Катодный узел

КАТОДНЫЙ УЗЕЛ для магнетронного напыления кислородсодержащих тонких пленок, содержащий катод-мишень с конусной рабочей поверхностью, магнитную систему и заземленный экран, отличающийся тем, что, с целью повышения качества пленок за счет снижения неоднородности состава пленок на подложках большого диаметра, рабочая поверхность катода-мишени выполнена в виде выпуклого конуса с углом при его вершине, где = 120-160 .

Изобретение относится к нанесению тонких, преимущественно кислородсодержащих, пленок путем ионного распыления материала в вакууме и может быть использовано в установках для нанесения пленок на подложки магнетронным распылением.
Целью изобретения является повышение качества пленок за счет снижения неоднородности состава пленок на подложках большого диаметра.
В сущность изобретения заложен метод отклонения от подложки отрицательно заряженных ионов кислорода (О^-), которые, ускоряясь в электрическом поле катода, интенсивно перераспыляют растущую пленку.
В изобретении рабочая поверхность катода-мишени, выполненная в виде выпуклого конуса с углом при вершине от 120 до 160^о, отклоняет от подложки ускоренные в электрическом поле катода ионы (О^-).
Механизм получения положительного эффекта заключается в следующем.
При зажигании плазмы вблизи мишени возникает темное катодное пространство, толщина которого не сильно отличается от длины пробега частиц в плазмообразующем газе. В этом темном катодном пространстве сосредоточено почти все падение напряжения, и заряженные частицы, имеющиеся в плазме, разгоняются именно в нем. Его толщина зависит от давления и в обычных режимах составляет несколько миллиметров.
Почти всегда распыление мишени производится положительными ионами, чаще всего (Ar⁺). Выбитые из мишени частицы атомы материала мишени имеют энергетическое распределение, максимум которого приходится на половину энергии связи их в материале мишени (порядок величины 10 эВ). Атомов с более высокой энергией и ионов среди вылетающих частиц очень мало. Угловое распределение частиц часто близко к косинусному: вероятность вылета P(Q) пропорциональна косинусу угла Q между нормалью к мишени и направлением вылета P(Q) P_Q cosQ. Существенно иначе ведут себя отрицательные ионы в плазме, в частности (О^-), концентрация которых может быть заметной из-за большой энергии связи кислорода с электроном (Е 1,5 эВ). Их движение можно охарактеризовать двумя энергиями: энергией при вылете из мишени или полученной в результате соударений с другими компонентами. Ее величина обычно составляет 10 эВ. Движение с такой энергией осуществляется во всех направлениях.
Наличие отрицательного заряда у иона (О^-) приводит к его разгону в катодном пространстве в перпендикулярном от мишени направлении. Максимальная энергия, соответствующая этому движению, составляет величину, равную приложенному к катоду потенциалу. Среднюю энергию такого направленного движения рассчитать точно невозможно, так как она определяется газокинетическими процессами в плазме (сечениями рассеяния (О^-) на различных компонентах плазмы, плотностью различных компонентов и т.д.), которые в неоднородной магнетронной плазме известны недостаточно.
Из-за упомянутых двух энергий отрицательных ионов угловое распределение направлений движения этих ионов будет сильно вытянутым в направлении нормали к мишени по сравнению с косинусным. В конечном итоге эти ускоренные ионы кислорода и являются причиной перераспределения напыляемой пленки.
Экспериментально установлено, что угол разлета таких ионов составляет от 10 до 30^о в зависимости от рабочих параметров разряда, давления рабочего газа, напряжения на катоде, содержания кислорода в рабочем газе. При этом, так как электрическое поле строго перпендикулярно поверхности мишени, ионы (О^-) ускорены именно в этом направлении.
Авторами использовался стандартный плоский магнетронный катод (диаметром 75 мм); напротив него строго соосно помещалась подложка диаметром, вдвое превышающим диаметр катода (150 мм), проводилось напыление с данного катода при различных параметрах разряда. Затем с помощью рентгеноспектрального микроанализа определялся состав пленки и выделялись области, где он отличался от состава мишени из-за перераспределения растущей пленки ускоренными ионами кислорода (фиг.2).
При различных расстояниях мишень подложка (от d₁ 12 до d₂ 54 мм при диаметре мишени 75 мм и диаметре зоны эрозии 54 мм) выяснилось, что область перераспыления растет линейно с расстоянием пленка подложка. В диапазоне давлений 10^-3 мбар до 5 10^-2 мбар справедливы представления о конусном разлете перераспыляющих частиц с углом образующей конуса по отношению к нормали к мишени = 10 -30^о. Для подавления этого эффекта перераспыления авторы и предложили форму выпуклого конуса поверхности мишени.
Связь между углом разлета ионов кислорода и углом при вершине конуса мишени определялась расчетным путем, а затем подтвердилась экспериментально.
При этом принималось, что желаемая область ненарушенного состава равна по диаметру зоне эрозии магнетрона (в магнетронах этот диаметр обычно равен 80% от наружного диаметра катода-мишени).
Фиг.3 поясняет расчет:
2 (90^{о _} );
10-30^о;
т.е. = 120-160^о.
При параметрах разряда, указанных в примере заявки: Р_Аr 2 10^-2мбар; Р₀₂ 1 10^-2 мбар; U _{горения разряда} -150 В; мощность разряда 150 Вт; = 140^о, диаметр зоны эрозии мишени 60 мм, зона неизмененного состава ограничена диаметром 60 мм, а области подложки с большим диаметром обладают дефицитом Ва и Cu 1 мас.
Из вышеизложенного следует, что чем меньше угол при вершине конуса, тем дальше в бок отклонится поток перераспыляющих частиц, однако при этом уменьшается и скорость напыления, так как cosQ становится маленьким.
Вопросы о концентрации кислорода в пленке не связаны с угловым распределением (О^-), так как основная часть кислорода летит в виде нейтральных атомов и имеет угловое распределение, близкое к распределению других компонентов мишени. Кроме того, напыление кислородсодержащих соединений производится в смесях Ar+O₂ и основное количество кислорода поступает в пленку именно из газовой среды.
Итак, в изобретении диаметр подложки, на которой пленка обладает однородным составом и толщиной, равен 80% от диаметра мишени.
На фиг. 1 представлен катодный узел, поперечное сечение; на фиг.2 и 3 схематично изображены устройства, используемые для предварительных экспериментов при определении угла разлета отрицательных ионов кислорода с плоским и конусным катодами соответственно.
Катодный узел содержит катод-мишень 1, магнитную систему 2, экран 3 и работает следующим образом.
В качестве напылительной установки использована стандартная вакуумная установка Z-400 фирмы Leybold-Heraeus. Установленный в ней стандартный плоский магнетронный катод РК75 заменяли магнетронным катодом конусной конструкции. При этом его наружные размеры выполняли в точности равными наружным размерам РК75, что позволяет без изменения использовать посадочное место и оснастку (вакуумное уплотнение, экраны) установки Z-400. Наружный диаметр магнетронного катода равен 75 мм. Магнитную систему выполняли на основе магнита SmCos и магнитопроводов из армко-железа. Для приближения полюсов магнитной системы к поверхности катода водоохлаждаемая полость располагается не под всей поверхностью катода, а по кольцу диаметром 45 мм, высота ее 10 мм, при этом теплоотвод с остальной поверхности мишени обеспечивается за счет теплопроводности стенки медного корпуса-держателя мишени, ее толщина равна 2 мм. Угол при вершине конусной мишени выполняли равным 140^о.
Материал магнетронной мишени сверхпроводящий иттрий-барий-медный оксид YBa₂Cu₃O₇, крепление ее к медному держателю мишени производится пайкой ультразвуком, в качестве припоя используется индий.
В качестве подложки для напыления пленки YBa₂Cu₃O₇ использовали сапфировую пластину толщиной 500 мкм и диаметром 60 мм. Камеру перед напылением откачивали до 10^-5 мбар. Напыление проводили при следующих параметрах: рабочий газ смесь аргона с кислородом; Р_Ar 2 10^-2 мбар; Р_О2 1 10^-2 мбар. Напряжение горения разряда на мишени 150 В. Мощность разряда 150 Вт, т.е. плотность мощности на мишени составляет 3 Вт. Расстояние от вершины конуса мишени до подложки составляет 45 мм.
Подложку при напылении нагревали до 800^оС инфракрасным нагревателем, расположенным с ее тыльной части. Скорость на- пыления составляет 55 /мин. Время напыления 180 мин, толщина напыленной пленки 9900 (определены с помощью контактного профилометра).
После напыления плавно снижали температуру нагревателя и вынимали подложку из камеры. Затем алмазным резцом вырезали из образца полосу шириной 5 мм и с помощью рентгеновского микроанализатора проводили анализ состава пленки в зависимости от расстояния от центра подложки. Ошибка определения составила 1% Результат измерений представлен в табл.1.
Неоднородность состава определяют как отношение максимального отклонения концентрации компонента С_{макс.откл}. в мас. от ее среднего по подложке значения С_ср к этому среднему
C 100
В табл. 2 показаны результаты неоднородности состава пленок YBa₂Cu₃O₇, С, на подложке диаметром 0,8 от наружного диаметра катода- мишени.
Таким образом, катодный узел позволяет снизить неоднородность состава напыляемых кислородсодержащих пленок до уровня 1 мас. на диаметре подложки в 5-6 раз больше, чем в прототипе. Предлагаемый узел прост по конструкции.
Изобретение относится к вакуумному нанесению пленок методом ионного распыления материалов и может быть использовано в магнетронных установках. Сущность изобретения: катод - мишень магнетронного типа выполнен в виде выпуклого конуса с углом при вершине = 120-160 , что позволяет при распылении кислородсодержащих соединений обеспечить угол разлета отрицательных ионов кислорода, ускоренных в электрическом поле катода, равный 10 - 30^o. При этом ионы кислорода O^- ускорены с перпендикулярном мишени направлении и при диаметре подложки, составляющем 80% от диаметра мишени, не достигают подложки, чем обеспечивается однородность по составу и толщине тонких пленок, напыляемых на подложки большой площади. 3 ил.