способ напыления пленок

Формула изобретения

СПОСОБ НАПЫЛЕНИЯ ПЛЕНОК, включающий распыление мишени в плазме магнетронного разряда низкого давления, отличающийся тем, что в газоразрядном промежутке предварительно создают магнитное поле и предварительную плазму, в которой формируют сильноточный высоковольтный диффузионный разряд с напряжением горения свыше 75 В путем пропускания через нее импульсов тока с плотностью 0,3 100,0 А/см², длительностью 10^-6 1 с с частотой следования от однократного до 10³ Гц.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме и может быть использовано в технологии производства полупроводниковых приборов, поверхностного легирования материалов, нанесения защитных и декоративных покрытий, получения различных пленочных структур.

Известен способ напыления пленок в вакууме (Maniv S. Westwood D. Discharge characteristics for magnetron sputtering of Al in Ar and Ar/O₂ mixtures. J. Vac. Sci. and Technol, 1980, 17(3), р. 743-751), заключающийся в том, что обрабатываемый материал помещают в плазму стационарного или высокочастотного газового разряда в магнитном поле (магнетронного разряда) при пониженном давлении. Покрытие создается потоком ионов и нейтральных атомов, возникающим вследствие распыления мишени потоком ионов из зон ионизации разряда, ускоренных до энергии, соответствующей величине катодного или приэлектродного (потенциал детектирования) падения потенциала, для случая стационарного разряда в планарном магнетроне в диапазоне рабочих давлений 0,2-2 Па и величине магнитных полей до 0,03 Т. Вольт-амперная характеристика разряда I=КVⁿ (где I ток разряда, V напряжение разряда, K,n коэффициенты, зависящие от конструкции устройства, рода газа, давления, магнитного поля) n > 1 сохраняется до величины плотностей токов на катод j I/S катода <0,03 А/см², напряжения разряда при этом достигают 400-600 В. Это ограничивает мощность разряда на единицу площади распыляемой мишени, а следовательно, и интенсивность потока осаждаемого материала (или плотность плазмы разряда, если осаждение производится из плазмы).

Продолжительное (более характерных времен теплопередачи в обрабатываемом материале или более характерных времен химических реакций на его поверхности) воздействие интенсивного потока распыленных атомов и ионов на обрабатываемый материал снижает качество нанесения покрытия, а также химическую однородность покрытия.

Для высокочастотного разряда величина приэлектродного падения потенциала, определяющая эффективность распыления, определяется соотношением P , где Р ВЧ мощность, V_sВ приэлектродное падение потенциала, С, В параметры, зависящие от давления, рода газа, однако эта величина не превосходит 300-500 В. Скорость нанесения покрытия в этом случае не превосходит 1 мкм/мин (по алюминию), что также требует продолжительного режима и сопряжено с вышеуказанными недостатками.

Из известных наиболее близким по технической сущности является способ нанесения покрытия с помощью газового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях (магнетронного разряда), в котором электроны удерживаются вблизи поверхности катода, что позволяет получить плотную плазму с высокой степенью ионизации вблизи катода, что обеспечивает высокую скорость распыления катодной мишени. Вместе с тем малое сопротивление плазмы по сравнению с разрядом низкого давления без магнитного поля уменьшает катодное падение потенциала до 350-700 В, а плотность тока разряда достигает 100 мА/см². В отличие от обычного катодного распыления скорость уноса материала мишени увеличивается в 5-10 раз. Наличие магнитного поля снижает поток высокоэнергетических электронов на напыляемый материал, то наряду с уменьшением напряжения разряда вызывает уменьшение энергии, приносимой электронами на подложку. Температура подложки составляет 50-200^оС, тогда как при обычном катодном распылении она достигает 300-500^оС. Снижение рабочего давления с одновременным увеличением скорости напыления и снижением темпеpатуры подложки позволяет существенно повысить качество покрытия, однако этого недостаточного для нанесения однородных покрытий и обработки нетермостойких материалов.

Предлагаемое изобретение обеспечивает повышение качества пленок и скорость их нанесения за счет уменьшения времени воздействия плазмы разряда на обрабатываемый материал (с непрерывного до 40 мс за импульс) при одновременном увеличении скорости нанесения покрытия (импульсная скорость напыления покрытия по меди до 120 мкм/мин).

Сущность изобретения заключается в том, что в способе напыления пленок, включающем распыление мишени в плазме магнетронного разряда низкого давления, в газоразрядном промежутке создают предварительно магнитное поле и предварительную плазму, в которой формируют сильноточный высоковольтный диффузионный разряд с напряжением горения свыше 75 В путем пропускания через нее импульсов тока с плотностью 0,3-100 А/см², длительностью 10^-6-1 с с частотой следования от однократного до 10³ Гц, после чего производят осаждение покрытия.

Режим разряда, обладающий вышеуказанными свойствами, реализуется независимо от рода газа, материала катода и конструкции разрядного устройства. Характерным свойством такого разряда является отсутствие неоднородностей в плазме разряда и образования катодных пятен. Наличие предварительной ионизации промежутка не является обязательным, однако вероятность перехода в дуговой режим в случае ее отсутствия возрастает.

П р и м е р. Пленку наносят распылением катодной мишени, например, в планарном магнетроне на подложку, например, из лавсана, ткани, полиэтилена, бумаги или нержавеющей стали. Предварительно в магнетроне зажигался разряд, обеспечивающий предварительную ионизацию разрядного объема (n_i 1,5-2 ^.10⁹ см^-3). Затем через разряд пропускался импульс тока амплитудой до 250 А. Общая длительность импульса составляла до 40 мс. Диапазон давлений выбирался 2^. 10^-3 5 ^.10^-2 тор. Рабочий газ аргон, азот, воздух и их смеси различного процентного состава. Характерные параметры сильноточного разряда при этом составили: напряжение горения (V_р) 500-950 В, ток разряда (I_р) 250-120 А (соответственно), плотность тока достигала 25 А/см. Например, для режима Р 1 ^.10^-2 тор, I_р 63 А, V_р 950 В, материал катода медь, рабочий газ аргон, импульсная скорость напыления покрытия на подложку, отстоящую от катода на расстояние 120 мм составляет 44 мкм/мин при длительности импульса тока 25 мс, что при частоте следования импульсов 10 Гц соответствует средней скорости напыления 18 мкм/мин. Увеличение длительности импульса свыше 1 с при сохранении указанной плотности тока приводит к развитию ионизационно-перегревной неустойчивости и контракции разряда, уменьшение длительности менее 10^-6 с ограничивает возможность самораспыления материала катода, что снижает эффективность способа. Увеличение плотности тока свыше 100 А/см² приводит к превышению критического тока образования катодного пятна, что также приводит к переходу разряда в дуговой режим с потерей преимущества обработки с помощью сильноточного диффузионного разряда. Частота следования 10³ Гц ограничивается временем восстановления электрической прочности газоразрядного промежутка.

Испытания показали, что при переходе в сильноточную форму разряд распространяется на существенно более широкую область катода, повышая его ресурс по сравнению со стационарным магнетронным разрядом, а также повышая равномерность потока распыленных атомов.

Использование способа позволяет путем увеличения частоты следования импульсов увеличить среднюю скорость нанесения покрытий по сравнению с существующими способами магнетронного нанесения покрытий, существенно (более чем в 10 раз) уменьшить количество примесей в напыляемых пленках и, регулируя время воздействия потока распыленных частиц, определять температурный режим поверхности обрабатываемого материала.