ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2010, № 9, с. 67-70
УДК 539.234
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАТОДНОГО И МАГНЕТРОННОГО МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК Pb(TiZг)O3 © 2010 г. В. Г. Бешенков, А. Г. Знаменский, В. А. Марченко
Учреждение Российской академии наук Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов,
Черноголовка, Московская область, Россия Поступила в редакцию 15.10.2009 г.
Измерено радиальное распределение состава и толщины пленок титаната-цирконата свинца, осажденных в разных режимах магнетронного и диодного распыления. Показано, что при ионно-плаз-менном распылении РЪ(/г,Т1)03 сильно выражены эффекты перераспыления осаждаемой пленки с преимущественным распылением свинца. При магнетронном распылении это приводит к неоднородному распределению состава пленки по подложке, что не может быть компенсировано изменением состава мишени. При диодном распылении с малым расстоянием мишень—подложка эффекты перераспыления не оказывают существенного влияния на состав пленок.
ВВЕДЕНИЕ
Сегнетоэлектрические пленки широко используются в электронных, оптоэлектронных и других приборах и устройствах [1]. Один из наиболее изучаемых сегнетоэлектриков — цирконат-титанат свинца (ЦТС, PZT) РЪ^г, Т)03, пленки которого пригодны практически для применения во всех вышеназванных областях. Методы получения сегне-тоэлектрических пленок непрерывно развиваются и совершенствуются. Среди них можно выделить четыре наиболее перспективные направления: ион-но-плазменное (магнетронное и диодное) распыление, импульсное лазерное испарение, химическое осаждение из газовой фазы металлоорганических соединений и золь-гель процесс. Для промышленных технологий наиболее перспективны магне-тронное напыление и золь-гель метод [1, 2].
Важной задачей в создании функциональных пленочных слоев является получение нужного состава с однородным распределением по подложке. Использование ионно-плазменных методов в случае многокомпонентных соединений может быть осложнено преимущественным перераспылением одного из компонентов растущей пленки частицами плазмы с высокой энергией. Перераспыление сильно выражено при осаждении пленок сегнето-электрика ВаТЮ3 [3] и высокотемпературных сверхпроводников УВа2Си307 [4]. Для этих соединений основная причина отклонения состава пленок от состава мишеней — преимущественное перераспыление Ва из осаждаемой пленки. Неизвестно, насколько перераспыление существенно в случае ЦТС. Возможно, что вызванное им изменение состава пленки маскируется сильным реиспарением свинца.
При использовании ионно-плазменных методов напыления плотность потока частиц плазмы на
подложку неоднородна в радиальном направлении. Изменение состава из-за перераспыления и реиспа-рения в общем случае также неоднородно. Ионы кислорода из-за их высокой энергии слабо рассеиваются при пролете от мишени к подложке, что приводит к максимальному перераспылению в области пленки над зоной эрозии магнетрона [4]. При катодном (диодном) распылении энергия ионов выше, но плотность ионного тока существенно однороднее. В представленной работе по результатам измерений радиального распределения толщины и состава делается попытка выяснения основных причин отклонения состава пленок от состава керамической мишени (пьезоэлектрик РЬ^г0.53гТ0.47)О3) при двух способах ионно-плазменного осаждения — катодном и магнетронном.
ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Осаждение пленок проводилось в установке Ь-560 (ЬеуЪоЫ). В качестве мишени использовался диск диаметром 75 мм, толщиной 5 мм из промышленной керамики ЦТС-19 состава РЪ0.958г0.05^г0.53гТ0.47)03 + 1% №205, припаянный к медному водоохлаждаемому катоду магнетрона. Внешняя поверхность мишени на несколько миллиметров возвышалась над поверхностью окружающего заземленного экрана-анода. Для реализации режима диодного распыления из корпуса катода вынимались магниты. Частота ВЧ-генератора составляла 14.56 МГц, мощность разряда во всех экспериментах, в том числе при предраспылении (тренировке) мишени, поддерживалась на уровне 200 Вт. При магне-тронном напылении расстояние мишень—подложка равнялось 37 мм, при диодном — 12 мм.
Диапазон допустимых значений давления реакционного газа при диодном распылении ограничен
67
5*
68
БЕШЕНКОВ и др.
N
1.0 0.9 0.8 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4
4
4
_ _ _ .ж .
3
о- о
50
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 r, мм
Рис. 1. Радиальное распределение отношения атомных концентраций основных компонентов пленки при различных режимах распыления. Нижняя кривая — Т1/(Т1 + 2г), остальные — РЪ/(Т1 + 2г).
по величине: снизу — касанием интенсивной области разряда поверхности пленки, что приводит к развитию ее шероховатости, сверху — возникновением паразитных разрядов между экраном катода и мишенью или катодом, что приводит к нестабильности основного разряда. Для смеси Ar : O2 = = 3:1 допустимый диапазон давления составляет 8 х 10-2 < Ptot < 3 х 10-1 мбар. Из-за снижения производительности турбомолекулярного насоса в этих условиях для воспроизводимости состава газовой среды в камере сначала задавалось давление одного из них, расход второго устанавливался по достижению суммарного давления Ptot.
Перед каждым напылением проводилась тренировка мишени, длительность которой определялась по достижению стационарного значения постоянного потенциала Udc катода. При магнетронном распылении Udc равнялось примерно 200 В, при диодном — 800 В. Обычно этап предраспыления продолжался около 10 мин. При магнетронном распылении без кислорода или при его небольшом (5 х 10-4 мбар) парциальном давлении мишень на краю и вблизи зоны эрозии постепенно приобретала серый цвет. В этих случаях для возврата мишени в исходное состояние длительность тренировки составляла несколько часов.
Подложками служили кремниевые пластины диаметром 100 и 76 мм. Использовались два способа крепления подложек к водоохлаждаемому медному держателю — обычный прижим плоскими стальными пружинами и крепление с помощью прослойки жидкой эвтектики In—Ga, смачивающей как тыль-
ную сторону кремниевои пластины кремния, так и подложкодержатель.
С помощью двух термопар, приклеенных к центру и краю подложки, было определено, что при диодном распылении собственный разогрев подложки диаметром 100 мм неоднороден и составляет около 400°С в центре и 300°С на расстоянии 35 мм от центра для распыления в кислороде, и примерно на 80°С меньше при распылении в аргоне. При магнетронном напылении в среде PAs/POl = 2.5 х 10-3/5 х 10-4 мбар температура в центре подложки — 300°С. При использовании прослойки In—Ga (принудительного охлаждения) нагрев подложки не превышает 25°С.
Для определения толщины пленок использовался профилометр Talystep (Rank Taylor Hobson). Измерялась высота ступеньки, полученной в результате стравливания незащищенного химически стойким лаком участка пленки в растворе HF : H2O = 1 : 4.
Элементный состав пленок определяли методом рентгеноспектрального микроанализа, реализованным на базе сканирующего микроскопа TESCAN VEGA II XMU (Tescan) с приставкой для энергодисперсионного анализа INCA Energy 450 (Oxford Instruments). Толщина анализируемых пленок в центральной части пластин составляла 1.5—3 мкм. Для снятия заряда на поверхность образцов предварительно напылялась углеродная пленка. В качестве эталона сравнения использовались пластинки ЦТС-19, изготовленные по той же технологии, что и мишень.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Распределение отношения атомных концентраций основных компонентов пленки по радиусу подложки представлено на рис. 1. Стрелками указаны участки пленки, расположенные над центром зоны эрозии мишени при магнетронном распылении. Штриховая линия на рисунке показывает номинальное значение РЪ/(Т1 + Zr) для мишени.
Два нижних графика (кривые 1, Т квадраты) соответствуют пленке магнетронного напыления без принудительного охлаждения подложки при относительно малом парциальном давлении кислорода в реакционном газе: РАг/Р^ = 2.5 х 10-3/5 х 10-4 мбар. Для этой пленки представлены кривые распределения концентраций Т/(Т1+Zr) (кривая 1) и РЪ/(Т1+Zr) (кривая Т). Остальные графики показывают распределения РЪ/(Т1 + Zr) для пленок, осажденных с принудительным охлаждением подложки. Не представленные для них графики распределения Т/(Т1 + Zr) в количественном отношении похожи на приведенное распределение и не имели выраженных особенностей. Слабая зависимость величины Т/(Т1 + Zr) от режимов осаждения наблюдалась и в других работах [5]. График 2 относится к пленке, полученной в обогащенной кислородом атмосфере: РАг/Р0 =
1
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАТОДНОГО И МАГНЕТРОННОГО МЕТОДОВ
69
= 2.5 х 10-3/2.5 х 10-3 мбар, 3 — в бедной по кислороду смеси: РАг/Р0,2 = 2.5 х 10-3/5 х 10-4 мбар. Эти пленки получены магнетронным распылением.
В верхней части рисунка показаны распределения РЬ/(Т1 + Zг) в пленках диодного напыления в атмосфере РА = 1.5 х 10-1 мбар, Р1о1 = 2 х 10-1 мбар. График 4 соответствует пленке с принудительным охлаждением подложки, 5 — без такового.
Как видно из рис. 1, пленки, полученные магне-тронным напылением без принудительного охлаждения подложки в бедной по кислороду смеси (1) и напыленные на холодную подложку в богатой кислородом смеси (2), имеют дефицит свинца по всей площади и провалы его концентрации в кольце над эрозионной канавкой магнетрона. Пленки с составом, близким к составу мишени, получены при осаждении на холодные подложки: при магнетрон-ном напылении в бедной кислородом атмосфере (кривая 3) и диодном в богатой кислородом среде (кривая 4).
Таким образом, для осаждения пленок с относительно однородным распределением элементного состава по подложке, близким к составу мишени, при магнетронном напылении требуется принудительное охлаждение подложки и небольшое парциальное давление кислорода. При реализованном варианте диодного распыления однородность и элементный состав сохраняются и при осаждении на свободно лежащие подложки, саморазогревающиеся до 400°С (кривая 5).
Распределение толщины пленок, напыленных на охлаждаемые подложки, показано на рис. 2. Анализ показывает, что при магнетронном напыл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.