического состава, в частности, оксидов, нитридов, карбидов, карбонитридов и т.д. различных материалов. Достоинствами таких устройств является: относительно высокие скорости нанесения, высокая адгезия покрытия, возможность получения равномерных по толщине покрытий на большой площади подложки, возможность получения пленок химических соединений заданного состава.

Принцип работы магнетронных распылительных систем при нанесении пленочных покрытий.

Рис.1 - Структура магнетронной распылительной системы



Принцип работы магнетронных распылительных систем основан на физическом распылении материала мишени (катода) в тлеющем газовом разряде в скрещенном электрическом и магнитном полях. Особенности функционирования магнетронных распылительных систем (МРС): наличие скрещенных электрического и магнитного полей; локализация электронов в области катода (обусловлено максимальной напряженностью магнитного и электрического полей в области катода); увеличение степени ионизации плазмы разряда за счет увеличения длины траектории электронов. [1,13]

Физические процессы при нанесении пленок магнетронным распылением. Тлеющий разряд на постоянном токе зажигается между катодом и анодом в среде инертного газа (чаще всего аргона) при пониженном давлении 0,1 - 1 Па. Такая величина давления выбирается из условия, что длина свободного пробега электронов плазмы разряда значительно меньше расстояния катод - анод. Это приводит к непрерывному возобновления заряженных частиц (электронов и ионов) в разряде путем ударной ионизации нейтральных атомов в электрон-атомных столкновениях. При отсутствии магнитного поля ионы аргона ускоренно движутся к катоду, приобретая энергию, близкую к разности потенциалов катод - анод. При разности потенциалов в сотни вольт - единицы кВ происходит интенсивное физическое распыление катода. Распыленные нейтральные частицы материала катода, покидая катод с энергией единицы - десятки эВ, осаждаются на подложку или стенки вакуумной камеры, образую там пленочное покрытие. Относительно большая энергия распыленных частиц по сравнению с энергией частиц при термическом испарении вносит свои особенности в процесс формирования покрытиях[9].

Относительно высокая энергия конденсирующихся частиц и наличие активирующего воздействия на подложку (основной вклад вносит ионная бомбардировка) привели к следующим особенностям формирования пленок:

- образование переходного слоя (ПС) на границе раздела пленка подложка;

- сплошные пленки образуются при их минимальных толщинах, причем обладают меньшим размером зерен и большей плотностью, чем термически нанесенные;

- рост пленки происходит при любой плотности потока конденсирующихся частиц на подложку.

Образование ПС, т. е. отсутствие резкой границы между материалом пленки и подложки, обусловлено частичным внедрением распыленных частиц в подложку, Наличие ПС приводит к высокой адгезии пленки. При образовании ПС происходит изменение электрофизических параметров контакта. Можно получить невыпрямляющие контакты к легированным полупроводникам без высокотемпературной обработки, снизить переходное сопротивление контакта. Указанные выше особенности формирования пленок обусловлены активирующим воздействием плазмы, приводящим к высокой плотности зародышеобразования на поверхности подложки.

При наложении на плазму разряда магнитного поля (рис.1) в области катода возникают зоны со скрещенными магнитным и электрическим полем. Величина магнитного поля выбирается из условия: ларморовский (циклотронный) радиус вращения электронов значительно меньше расстояния катод - анод. Это соответствует индукции магнитного поля 0,02 - 0,08 Т. Электроны плазмы, а также электроны, эмитированные из катода в результате ион-электронной эмиссии, попадают в ловушку. Траектория их движения к аноду резко увеличивается. Это приводит к возрастанию числа электрон-атомных столкновений и в результате к возрастанию степени ионизации (числа ионов и электронов) и возбуждения плазмы в зонах скрещенных полей. В итоге возрастает ионный поток на катод, скорость распыления катода и скорость осаждения покрытия. В тоже время магнитное поле практически не влияет на характер движения ионов, так как их ларморовский радиус при указанных индукциях намного больше расстояния катод - анод .

Скорость распыления возрастает с увеличением мощности разряда и имеет максимум в зависимости от давления инертного газа. Максимум достигается при давлениях 0,5 - 0,8 Па. Рост скорости с изменением давления от 0,1 до 0,5 Па обусловлен ростом плотности ионного потока на поверхность мишени. Спад при давлениях выше 0,8 Па связан с увеличением вероятности возвращения распыленных атомов на мишень в результате процесса обратного рассеяния (отражения) на атомах инертного газа. Главным фактором, ограничивающим скорость распыления, является максимальный поток мощности, который может быть подан на мишень, не вызывая ее плавления. Для металлов с хорошей теплопроводностью допустимая плотность мощности определяется возможностями водяного охлаждения мишени и может составлять до сотен Вт/см2, что соответствует скорости распыления 1 - 5 мкм/мин.

Нейтральные атомы аргона движутся хаотически, сталкиваясь между собой, стенками камеры, катодом, анодом и подложкой, так как на их движение поля не действуют.

Следует отметить, что процессы магнетронного распыления относятся к низкотемпературным, т. е. температура подложки в процессе осаждения лежит в интервале 50 - 200 С в зависимости от условий процесса. Дополнительный нагрев подложки внешними источниками является еще одним фактором управления свойствами пленок.

Требования к минимуму внутренних механических напряжений пленок можно удовлетворить подачей смещения на подложку (потенциала относительно анода). Изменяя величину смещения можно получить как растягивающие, так и сжимающие напряжения. Смещение, при котором напряжения минимальны, строго индивидуально для данного металла. Кроме этого, величина и тип напряжения в пленке определяются давлением рабочего газа в процессе осаждения и в меньшей мере скоростью осаждения. Например, при нанесении пленки Mo изменение давления от 0,1 до 1 Па приводило к переходу от сжимающих, величиной 300 Н/м до, растягивающих, величиной 100 Н/м, напряжений. Нулевое значение напряжения получено при давлении 0,6 Па. Уменьшает внутренние напряжения в пленках Ti и W добавка N2 к Ar в количестве нескольких процентов. Одновременно такая добавка улучшает их барьерные свойства.

Технология магнетронного распыления полностью удовлетворяет требованиям к контактным и проводящим слоям ИС, когда в качестве последних используются не только металлы, но и их сплавы (например, Al с Cu, Ti или Si) и силициды тугоплавких металлов. Для формирования покрытий из сплавов и силицидов обычно используется одновременное распыление нескольких мишеней и реже распыление композиционной мишени. При одновременном распылении мишеней содержание каждого элемента в пленке регулируют путем изменения мощности, прикладываемой к каждой мишени. Используя одновременное распыление, получают сплавы Cr-Ag, Ni-Ag и Cu-Ag. Эти сплавы сохраняют способность к пайке в течение нескольких недель при комнатной температуре, что позволяет применить низкотемпературную пайку кристаллов в корпус без облуживания благородным металлом. Получаемый одновременным распылением сплав Al-Cu-Si обладает высокой стойкостью к электромиграции и коррозии [12].

1.2 Осаждение пленочных покрытий сложного химического состава (оксидов, нитридов, карбидов металлов)

Нанесение пленок химических соединений магнетронными распылителями называют реактивным магнетронном распылением (РМР). Основное отличие РМР от магнетронного нанесения пленок металлов заключается в том, что процесс распыления проводится в смеси инертного и реактивного газов. В качестве реактивных газов могут применять любые химически активные газы, чаще всего это кислород (получение оксидов), азот (получение нитридов), углеродсодержащие газы (получение карбидов), фтор и хлор содержащие газы (фториды, хлориды).

Подача реактивного газа в вакуумную камеру в процессе нанесения пленок значительно усложняет физические процессы, сопровождающие распыление катода и формирование пленочного покрытия [5]. Качественно особенности протекания физических процессов можно рассмотреть, использовав рис.2.

На рис.2 показана динамика относительной интенсивности спектрального элемента материала мишени (катода) IM (плотность потока распыленного материала) и реактивного газа IR (концентрация этого газа в разряде) на протяжении полного цикла проведения процесса нанесения пленки в условиях поддержания на постоянном уровне средней величины мощности разряда и давления в вакуумной камере. Изменяемой величиной являлся расход реактивного газа.

Рис. 2 - Динамика относительной интенсивности спектрального элемента материала мишени IM и реактивного газа IR на протяжении полного цикла нанесения пленки

Отмеченные на оси времени точки соответствуют: t0 - момент времени включения регистрирующей аппаратуры (оптических датчиков); t1 - момент зажигания магнетронного разряда в инертном газе; t2 - момент подачи реактивного газа в вакуумную камеру; t3 - момент выхода на требуемое значение IM * интенсивности IM, т.е. на требуемый состав покрытия металл - реактивный газ (MR); t4 - момент отключения обратной связи между интенсивностью IM и расходом реактивного газа; t5 - начальный момент самопроизвольного изменения состояния системы мишень-плазма-пленка.

Представленные на рис.1 зависимости носят универсальный характер для процессов РМР независимо от материала катода и рода реактивного газа.

Стадия t0-t1 (стадия 1) есть стадия стабилизации выходных сигналов датчиков излучения, она характеризуется наличием малых шумовых сигналов.

Стадия t2-t1 (стадия 2) характеризует выход магнетронного разряда на стационарный режим горения в среде инертного газа. К концу стадии 2 достигается максимальное значение IM, равное (IM)0. Наблюдаемый рост интенсивности IR по сравнению со стадией 1 обусловлен шумовыми оптическими сигналами, источниками которых являются слабоинтенсивные спектральные линии материала мишени и инертного газа, попадающие в полосу пропускания устройства монохроматизации этого датчика [6, 7]. Длительность стадии 2 определяется временем установления теплового режима распыляемой мишени, которое зависит от рассеиваемой на ней мощности, т.е. мощности разряда.

На стадии 3 (интервал t2-t3) происходит переход от режима нанесения пленки материала мишени к неустойчивому режиму нанесения пленки соединения MR Подача реактивного газа на этой стадии осуществлялась с помощью прибора управления расходом реактивного газа, который, используя обратную связь оптический датчик - натекатель газа, поддерживал заданную величину IM, равную IM *. Это связано с неустойчивостью системы мишень-плазма-пленка. Неустойчивость этой системы приводит к самопроизвольному ее переходу в одно из двух устойчивых состояний процесса даже при сохранении на постоянном уровне давления в камере и мощности разряда.

Первое состояние - это распыление с «металлической» мишенью, когда доля химического соединения MR в осаждаемом покрытии низка, т.е. реализуется осаждение практически металлического покрытия. Второе состояние - это распыление с «реактивной» мишенью, когда поверхность катода-мишени полностью покрыта пленкой соединения MR и осаждаемое покрытие состоит из MR и растворенных в нем молекул и атомов реактивного газа Для практики применения РМР наибольший интерес представляют именно неустойчивые промежуточные состояния, так как в таких состояниях получают пленки требуемых свойств с максимальной скоростью их осаждения.

Спад величины IM обусловлен образованием соединения MR на поверхности мишени, коэффициент распыления которого всегда меньше коэффициента распыления чистой поверхности.

Если вся поверхность мишени покрывается соединением MR, то достигается минимальное значение величины IM, равное (IM)m. При условии проведения процесса, когда W и p являются постоянными, количественными показателями состояния системы мишень-плазма-пленка может являться величина:

, (1.1)

имеющая смысл степени реактивности процесса [8]. Эта величина принимает значения от 0 до 1 и может служить в качестве критерия нанесения пленки требуемого состава.

Следует отметить, что при постоянных W и p поддержание требуемого режима нанесения покрытия путем поддержания величины равносильно поддержанию величины (IM)* из интервала (IM)0-(IM)m.

Анализ влияния величины на состав покрытия показал, что для выбранной пары материал мишени - реактивный газ образование стехиометрического покрытия на холодной подложке происходит в узком интервале значений. Например, TiN при 0,650,03; TiО2 - при 0,750,04; (InSn)2О3 - при 0,720,05.

2. Проблема магнетронного осаждения

При нанесении пленок стехиометрического состава система мишень-плазма-пленка находится в состоянии неустойчивого равновесия. Указанная неустойчивость процесса РМР хорошо иллюстрирует рис. 3, где на примере нанесения покрытия TiNx представлена зависимости интенсивности атомной линии титана и молекулярной полосы азота от относительного расхода азота g / gk при различных скоростях откачки азота из вакуумной камеры [8]. Данные зависимости получены путем медленного изменения рабочей точки процесса (величины IM *) с помощью прибора управления в условиях постоянства значений W и р. Переход к каждому последующему состоянию системы мишень-плазма-пленка проводился за время, необходимое для установления нового равновесного состояния, т.е. для установления величин IM и IR.

На кривых 1, 3 и 4 можно выделить три характерные участка. Участок AB - это состояния со степенью реактивности, близкой к нулю, соответствующие распылению с «металлической» мишенью. Здесь значительные изменения расхода реактивного газа приводит к слабым изменениям IM и IR, следовательно, состава покрытия. Наибольший практический интерес представляет участок BC, на котором достигаются максимальные скорости осаждения покрытий стехиометрического и близкого к нему состава. Горение разряда на участке CD происходит в условиях, когда поверхность мишени покрыта пленкой нитрида титана. В данных режимах распыление происходит с минимальной скоростью и образуется пленка с растворенным реактивным газом.

Как видно из рис. 3, при относительном расходе реактивного газа, большем, чем в точке C, система мишень-плазма-пленка может находиться в одном из трех состояний (точки М1, М2 и М3). Точка М1 есть состояние неустойчивого равновесия [8, 9].



Рис. 3 - Зависимость интенсивности атомной линии титана (кривые 1, 3, 4) и молекулярной полосы азота (кривая 2) от относительного расхода азота g / gk: 1 и 2 - скорость откачки S = 0; 3 - S = gk; 4 - S = 4gk, W = 2 кВт, p = 0,3 Па

Если система находится в таком состоянии, то отключение обратной связи при сохранении величин g, W и p приводит к самопроизвольному переходу системы в одно из устойчивых состояний. Из точки М1 кривой IM происходит переход или в точку М2 участка AB с 0.05 со спадом парциального давления реактивного газа, или переход в точку М3 участка CD в состоянии с 1 с ростом парциального давления реактивного газа. Динамика таких переходов изображена на рис. 1 кривыми 1 и 2 для IM и кривыми 1 и 2 для IR. Направление самопроизвольного перехода, т.е. уменьшение или рост при переходе случайно.

Следует отметить, что после отключения обратной связи в момент времени t4, наблюдается сохранение степени реактивности, т.е. состава осаждаемого потока в течение промежутка t4-t5 (рис. 2, стадия 5). Длительность этого промежутка определяется случайными низкочастотными возмущениями мощности разряда, расхода реактивного газа, давления в вакуумной камере.

3. Управление процессом магнетронного осаждения

Представленная выше информация позволяет сформировать следующий общий подход к алгоритмам оптического управления процессами РМР. Он сводится к одновременной регистрации интенсивности элементов эмиссионного спектра разряда (атомных линий, молекулярных полос), ответственных за состав осаждаемого потока, и выработке сигналов в реальном времени, управляющих внешними параметрами разряда (расход газов, мощность разряда). При этом управляющие сигналы должны обеспечивать вывод состава плазмы на требуемый режим нанесения и его поддержание с необходимой точностью. Если расположить внешние параметры разряда по степени их влияния на точность поддержания требуемого режима, следовательно, на воспроизводимость свойств покрытия, то, в первую очередь, необходимо управлять расходом реактивного газа, затем мощностью разряда и далее давлением в вакуумной камере. Ниже рассмотрены алгоритмы, которые условно разделены на одно- двух- и трехканальные по числу регистрируемых контрольных элементов спектра из прикатодной области магнетронного распылителя.

Одноканальный алгоритм сводится к регистрации и поддержанию на заданном уровне интенсивности одного контрольного спектрального элемента путем управления расходом реактивного газа. В качестве контрольного участка может быть использована как спектральная линия (или группа рядом расположенных линий) материала катода, так и молекулярная полоса (или спектральная линия) реактивного газа. Необходимые условия применения такого алгоритма: один тип реактивного газа, низкочастотная стабилизация тока (мощности) разряда и общего давления в вакуумной камере. В этих условиях существует однозначная зависимость между интенсивностью контрольного элемента и составом плазмы, а также составом наносимого покрытия. Данный алгоритм имеет модификации при одновременной работе расположенных в едином вакуумном объеме двух и более распылителей с одинаковыми или различными материалами катодов. В таких случаях управление расходом реактивного газа производится по интенсивности контрольного элемента первого распылителя. Состав плазменного потока второго распылителя устанавливается на требуемом уровне по интенсивности спектрального элемента материала катода путем задания тока (мощности) разряда этого распылителя. С помощью такого алгоритма управления можно, например, получать композиционные покрытия типа TixZryN или TixAlyN с любым соотношением x и y.

Двухканальный алгоритм сводится к одновременной регистрации интенсивности двух контрольных элементов. В качестве одного контрольного элемента используется спектральная линия (или их группа) материала мишени, второго - молекулярная полоса или линия реактивного газа, а также полосы соединения металл-газ. Управляющий расходом реактивного газа сигнал поддерживает отношение интенсивностей этих контрольных элементов, следовательно, соотношение формирующих покрытие потоков частиц. Необходимые условия применения такого алгоритма менее жестки, нежели одноканального и не требуют низкочастотной стабилизации тока и давления. Данный алгоритм имеет модификации, связанные с одновременной работой двух распылителей. Состав плазменного потока второго распылителя поддерживается на требуемом уровне путем поддержания его разрядного тока таким образом, что отношение интенсивностей элементов материала катода второго и первого распылителей остается постоянным.

При использовании в технологии РМР двух реактивных газов указанные алгоритмы модифицируются в следующие варианты. Трехканальный алгоритм - это одновременное выделение трех контрольных элементов, интенсивность которых обусловлена содержанием в разряде частиц материала катода, одного и второго реактивного газа соответственно. Сигналы, управляющие расходом реактивных газов, формируются таким образом, что отношение интенсивностей первого и второго, второго и третьего контрольных элементов поддерживаются в ходе техпроцесса или при его повторении. Для одно- и двухканального алгоритмов расход второго реактивного газа поддерживается на постоянном уровне относительно расхода первого путем задания постоянного сдвига управляющих натекателями сигналов при условии сохранения соотношения давлений газов на входах натекателей [9].

В процессах нанесения многослойных покрытий в едином вакуумном объеме возможно использование одного или нескольких из указанных алгоритмов в последовательности, определяемой составом и структурой покрытия.

Для реализации алгоритмов управления разработаны микроконтроллерные системы, позволяющие автоматически управлять расходом рабочих газов (инертного и реактивного) процессов РМР.

Датчиками контроллера являются: аналоговые выходы вакуумметров и оптические датчики (устройства, содержащие светофильтр, фотоприемник и предварительный усилитель). Исполнительными устройствами контроллера являются электрически управляемые натекатели газов. В основу регулятора обратной связи датчики - натекатели положен ПИД-регулятор. На рис.4. с левой стороны показана структурная схема системы управления на основе контроллера обратной связи [11].

Большой интерес для реализации оптического управления представляют малогабаритные спектрометры, например S100 фирмы SOLAR, фотоприемником которого является ПЗС линейка с числом элементов (пикселей) 3648. Кроме этого, благодаря быстрой регистрации спектра (минимальное время регистрации спектра в интервале от 200 до 1000 нм составляет 7 мс), и спектральному разрешению не хуже 1,5 нм, не уступающему узкополосым интерференционным светофильтрам, появляется дополнительная возможность одновременного использования спектрометров для контроля химической чистоты плазменных технологических сред.

Программное обеспечение системы управления с таким спектрометром позволяет выводить спектр излучения на экран монитора, задавать участки длин волн спектра, которые будут использоваться для управления расходом реактивного газа и контроля примесей, выводить на экран монитора требуемую и получаемую в ходе процесса нанесения величину управляющего сигнала. Управление работой натекателя реактивного газа осуществлялось от компьютера через устройство сопряжения [10] .

В качестве альтернативы спектрометру можно использовать узкополосные интерференционные светофильтры и фотоприемники, регистрирующие оптическое излучение требуемой длины волны.

Сигнал с фотоприемника поступает на прибор управления расходом газа, датчики которого так же преобразуют величину давления в вакуумной камере и ток разрядов в электрические сигналы.

Эти сигналы поступают в усилители нормализации и далее в контроллеры. Контроллеры вырабатывают управляющие сигналы, которые поступают на натекатели рабочих газов.

Расход рабочих газов поддерживается на уровне, при котором в ходе процессов нанесения покрытий сохраняется величина давления в вакуумной камере, а также состав потока, из которого формируется покрытие.

Рабочий спектральный диапазон оптических датчиков данной системы от 300 до 1200 нм [11].



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 - Структурная схема систем оптического управлении расходом газов процессов РМР



4. Исследование влияние нестабильности мощности и давления магнетронного разряда на процесс осаждения пленок

4.1 Экспериментальная установка

На рисунке 5 изображена схема экспериментальной вакуумной установки, которая была оснащена необходимыми для достижения поставленной цели системами и устройствами, позволяющими управлять расходом газов в процессах магнетронного осаждения пленок оксида титана, а также регистрировать эмиссионные спектры разряда.

Рис. 5 - Схема экспериментальной установки: 1 - катод магнетронного распылителя; 2 - плазма; 3 - анод; 4 - оптическое окно; 5, 5* - оптический коллиматор; 6, 6* - спектрометр S100; 7 - вакуумная лампа; 8 - вакууметр ; 9 - устройство сопряжения; 10, 10* - компьютер; 11 и 12 - управляемые натекатели кислорода и аргона; 13 и 14 - система откачки вакуумной камеры (парамаслянный и механический насосы); 15, 15* - световод



Для проведения экспериментов была использована промышленная вакуумная установка УРМ317, которая содержала вакуумную камеру с установленным в ней магнетронным распылителем, систему откачки, состоящую из паромасляного(13) и механического(14) насосов, систему измерения давления, содержащую вакуумную лампу ПМИ-2(7) и вакуумметр ВИТ-3(8). Для напуска рабочих газов (Ar и О2) использованы электрически управляемые натекатели (11) и (12). Газы к натекателям подавались из баллонов с понижающими давление редукторами. Питание магнетронного разряда осуществлялось с помощью источника, обеспечивающего выходное напряжение до 1,4кВ и разрядные токи до 5А.

Для реализации различных алгоритмов управления расходом газов процесса магнетронного осаждения покрытий нами была использована ранее разработанная на кафедре физической электроники и нанотехнологий система PPC 1000 [10]. Система предназначена для автоматического или ручного управления расходом рабочих газов магнетронных технологических процессов нанесения нитридов, оксидов и карбидов различных материалов. Программное обеспечение системы позволяет использовать спектрометр S100 как многоканальный оптический датчик с целью управления расходом реактивного газа, а также с целью оперативного контроля наличия примесей воздуха, паров масла и воды в вакуумной камере при нанесении пленок металлов и их оксидов, нитридов и карбидов. При использовании в составе системы спектрометра она позволяет реализовать различные алгоритмы оптического управления расходом реактивного газа в том числе алгоритм, позволяющий сохранять состав осаждаемого потока при наличии низкочастотной нестабильности мощности магнетронных разрядов до (20-30)%. Главное окно программы представлено на рис.6.



Рис. 6 - Главное окно программы

Принцип действия системы: датчики системы преобразуют величину давления в вакуумной камере и оптическую эмиссию магнетронных разрядов в аналоговые электрические сигналы напряжения. Эти сигналы поступают в устройства сопряжения. Преобразованные в устройствах сопряжения цифровые сигналы по CAN (Control Area Network) последовательному шинному интерфейсу поступают в компьютер, который по заданной программе вычисляет управляющие сигналы. Управляющие сигналы и команды по CAN-шине поступают в устройства сопряжения, преобразуются в аналоговые сигналы и направляются на натекатели газов. Расход этих газов поддерживается на уровне, при котором в ходе процессов магнетронного распыления сохраняется величина давления инертного газа в вакуумной камере, или величина давления и состав смеси инертного и реактивного газов по одному из оптических алгоритмов.



4.2 Методика и результаты экспериментов

Задачей, которую необходимо было решить для определения влияния нестабильности мощности и давления на состав осаждаемого потока и скорость его осаждения, являлась задача сравнения различных алгоритмов оптического управления расходом рабочих газов в процессах магнетронного осаждения пленок оксида и нитрида титана при изменении мощности магнетронного разряда и давления в камере.

Рис. 7 - Схема алгоритмов оптического управления расходом реактивного газа

При нанесении пленок типа МxRy, где М - химический символ материала катода магнетронного распылителя, R - химический символ реактивного газа, возможны следующие оптические алгоритмы управления (рис. 7). В частности, при нанесении пленок оксида и нитрида титана такими алгоритмами являются.

Одноканальное оптическое управление

По интенсивности спектральной линии титана.

По интенсивности спектральной линии кислорода или молекулярной полосы азота.

Двухканальное оптическое управление

По отношению интенсивностей спектральной линии кислорода и аргона.

По отношению интенсивностей спектральной линии кислорода или молекулярной полосы азота к линии титана.

Эффективность применения какого-либо из этих алгоритмов определяется техническими характеристиками установки магнетронного распыления. На практике всегда присутствует нестабильность мощности разряда и давления в вакуумной камере, что вызывает нестабильности состава осаждаемого потока. По этой причине необходимы сведения о влиянии нестабильность мощности разряда и давления на состав осаждаемого потока для указанных выше алгоритмов управления. Для получения такой информации была применена следующая методика эксперимента.

1. Вакуумная камера откачивалась до остаточного давления воздуха около 3Ч10-3 Па (элементы 13 и 14 рис.5).

2. С помощью системы управления РРС в вакуумной камере устанавливалось рабочее давление аргона равное 0,42 Па. Для этого использовалась обратная связь между выходным сигналом вакуумметра и натекателем аргона (элементы 7, 8, 9, 10, 12 рис.5).

3. Включался источник питания магнетронного разряда, и устанавливалось значение мощности разряда, при которой должен осаждаться стехиометрический оксид титана. Величина этой мощности была установлена ранее с помощью предварительных экспериментов.

4. С помощью системы управления РРС выбирался один из вышеперечисленных алгоритмов управления расходом кислорода, и задавалось конкретное значение величин IR,IM,IAr или их отношения, которые соответствовали режиму осаждения пленки стехиометрического состава (элементы 4, 5, 15, 6, 10, 9 и 11 рис.5).

5. Включался расход кислорода или азота. В разряде происходил выход магнетронного распыления на режим нанесения стехиометрического оксида или нитрида титана по одному из выбранных алгоритмов.(элементы 2, 10, 12 рис. 5).

6. С помощью второго спектрометра S 100 регистрировались эмиссионные спектры излучения (элементы 4*, 5*, 15*, 6*, 10* рис.5). Время экспозиции одного спектра составляло 0,1 - 0,2 с. Количество регистрируемых спектров от 10 до 100.

7. Предыдущая операция выполнялась для различных значений мощности. Мощность менялась путем изменения выходного напряжения источника питания магнетронного разряда.

8. Обработка спектров проводилась с использованием программ CCD TOOL и S1chanal. Обработка с помощью CCD TOOL заключалась в измерении средней по зарегистрированным спектрам интенсивности спектральных линий титана, аргона, кислорода и полосы азота. Программа S1chanal использовалась для регистрации динамики интенсивности этих спектральных элементов.

На ниже приведенных рисунках представлены зависимости, характеризующие влияние нестабильности мощности и давления на состав осаждаемого потока, относительное содержание кислорода и азота в разряде и скорость осаждения пленочных покрытий для выбранных алгоритмов оптического управления.

На рис. 8 представлено влияние нестабильности мощности на процесс осаждения оксида титана для различных алгоритмов оптического управления расходом кислорода кроме алгоритма IO/ITi = const. Этот алгоритм априори позволяет сохранять состав осаждаемого потока. Зависимости нормированы к единице для мощности разряда, соответствующей осаждению стехиометрического состава. Такая нормировка позволяет сравнивать алгоритмы по степени влияния нестабильности мощности, используя крутизну наклона зависимостей к оси мощности. Степень влияния нестабильности мощности определяется тангенсом угла наклона касательной в окрестности точки, соответствующей мощности при осаждении стехиометрического оксида или нитрида титана. Чем ближе касательная к горизонтальному положению, тем меньше изменений в состав осаждаемого потока и относительное содержание кислорода в разряде вносит нестабильность мощности.

Состав осаждаемого потока определяется соотношением интенсивностей атомной спектральной линии кислорода (О 777,3 нм ) к спектральной линии титана (Ti 505,13 нм ). Для контроля за относительным содержанием кислорода в магнетронном разряде использовались указанная линия кислорода и атомная линия аргона (Ar 705,7 нм). Выбор этих элементов спектра обусловлен следующим.

Данные спектральные линии наиболее «чистые», то есть на них не наложены линии других элементов спектра.

Они наиболее близки по интенсивности, различие составляет не более одного порядка.

Из рис. 8 видно, что максимальное влияние нестабильности мощности на состав осаждаемого потока наблюдается при использовании алгоритма оптического управления, основанного на поддержании IO = const (кривая 1), а минимальное влияние для алгоритма, основанного на поддержании отношения интенсивностей спектральных линий кислорода к аргону IO/IAr = const (кривая 3).

Минимальное влияние на относительное содержание кислорода в осаждаемом потоке оказывают алгоритмы оптического управления, поддерживающие постоянными либо интенсивность спектральной линий кислорода IO = const (кривая 4), либо отношения интенсивностей кислорода к титану IO/ITi = const (кривая 6). Максимальное влияние оказывает алгоритм, основанный на поддержании интенсивности спектральной линии титана ITi = const (кривая 5).

Следует отметить некоторые особенности представленных на рис.8 зависимостей, которые обусловлены взаимозависимостью химического состава плазмы магнетронного разряда с состоянием поверхности катода. Характеристикой состояния поверхности катода является степень покрытия катода оксидной пленкой. В частности, тип алгоритма управления влияет на характер поведения отношения IO/ITi. Рост мощности приводит к спаду этого отношения для алгоритмов IO = const (кривая 1) и IO/IAr= const (кривая 3). Это обусловлено тем, что при поддержании на постоянном уровне интенсивности линии кислорода рост мощности приводит к снижению системой управления концентрации кислорода с целью компенсации роста интенсивности, вызванного ростом мощности. При сохранении IO/ITi и, соответственно, при сохранении состояния поверхности катода интенсивность линии кислорода сильнее зависит от мощности нежели линий аргона (кривая 6). Это приводит к уменьшению относительной концентрации кислорода системой управления с ростом мощности для алгоритма IO/IAr=const. Следствием указанного является очистка поверхности катода от оксидной пленки, рост доли чистой поверхности и как следствие рост потока распыленных атомов титана для алгоритмов IO = const и IO/IAr= const. Для этих алгоритмов при W>W0 величина IO/ITi становится меньше единицы, что соответствует осаждению пленки достехиометрического состава. Для алгоритма ITi = const осаждение пленки достехиометрического состава происходит при W<W0. В этом случае при снижении мощности происходит уменьшение потока ионов аргона на катод и для поддержания на постоянном уровне интенсивности линии титана система управления уменьшает расход кислорода и соответственно его концентрацию в газовой смеси. Подобным образом обусловлен и характер поведения величины IO/IAr.



Рис. 8 - Влияние нестабильности мощности на состав осаждаемого потока IO/ITi (1, 2 и 3) и относительное содержание кислорода в нем IO/IAr (4, 5 и 6) при рабочем давлении в камере P = 0,42 Па для следующих алгоритмов оптического управления расходом кислорода: 1 - IO = const, 2 - ITi = const, 3 - IO/IAr = const, 4 - IO = const, 5 - ITi = const, 6 - IO/ITi = const

На рис. 9 представлено влияние нестабильности давления на процесс осаждения оксида титана для различных алгоритмов оптического управления расходом кислорода кроме алгоритма IO/ITi = const. Зависимости нормированы к единице для давления, соответствующего осаждению пленки стехиометрического состава.



Рис. 9 - Влияние нестабильности давления на состав осаждаемого потока IO/ITi (1, 2 и 3) и относительное содержание кислорода в нем IO/IAr (4, 5 и 6) при плотности мощности W/S = 33 Вт/см2 для следующих алгоритмов оптического управления расходом кислорода: 1 - IO = const, 2 - ITi = const , 3- IO/IAr = const, 4- IO = const, 5- ITi = const, 6 - IO/ITi = const

магнетронный осаждение оксид покрытие

Видно, что максимальное влияние нестабильности давления на состав осаждаемого потока наблюдается при использовании алгоритма оптического управления, основанного на поддержании отношения интенсивностей спектральных линий кислорода к аргону IO/IAr = const (кривая 3), а минимальное влияние для алгоритма, основанного на поддержании IO = const (кривая 1) .

Минимальное влияние на относительное содержание кислорода в осаждаемом потоке оказывают алгоритмы оптического управления, поддерживающие постоянными либо интенсивность спектральной линий кислорода IO = const (кривая 4), либо отношения интенсивностей кислорода к титану IO/ITi = const (кривая 6). Максимальное влияние оказывает алгоритм, основанный на поддержании интенсивности спектральной линии титана ITi = const (кривая 5).

Из рис.9 видно, что характер поведения отношения IO/ITi с ростом давления противоположен случаю роста мощности. При P>P0 для алгоритма ITi = const (кривая 2) наблюдается спад, а для алгоритмов IO = const (кривая 1) и IO/IAr = const (кривая 3) рост величины IO/ITi. Данные результаты вероятнее всего связаны с уменьшением энергии бомбардирующих катод частиц, поскольку поддержание постоянной мощности разряда с ростом давления достигалось путем спада напряжения разряда и роста тока. Например, для алгоритма IO = const рост давления на 25 % приводил к необходимости снижения напряжения на 10 % с целью сохранения постоянной величины мощности. Для алгоритмов IO = const и IO/IAr = const это приводило к снижению интенсивности атомных линий титана и росту величины IO/ITi, а для алгоритма IO/IAr = const дополнительно росла концентрация кислорода вследствие отклика системы управления на увеличение давления при поддержании постоянным отношения IO 777,3/IAr 706,7. Спад отношения IO/ITi с ростом давления для алгоритма ITi = const обусловлен более быстрым спадом интенсивности линии кислорода по сравнению со спадом интенсивности линий титана. Это связано с уменьшением содержания кислорода, которое является следствием отклика системы управления на уменьшение интенсивности линии титана.

При использовании алгоритма IO = const (кривая 4) наблюдается спад отношения IO/IAr, что обуславливается увеличением концентрации аргона в результате увеличения давления. Так же спад отношения IO/IAr виден для алгоритма ITi = const (кривая 5). Увеличение давления снижает концентрацию титана вследствие уменьшения энергии бомбардирующих частиц. Для поддержания постоянной интенсивности титана система управления уменьшает его расход, путем снижения концентрации кислорода. Повышение давления достигается путем увеличения концентрации аргона, что в целом приводит к уменьшению отношения IO/IAr. Для алгоритма IO/ITi = const (кривая 6) наблюдается спад концентрации титана, что компенсируется уменьшением расхода кислорода. В целом поведение отношения IO/IAr аналогично алгоритму ITi = const. На рис. 10 представлено влияние нестабильности мощности на интенсивность спектральных линий Ti для различных алгоритмов оптического управления расходом кислорода. Как показано в [10] и отмечается в других работах, скорость осаждения пленки однозначно зависит от интенсивности спектральной линии титана (Ti 505,13 нм). На рис.10 не изображена кривая для алгоритма ITi = const. Этот алгоритм априори позволяет сохранять скорость осаждения потока. Зависимости нормированы к единице для мощности разряда, соответствующей осаждению пленки стехиометрического состава. Видно, что максимальное влияние нестабильности мощности на скорость осаждения потока наблюдается при использовании алгоритма оптического управления, основанного на поддержании IO = const (кривая 1), а минимальное влияние для алгоритма, основанного на поддержании отношения интенсивностей спектральных линий кислорода к титану IO/ITi = const (кривая 2).

Рис. 10 - Влияние нестабильности мощности на интенсивность спектральных линий Ti (скорость осаждения TiOX ) (1, 2, 3 и 4) при рабочем давлении в камере P = 0,42 Па для следующих алгоритмов оптического управления расходом кислорода: 1 - IO = const, 2 - IO/ITi = const, 3 - IO/IAr = const, 4 - осаждение Ti. Кривая 4 соответствует случаю осаждения пленки Ti

Общим для полученных зависимостей является рост интенсивности линий титана как для реактивных процессов, так и для случая осаждения чистого титана (кривая 4). Более быстрый рост интенсивности линий титана с ростом мощности для алгоритмов IO = const (кривая 1) и IO/IAr = const (кривая 3) по сравнению со случаем осаждения чистого титана (кривая 4) обусловлен тем, что при осаждении оксида титана происходит очистка поверхности катода от оксидной пленки при увеличении мощности. Этот процесс вносит дополнительный вклад в скорость распыления. При W>W0 осаждается пленка достехиометрического состава. Для алгоритма IO/ITi = const (кривая 2) сохранение состава осаждаемого потока равносильно сохранению степени покрытия катода оксидной пленкой и влияние мощности на скорость распыления катода практически такое же, как и для случая осаждения чистого титана. Аналогичный характер поведения зависимостей ITi от плотности мощности при постоянном давлении наблюдался для процесса осаждения нитрида титана.

На рис. 11 представлено влияние нестабильности мощности на процесс осаждения нитрида титана (TiNX) для различных алгоритмов оптического управления расходом азота кроме алгоритмов IN/ITi = const и ITi = const. Зависимости нормированы к единице для мощности разряда, соответствующей осаждению пленки стехиометрического состава.

Состав осаждаемого потока определялся соотношением интенсивностей канта молекулярной полосы азота (N2+ 391,4 нм ) к спектральной линии титана (Ti 505,13 нм ).

Для контроля за относительным содержанием азота в магнетронном разряде использовались молекулярная полоса азота (N2+ 391,4 нм) и атомная линия аргона (Ar 705,7 нм).

Видно, что максимальное влияние на состав осаждаемого потока наблюдается при использовании алгоритма оптического управления, основанного на поддержании постоянным интенсивности спектральной линии титана ITi = const (кривая 1), а минимальное влияние для алгоритма, основанного на поддержании интенсивности канта полосы азота IN = const (кривая 2).

Рис. 11 = Влияние нестабильности мощности на состав осаждаемого потока IN/ITi (1 и 2) скорость осаждения ITi (3 и 4) и относительное содержание азота в разряде IN/IAr (5, 6 и 7) при рабочем давлении в камере P = 0,42 Па для следующих алгоритмов оптического управления расходом азота: 1 - ITi = const, 2 - IN = const, 3 - IN/ITi = const, 4 - IN = const, 5 - ITi = const, 6 - IN = const, 7 - IN/ITi = const

Минимальное влияние на относительное содержание азота в осаждаемом потоке оказывает алгоритм оптического управления, поддерживающий постоянным интенсивность канта полосы азота IN = const (кривая 6). Максимальное влияние оказывает алгоритм, основанный на поддержании интенсивности спектральной линии титана ITi = const (кривая 5).

Минимальное влияние на скорость осаждения потока оказывает алгоритм оптического управления, поддерживающий постоянным соотношения интенсивностей канта полосы азота к титану IN/ITi = const (кривая 3). Максимальное влияние оказывает алгоритм, основанный на поддержании интенсивности канта полосы азота IN = const (кривая 4).

Для алгоритма ITi = const (кривая 1) наблюдается рост отношения IN/ITi. Это является результатом увеличения концентрации титана. Постоянство интенсивности его атомной линии достигается увеличением расхода азота.

Противоположная ситуация возникает при использовании алгоритма IN = const. Увеличение интенсивности линии азота компенсируется снижением его концентрации. Это обуславливается ростом концентрации распыленного титана, что приводит к повышением расхода азота. В целом наблюдается падение отношения IN/ITi.

Поведение зависимостей ITi от плотности мощности при постоянном давлении для алгоритмов IN/ITi = const (кривая 3) и IN = const (кривая 4) аналогично результатам. полученным для процесса осаждения оксида титана.

Отношение IN/IAr увеличивается при использовании алгоритмов ITi = const (кривая 5) и IN/ITi = const (кривая 7). Это объясняется ростом интенсивности линии титана, который в случае алгоритма ITi = const компенсировался увеличением расхода азота и уменьшению интенсивности его линии. При сохранении IN/ITi (кривая 7), наблюдается рост интенсивности линии титана, которые компенсирует увеличение расхода азота. Вследствие поддержания постоянным давления в камере, расход аргона уменьшается и в целом отношение IN/IAr растет. Алгоритм IN = const (кривая 6) приводит к падению отношения IN/IAr. Рост интенсивности канта полосы азота компенсируется уменьшением его расхода. В целях поддержания постоянного давления повышается концентрация аргона, что и приводит к уменьшению отношения IN/IAr.

В таблицах 1-2 приведены коэффициенты «a», «b», «c» и «d», которые количественно характеризуют влияние нестабильности мощности и давления на процесс осаждения оксида и нитрида титана. Коэффициенты вводятся по формулам

Физический смысл коэффициентов - это мера влияния относительной нестабильности мощности и давления.

а - коэффициент пропорциональности между относительной нестабильностью мощности ?W/W и относительным изменением состава осаждаемого потока ?А/А (где A= IO/ITi). Показывает на сколько процентов изменится состав осаждаемого потока при изменении мощности на 1%.

b - коэффициент пропорциональности между относительной нестабильностью давления ?P/P и относительным изменением состава осаждаемого потока ?А/А (где A= IO/ITi). Показывает на сколько процентов изменится состав осаждаемого потока при изменении давления на 1%.

с - коэффициент пропорциональности между относительной нестабильностью мощности ?W/W и относительным изменением скорости осаждения потока ?С/С (где С= ITi). Показывает на сколько процентов изменится скорость осаждения потока при изменении мощности на 1%.

d - коэффициент пропорциональности между относительной нестабильностью мощности ?W/W и относительным содержанием реактивного газа в осаждаемом потоке ?D/D (где D=IO/IAr ). Показывает на сколько процентов изменится относительное содержание реактивного газа в потоке при изменении мощности на 1%.

Из таблицы 1 видно, что изменение мощности на 1% приводит к изменению состава осаждаемого потока на 2,9% для случая алгоритма управления по отношению кислорода к аргону (IO/IAr = const) и 5,2% для алгоритма управления по кислороду (IO = const).