научная статья по теме СТЕПЕНЬ ИОНИЗАЦИИ ПОТОКА РАСПЫЛЕННЫХ АТОМОВ МЕТАЛЛА В МАГНЕТРОНЕ С ПОЛЫМ КАТОДОМ Физика

Текст научной статьи на тему «СТЕПЕНЬ ИОНИЗАЦИИ ПОТОКА РАСПЫЛЕННЫХ АТОМОВ МЕТАЛЛА В МАГНЕТРОНЕ С ПОЛЫМ КАТОДОМ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2014, том 40, № 9, с. 857-863

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ПЛАЗМА

УДК 537.52

СТЕПЕНЬ ИОНИЗАЦИИ ПОТОКА РАСПЫЛЕННЫХ АТОМОВ МЕТАЛЛА

В МАГНЕТРОНЕ С ПОЛЫМ КАТОДОМ

© 2014 г. Ю. П. Царьгородцев, Н. П. Полуэктов, И. И. Усатов, А. Г. Евстигнеев, И. А. Камышов

Московский государственный университет леса, Россия e-mail:poluekt@mgul.ac.ru, tsargor@yandex.ru Поступила в редакцию 22.01.2014 г. Окончательный вариант получен 17.03.2014 г.

Приведены результаты исследования параметров плазмы нового источника плазмы — магнетрона с полым катодом с мощностью разряда 0.5—4 кВт при давлении разряда 5—20 мТор. При мощности разряда свыше 2-х кВт на выходе образуется плазма с концентрацией более 1011 см3 до расстояний 30 см от среза магнетрона. С помощью сеточных кварцевых микровесов проведены измерения степени ионизации потока атомов меди в зависимости от давления и мощности разряда, а также расстояния от мишени. На расстоянии 31 см при давлении разряда более 15 мТорр эта величина превышает 50%.

DOI: 10.7868/S036729211409008X

1. ВВЕДЕНИЕ

Магнетрон с полым катодом (МПК) является новым типом источника плазмы, предназначенным для осаждения пленок с использованием атомов и ионов мишени методом распыления. Отличительной особенностью магнетронного разряда с полым катодом является возможность конформного осаждения пленок на рельефных субмикронных структурах с большим отношением высоты (глубины) к ширине. Такое анизотропное осаждение достигается ионизацией распыленных атомов металла на пути их движения от мишени к подложке, так как потоком ионов можно управлять с помощью электрического поля вблизи подложки. Большая степень ионизации распыленных атомов мишени достигается за счет высокой концентрации плазмы (до 1012 см-3 при давлении 1-20 мТорр), создаваемой в объеме 103104 см-3, что увеличивает вероятность ионизации. МПК применяется для создания адгезионных, диффузионных и затравочных слоев в канавках (тренчах) и межслойных отверстиях субмикронных структур СБИС, а также в кремниевых структурах микроэлектромеханических систем [1-5]. Данный разряд изучен мало, о чем свидетельствует ограниченное число публикаций. Цель настоящей работы - определить зависимости параметров плазмы и степени ионизации потока распыленных атомов меди от давления и мощности разряда, также расстояния от мишени.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Схема установки показана на рис. 1. 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. Магнитное поле создается 18-ю столбиками магнитов из сплава Fe-Nd-B, расположенных вокруг катода. Концы столбиков соединены кольцевыми железными магнитопро-водами. Вблизи выходного сечения магнетрона установлен электромагнит, поле которого направлено навстречу магнитному полю постоянных магнитов. Магнитная пробка, образуемая такой конструкцией, удерживает вторичные электроны внутри катода. На рис. 2 показана индукция магнитного поля В2, измеренная по оси камеры при токе электромагнита 3.5 А. Координата Z = 0 соответствует выходному срезу катода. Внутри магнетрона (область Z < 0) индукция магнитного поля на оси 380 Гс, около боковой поверхности 420 Гс. На выходе из магнетрона вблизи оси имеется область с магнитным полем, близким к нулю. Через эту область плазма вытекает из магнетрона. Далее замагниченные электроны движутся вдоль расходящегося магнитного поля электромагнита, тянут за собой ионы, таким образом, концентрация плазмы становится более однородной по радиусу.

Скрещенные Е х В-поля вызывают дрейф электронов в азимутальном направлении, в результате внутри полого катода создается плазма высокой концентрации (до 1012 см-3). Те электро-

6

857

электромагнит

Bv Гс 100

0

-100 -200 -300 -400

20 30

Z, см

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

Рис. 2. Индукция магнитного поля Вг вдоль оси при токе электромагнита 3.5 А.

ны и ионы, которые имеют начальную аксиальную скорость, способны покидать полый катод и распространяться к подложке, которая располагается в технологической камере диаметром 30 см и длиной 45 см.

Чтобы уменьшить радиальные потери плазмы, между катодом и анодом устанавливалась изолированная цилиндрическая вставка диаметром 180 мм и длиной 110 мм. Для данного катода при выключенном электромагните диаметр центральной части потока составляет 5 см на расстоянии 20 см от выходного сечения магнетрона. Магнитное поле электромагнита расширяет поток плазмы и создает более однородное радиальное распределение.

Анодом источника плазмы является медное кольцо, расположенное в технологической камере, изолированное от нее. На кольцо можно подавать потенциал, который в приводимых ниже экспериментах был равен +20 В, при этом весь разрядный ток приходил на кольцо. В качестве блока питания (БП на рис. 1) разряда используется инверторный источник мощностью до 12 кВт (20 А, 600 В). Камера откачивалась до давления 5 х 10-6 Торр с помощью турбомолеку-лярного насоса (ТМН), аргон подавался через электронный регулятор расхода. Расход газа в данных экспериментах был равен 50 см3/мин, давление 5-20 мТорр регулировалось заслонкой перед турбомолекулярным насосом. Подложка в данных экспериментах не устанавливалась.

Концентрация электронов, температура электронов, функция распределения электронов по энергиям, а также плавающий потенциал Uf и потенциала плазмы Us определялись из зондовых характеристик цилиндрического зонда Ленгмюра

(r = 0.175 мм, l = 5 мм). Зондовые измерения производились с помощью автоматизированной системы сбора данных на базе аппаратуры фирмы National Instruments и программного обеспечения в среде LabVIEW. ВАХ зонда, состоящая максимум из 540 пар точек напряжение-ток (каждая точка получается осреднением 10 измерений), регистрируется за время менее 2 с. Программа зон-довых измерений имеет графический интерфейс, позволяющий оперативно управлять процессом сбора данных, а также просматривать графики ВАХ непосредственно после регистрации. Малое время регистрации является необходимым условием работы в металлической плазме, когда на зонд происходит осаждение пленки металла. Зонд располагался на расстоянии 19 см и 31 см от среза магнетрона.

Степень ионизации потока у определяется как отношение потока ионов ГСи+ к полному потоку металла, состоящего из атомов и ионов:

Г

7 = (1)

Г Cu++ Cu

где потоки атомов и ионов меди равны соответственно:

Г Cu = O.lSncuJ8^, г Cu + = 0.6*cu +А Р. (2) \nMcu Cu Cu V Mcu

Здесь кБ - константа Больцмана, MCu - масса атома меди, TCu, Te - температура атомов меди и электронов.

Степень ионизации потока была измерена с помощью сеточных кварцевых микровесов (СКМ), в качестве которых использовался промышленный датчик фирмы Inficon, перед которым были установлены 2 сетки (рис. 3). Микрове-

Ц =ХВе = 2 х 740

(3)

где Те выражено в эВ, а концентрация электронов N в см-3. Для Те = 2.5 эВ и ячейки в 70 мкм максимальная концентрация плазмы, которая задерживается сеткой, составит 5 х 1011 см-3. Кроме того, на результаты измерений оказывает влияние

«

т

(а)

Рис. 3. Сеточные кварцевые микровесы.

сы и 1-я сетка изолированы от камеры и в плазме находятся под плавающим потенциалом. Кварцевые микровесы состоят из кристалла кварца в виде диска диаметром 8 мм покрытым с одной стороны золотой пленкой. Кристаллический кварц обладает пьезоэлектрическими свойствами, т.е. подача электрического напряжения приводит к изменению его размеров. Кварц подключен в колебательный контур с частотой порядка 6 Мгц. При осаждении пленки металла на кварц его частота уменьшается пропорционально увеличению массы осажденной пленки. Сетка изготовлена из никелевой фольги толщиной 50 мкм, сторона квадратной ячейки 70 мкм, ширина перемычек между ячейками 30 мкм, прозрачность сетки Тс = 50%. Сетки изолированы друг от друга кольцами из слюды толщиной 0.8 мм, внутренним диаметром 18 мм и внешнем диаметром 22 мм. Назначение сеток следующее: 1-я сетка, находящаяся под плавающим потенциалом, задерживает значительную часть потока электронов. На 2-ю сетку подается положительный (относительно потенциала плазмы) потенциал, который задерживает ионы. Сетка эффективно задерживает ионы, когда расстояние между проволоками не превышает 2 Дебаевских радиусов. В практических единицах это условие выражается следующей формулой:

25 « 20

15 10 5

0

И

^ 5

-10

10 15 20 25 30 35

(б)

10 15 20 Z, см

25 30

Рис. 4. а) Аксиальные распределения за магнетроном температуры электронов Те, концентрации электронов Ые\ б) плавающего потенциала Ц-, потенциала плазмы и5 при г = 0. р = 10 мТорр, Ж = 2.2 кВт.

геометрический фактор датчика О [6], зависящий от отношения высоты датчика I к его диаметру d (аспектное отношение). Перед кристаллом кварца располагаются круглые сетки, таким образом, кварц находится в глубине своеобразного колодца. Часть нейтральных атомов, имеющих изотропное распределение скоростей, не достигают дна колодца, т.е. поток атомов на поверхность первой сетки отличается от потока на дно колодца, где находится кристалл кварца. Это приводит к завышению величины степени ионизации потока. Для учета этого эффекта вводится геометрический фактор О < 1. В нашем случае диаметр сетки 18 мм, расстояние от сетки до кварца 4 мм, т.е. колодец неглубокий, аспектное отношение 0.22.

Кроме того, диаметр датчика 8 мм, что значительно меньше диаметра входного колодца. Распределение нейтральных атомов отличается от изотропного, так как распыление частиц металла происходит на боковых поверхностях цилиндрической мишени. Поэтому мы приняли допущение, что поток атомов на дно колодца равен потоку на его входную поверхность, т.е. О = 1. Измерения были ограничены давлением не более 20 мТорр, поэтому влиянием столкновений частиц внутри датчика пренебрегаем.

4

3

5

3

0

5

0

5

В

о

35 30 25 20 .15 .10 05 0

20

15 Е, эВ

12

г, см

25

30

Т =

¡Б/ (ЩБ

|/ (Б Ш

1

0

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Ж, кВт

Рис. 6. Концентрация и температура электронов как функция от мощности ра

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.

Показать целиком