Kapitola 8 Magnetronové naprašovaní 8.1 Úvod Motto: nejjednodušší způsob, jak změnit povrchové vlastnosti materiálu je pokrýt jej tenkou vrstvou (Kdysi: lovec opaloval hrot kopí v ohni, Nyní: nejrozšírenejší metodou je magnetronove naprašovaní) 8.1.1 Úvodní pojmy Rozprašovíní kovoveho (Ci keramickeho, dielektrickeho) terCe, kdy z rozprašeních castic roste vrstva - noví material je naprašen na materialu, kterí chceme pokrít. Rozlišujte - naprašovaní vrstvy x odprašovaní terce x rozprašovíní terce. Nejední se o CVD nebo PECVD metodu, kde molekuly cístecne disociovane v plynne fazi chemicky reagují na povrchu za vzniku kondenzatu a prípadne je tento proces doprovazen emisí nestabilních meziproduktu. Jedna se o PVD (Physical Vapour Deposition) proces • techniky atomární povahy • vrstva je deponována z jednotlivách atomů maximálne z clusterů atomů • pokud probíhá nejake chemická reakce tak zásadne na povrchu rostoucí vrstvy (nezavisle na zdroji atomů) • patrá sem • obloukove metody • naparovaná • naprasováná To sputter • prskat • kašlat, prskat (motor) • zadrhávat, dodelavat, zastavovat se • mluvit zmatene, drmolit • rozprasovat 8.1.2 Historie: 1852 Sir William Robert Grove • medená elektroda pokrytá stříbrem • ruční výveva schopná vyčerpat aparaturu jen na 1000 Pa • byl pozorován růst vrstvy na stěnách aparatury a ničení katody (katoda se ničí a na anodě roste vrstva). Při záměně polarity deponovaná vrstva na anodě, nyní na katodě po krátké době zmizí. 1921 Sir John Thompson • rapid ejection of small particles like as "frying bacon splutter fat" —» spluttering 1923 Sir John Thompson • vypouští ve svém článku "1" a od té doby se ujímá do té doby zastaralá varianta —» sputtering konec 19. století kovové vrstvy pro zrcadla první polovina 20. století zlaté vrstvy pro fotografické desky 1970 naprašování plně vytlačilo naparování na trhu • lze naprašovat i materiály s vysokou teplotou tání (např. Ti 1670°C) • naprašujeme z plochy, naparujeme z bodu • naparování slitin je temer nemozne protoze depozicní rychlost komponent slitiny se lisí x pri naprasování se zachovává stochiometrie slitiny v rostoucí vrstve od konce 2. světové války po objevu tranzistoru se PVD a magnetronove naprasováná stava technologu mikroelektroniky, kde magnetronove naprasováná dominuje ve várobe spoju. tranzistor je skrze v podlozce vyleptane otvory a zarezy vyplnene kovem (via - dára, trench -zákop) napojen na jine tranzistory a i na zdroje signálu a vytvará tak sát', kde nm vse sve másto a ucel. 8.2 Fyzika RozpráSování • pro tenke vrstvy, pro analyticke ácely (rozprasuji materiál a studuji jeho hmotnostná spektrum) • odprasováná sten termojaderneho fáznáho reaktoru a kontaminace paliva 1. Prámá proces nastavá vet sinou pro velke áhly dopadu a pro pnpad, kdy je material vystaven toku lehkách iontu. K vyrazená atomu z povrchu terce dochazá po jedine srazce s dopadaj áá cásticá. Obrázek 8.2: Příklad zasíťování pouze ve dvou hladinách. Nyní (2010) se používá zasíťování až v 10 hladinach. 2. Nepřímý proces nastává, dopadá-li relativně těžká částice, která předá svoji energii oblasti blížko povrchu á dochází ke vžniku srážkove káskády, při ktere může být emitovány átom ž povrchu. Dopádá-li relátivne lehká částice, pri srážce s povrchovým átomem, nemůže predát dostátecnou energii pro vžnik srážkove káskády. Secondary Electron Sputtered Atom Incident Ion Neutralized Reflected Ion Sputtered Atom o. o \ 0009/ o OOqO5OOO ooodboo 000 o'oďoo Surface Atoms Obrázek 8.3: Schéma procesů probíhajících po dopadu iontu na povrch materiálu (kolizní kaskáda, vyražení sekundárního elektronu, ...) Výtěžnost naprašování / množství vyražených částic množství dopadajících částic (8.1) kde dopadající částice můžou být atomy, iontu, elektrony, atd. 8.2.1 Vliv energie dopadající částice: • Nízká energie 0 < E < 20 - 50 eV • subtreshold (podprahový režim) • sputtering yield ~ 10~6 • bylo experimentálně prokázáno, že i částice s velice nízkou energií < 1 eV (menší než energie vazby) dokáží vyrazit povrchový atom • Střední energie 50 eV < E < 1 keV • "knock-on sputtering regime" - kulečníkový režim. Řetězec srážek (kolizní kaskáda), který vyústí v odprášení atomů z povrchu terče. • simuluje TRIM program • záleží na: hmotnosti dopadající částice, hmotnosti částice tvořící terč, úhlu dopadu, čistotě terče • nezáleží na teplotě terče • Velká energie 1 keV < E < 50 keV • nejlépe teoreticky popsaná oblast • prakticky se pro magnetronové naprašování tato oblast energií nepoužívá • původní částice způsobí tak velkou kaskádu, že v určité oblasti se potrhají všechny vazby a atomy se uvolní • Velmi velké energie E > 50keV • atom proniká velmi hluboko do materiálu beze srážek • první srážka se děje hluboko pod povrchem a tedy většinou její účinky neproniknou na povrch • implantace, dopování v polovodičovém průmyslu 8.2.2 Výpočet výtěžnosti rozprašování: í(E) = 0,042 Q(E)a(M2,M1) Sn(E) 1 + TkP6°č 1 - E- -i s t h E (8.2) kde E je energie projektilu, M\ a M2 jsou hmotnosti projektilu a atomu terče v a.m.u., Us je povrchová vazebná energie terče, W{Z2)1 Q (Z2) a s jsou bezrozměrné tabulkové parametry. Parametry T a a(M2, Mi) jsou definovány jako a !/ \ 0,56 / \ 1,5 0,249 (11) +0,0035 (11) pro M, < M2 / \-0,15 / \ 0,0875 (^) +0,165(ä) pro M1 > M2 Další použité parametry jsou: Minimální energie pro rozprašování í 6.7ty7, pro M1 < M2 th \ (l + 5.7(Mi/M2))/7, pro Mx > M2 Energetický faktor pro elastickou srážku 7 = 4M1M2/(M1 + M2)2. Lindhartův koeficient pro elektronové zastavování (Ml + M2)i z\z) ke = 0.079v a i--——ä- (z* + zlY Účinný průřez pro jaderné brzdění _ 84.78ZxZ2 Mt TF "l J"(zf + ^3)>MÍ1 + M/" [e) Redukovanáý brzdný účinek TF. 3.441^1n(e + 2.718) < (e) =- / ? : (8-9) 71 W 1 + 6.355^ + e(6.882Ve - 1.708) V ; Redukovaná energie 0.03255 M2 Z1Z2(Z12/3 + Z22/3)V2M1 + M2 ^(eV). (8.10) 8.2.3 Vliv úhlu dopadu na výtěžnost rozprašování: • při kolmém dopadu si lze oblast, kam dopadající částice předá svou energii představit jako kouli, jejíž pouze malá část dosáhne k povrchu, z kterého lze uvolnit rozprášenou částici • pro ostřejší úhly se zasažená oblast přesouvá blíže k povrchu a výtěžnost roste • pro velmi velké úhly se částice od povrchu terče spíše odrazí • velké úhly nemají praktické využití, v plazmatu dopadají ionty na povrch katody kolmo 10 Cu->Cu Ar->Cu He -> Cu 10 10 A 1-1 ■ 10 A 1-1 1 10 A A 1-1° 10 10 Energy (eV) A (-i ^ 10 Obrázek 8.4: Závislost výtěžnosti naprašování na energii dopadající částice na povrch mědi. 8.3 Vlastnosti rozprášených částic 8.3.1 Energie a smer rozprášených částic: • pri magnetronovem naprasovaní se rozprasují atomy, maximalne male clustery • je-li povrch pokryt oxidem či nitridem, i v tomto případě se rozprašování děje na atomární úrovni • závislost množství rozprášených částic na energii je rozdělovači funkce, jejíž integrál odpovídá výtěžnosti naprašování • maximum rozdělení energie rozprášených částic ^l-5eV • střední energie rozprášených částic ^10-20 eV. Pokud by částice s touto energií (beze srážky) dopadly na substrát, budou velkou měrou přispívat k jeho zahřívání. Dále je třeba uvažovat sublimační energii, která je ale stejná u všech PVD procesů a iontový bombard rostoucí vrstvy. • pro velké energie (ocas rozdělení) platí Thompsonova formule í(E)áE ~ E dE E-\-E i f vazebné, Prostorové rozložení rozprášených částic • je-li srážková kaskáda náležitě rozvinutá, pro kolmé dopady energetické částice na povrch lze očekávat rozdělení kosinového typu • tok iontů při plazmovém odprašovaní téměř neovlivňuje rozložení rozprášených částic (v sheathu nedochází ke srážkám ion-rozprášená částice) Situace, je-li rozprašován terč tvořený sloučeninou (několika prvky), dochází k rychlému usta- vení dynamické rovnováhy, kdy složení povrchu terče se liší od složení objemového, ale rozprášených částic odpovídá složení terče • preferenční rozprašování • srážkové mixování 8.3.2 Transport rozprášených částic: • rozprášená částice s energií ~10 eV (rychlost ^10 km/s) může dopadnout na substrát buď beze srážky (balistický transport), či jen po absolvování několika, či mnoha srážek (difúzni transport) • hlavní parametr určující typ transportu je koncentrace částic v prostoru mezi terčem a substrátem (tlak). Tlak 1 Pa odpovídá řádově střední volné dráze rozprášených částic několik cm. Je-li vzdálenost terč - substrát cca 5 cm pak balistický transport nastává pro p < 1 Pa a difúzni transport pro p > 5 Pa. • tlak je tedy parametr umožňující kontrolu energie dodávané rostoucí vrstvě skrze rozprášené částice a tedy i vlastnosti vrstev Balistický transport • částice je po rozprášení transportována prakticky beze srážky. Částice můžou mít kinetickou energii 10 eV i více. Dochází k implantování částice do povrchové vrstvy rostoucího materiálu. Vznikají defekty u krystalického materiálu, případně lokální natavení materialu. • velký bombard vede na hutne vrstvy s malými zrny • podmínky mstu jsou jine, neZ u "termílních" metod. Lze tedy pripravit i ne zcela beZne materialy, ktere pri termalní depozici by byly nestabilní • smerovost depozice je velmi dobrí, lze jeste zlepsit filtrovíním Difízní transport • srízky v prubehu transportu vedou k ochlazovíní rozpríseních cístic a zahrívíní pracovního plynu • ícinní prurez pro prenos hybnosti je zavislí na energii castice. Rídove castice s energií 1 eV je "dvakrít vetsí", nez cístice s energií 10 eV. Cím více srazek, tím je pravdepodobnost dalsí srízky vetsí (pomaleji se pohybující cístice mají více casu aby jejich elektronove obaly vzajemne interagovaly) • vrstva roste z cístic, jejichz energie je malí - vrstvy rostoucí z rozpríseních atomu za vyssího tlaku jsou jako naparene ^ velkí zrna, lze pripravovat jen stabilní ma-teriíaly • ztríatovyí proces 1. redepozice - jednou rozprasení atom se pri difízním transportu muze vrátit na katodu, kde jsou ale oblasti, které se nerozprašují. 2. sniZuje se pravdepodobnost, Ze rozprašena částice dopadne na substrat, který báva umístená naproti terči. Zvysuje se naopak pravdepodobnost, Ze rozprasená častice dopadne na stenu (ztrata částice a nutne časte čistení aparatury, okenek, atd.) • ryčhlost depoziče r ádove nm/s • gas rarefačtion ( rede ní plynu) p r i magnetronovem napras ování (sputtering wind) • paralelní pročes k očhlazování rozprás enáčh č astič • r ed e ní plynu (sni z ování končentrače v místečh, kde dočhází k p r edavání energie) - atomy pračovního plynu jsou zahrívány srazkami s rozprasenámí častičemi a zvásení jejičh teplotu vede k poklesu jejičh kon-čentrače. • pro obvykle podmínky je v blízkosti katody pračovní plyn zreden ^ 5 x • problem pri skálovaní - víče rozprasovaná terč —» víče redení —» efektivne jakoby byl ni z sáí tlak With Sputter Heating Without Sputter Heating Coils Faraday Shield i 15 Al Target Target to wafer distance = 1S cm Magnet Substrate 1O 5 0 5 RADIUS (cm) Inlet Ar, cnr^ 6.8E14 4.6E14 2.5E14 •Outlet 1O 16 Obmzek 8.5: Model zobrazující rozlození koncentrace pracovního plynu v depozicní komore uva zujíícíí a nebo zanedbaívajíícíí efekt red eníí plynu vlivem sraí zek s rozpría senyími cíasticemi 8.4 Systémy využívající plazma 8.4.1 Fyzikální základy: Plazma - částečně ionizovaný plyn (přítomnost elektronů a iontů), který splňuje určitá kritéria (např. kvazineutralita, kolektivní chování) Tyto ionty z plazmatu lze využít k bombardování terče a jeho rozprašování (Ar, Ne, Xe, Kr - inertní plyny, případně v kombinaci s reaktivním plynem). Ionizační stupeň pro průmysl použitelného plazmatu je malý: 1 ion na 100-10000 atomů. Používané jednotky • eV = 1, 6.10-19 J • 1015 atomů/cm3 = 30mTorr = 4Pa • 760 Torr = 1 atmosféra • AMU - Atomic Mass Unit (v periiodické tabulce) Obvyklé parametry naprašování: • elektroda ^ desítky cm až metry • tlak 0,01 Pa - 10 Pa, lze i OPa - self-sputtering (samoodprašování terče, samo-naprašování vrstvy) • vzdálenost substrát - terč ~ jednotky až desítky cm • turbomolekulární vývěvy, suché vývěvy Udržení výboje: • sekundární emisí (dopadem iontu) se vyráží elektron —»ten je urychlován od katody k anodě a ionizuje pracovní plyn • 7 pravděpodobnost sekundární emise • 1 elektron musí vytvořit minimálně I/7 nových elektron-iontových párů (ztráty difúze, rekombinace) • 7 závisí na typu materiálu i energii dopadajícího iontu • v rozmezí energií vhodných pro naprašovaní je 7 = f(.E) lineární • kontaminace, zejména oxidace povrchu, mění 7 o 20-100% Vznik sheathů u povrchu katody i anody díky faktu, že plazma je vodivé a tedy vývoj potenciálu v něm musí být malý. Pokles potenciálu se tedy děje tedy jen u elektrod. Při naprašovaní je anodou obvykle celý reaktor vyjma katody. Z bezpečnostních důvodů je uzemněn. Na katodě je napětí v řádu stovek voltů. U katody je velký vývoj potenciálu —» urychluje ionty z plazmatu. Pro magnetronové naprašovaní je klíčové vědět, jaké velké množství elektronů a iontů lze Ar, 100 eV Ar, 1 ke V Ag 0,05 0,07 Cu 0,05 0,30 Mo 0,07 0,10 W 0,01 0,10 Si (100) 0,03 0,04 Si (111) 0,04 0,7 Tabulka 8.1: Příklady koeficientů sekundární emise vytahovat z plazmatu. Zcela jistě bude existovat určitý limit daný schopností plazmatu se přeskupovat a jeho koncentrací. Böhm tuto otázku vyřešil ve 40. letech 20. století a zjistil (odvodil), že niA cm' 8,9.10"nn Te [eV] W [AMU] (8.11) Příklad: chceme-li slušnou depoziční rychlost naprašování, je třeba, aby terčem o 100 cm2 (5,6 cm poloměr) tekl proud 1 A. otázkou je, jak husté plazma je třeba generovat? (I O d Obrázek 8.6: Typický průběh potenciálu v depozičním reaktoru, a) sheath v blízkosti katody, b) kladný potenciál v plazmatu, který balancuje kvazineutralitu (elektrony jsou pohyblivější, jejich ztrátu na anodu, která je zemněná je třeba brzdit), c) sheath u anody j = 10mA/cm2Te = 3eVV^ = 40(argon)ne = 4.10ncm"3 (8.12) Takto velkou koncentraci elektronů není jednoduché zajistit, např. klasickým doutnavým výbojem. Jde to jen v podmínkách blízkých optimu zapálení a udržení výboje, to jest ale pro tlak stovky pascalů —» nevhodný tlak pro naprašování —» snížím tlak —» mnoho sekundárních elektronů při své cestě a anodě nevyrobí dostatek e-I párů —» zvýším napětí —» zvětším množství sekundárních elektronů, ale vzhledem k maximu účinného průřezu pro energii ^ 100 eV zase snížím pravděpodobnost srážky. Ve výsledku jsem si vůbec nepomohl. Tento požadavek tedy klasickým stejnosměrným výbojem za nízkého tlaku nelze zajistit. Klasifikujme problém: Za nízkého tlaku, který je vhodný pro balistický transport rozprášených částic je střední volná dráha sekundárních elektronů velká. Hledám řešení, které • bude fungovat za nízkého tlaku • zajistí sekundárním elektronům lepší účinnost ionizace • neovlivní ionty dopadající na katodu • neovlivní rozprášené částice Řešením je využít magnetické pole o vhodné konfiguraci, které bude fungovat jako past zachycující sekundární elektrony. Lorentzova síla F = qv x B. Je-li B JL v, částice je nucena obíhat po kružnici a obíhá tak kolem magnetické siločáry a její pravděpodobnost srážky zůstává stejná, avšak čas po který zůstane v plazmatu roste. Takto uvězněný elektron vytvoří za cestu mezi katodou a anodou více párů. mv e B r = —— u = — (8. e B m • 100 eV elektron, 100 gauss (0,01 T) —» r = 3 mm • 100 eV Ar+, 100 gauss —» r = 66 cm (magnetické pole prakticky neovlivňuje dráhu iontů dopadajících na katodu) • elektron v B = 5 gauss —» / = 13, 5 MHz • elektron v B = 875 gauss —» / = 2, 45 GHz 8.4.2 Realizace v praxi: 3 konfigurace 1. magnetické indukční čáry směřují od katody k anodě - dráha sekundárních elektronů je zakřivena. Efektivně se zvýší vzdálenost katoda - anoda 2. zařízení využívající E x B drift. Nevýhodou je, že u těchto zařízení pozorujeme hromadění náboje na jedné straně zařízení, tedy takzvaný Hallův efekt. Řešení je udělat pomoci 4 cívek vhodně sfázovaných rotující magnetické pole. Obrázek 8.7: Schéma zařízení pro magnetronové naprašování - dva terče jsou současně odprašovány na substrat. 3. magnetronová konfigurace. Smyčka, ktera pro dobre navrZená magnetron zajistí, Ze elektrony se otočí nad katodou cca 10krat a i po opustení oblasti sheathu se budou nacházet v magnetickém poli, což jejich uvěznění posílí. U magnetronu nejme limitováni na kruhové elektrody. technické řešení magnetronové konfigurace (cca od roku 1970 zhruba stejné) • DC, nebo RF výboj zhuštěný přítomností magnetického pole tak, že z něj lze vytahovat dostatečné množství Ar+ pro rozprašování katody • elektrony jsou uvězněny E x £>, B polem • ionty nejsou téměř vůbec ovlivněny Schéma rovinného magnetronu • lze kruhový, obdélníkový, lichoběžníkový, atd • magnetické pole je pro kruhový magnetron vytvořené prstencem permanentního magnetu umístěným kolem centrálního magnetu. Centrální magnet a prstenec mají opačnou orientaci pólů • zespodu plát materiálu (železo) s velkou permeabilitou, který stíní spodní část od účinků magnetického pole • lze místo permanentních magnetů použít i elektromagnety (výhody - lze pole měnit, nevýhody - hřeje, hrozí nebezpečí zkratu, hmotnost, objem) • oblasti eroze se říká racetrack Obraázek 8.8: Sčháema rovinnáeho magnetronu ♦ magnetronová konfigurače pusobí erozi jen nekde, tedy materiál není rozprasován rovnomerne podel terče. Navíč jak se material rozprasuje, mení se velikost mag-netičkeho pole, hustota plazmatu a tedy márne i tok rozprasenáčh častič. Nerov- noměrné rozprašování terče bývá řešeno rotací magnetů vhodného tvaru. Vliv konfigurace magnetického pole na provoz magnetornu - konfigurace • elektrony jsou uvězněny magnetickým polem, což umožňuje zvýšit ne a snížit p • nevýhodou magnetické pasti je velmi malá hustota iontů u substrátu a tedy i nízký bombard rostoucí vrstvy ionty z plazmatu (kvazineutralita plazmatu). Pro otěruvzdorné a tvrdé vrstvy je třeba snížit vyváženost magnetického pole • v mikroelektronice je tlak ^ 0,1 Pa stále velký, je tedy třeba dbát na použití extréme dobře vyváženého magnetického pole Silně vyvážené magnetické pole (nízkotlaké naprašování) • vytvoření dalšího magnetického pole, které funguje jako přídavná bariera pohybu elektronů směrem k anodě • u silně vyvážených konfigurací magnetického pole bývá tok iontů na substrát < 1 m A/m2 Nevyvážené magnetické pole (zvýšení toku iontů na substrát) • nevyvážená konfigurace magnetického pole vznikne posílením vnějších magnetů • v této konfiguraci hustota toku iontů na substrát je typicky 2-10 mA/m2 Obmzek 8.9: Typicke vyvazene magneticke pole a prostorove rozlození hustoty plazmatu, kde je dobre partna oblast racetracku. • zvyším-li proud magnetronem, zvyší se tok iontu, ale pomer toku iontu ku neutralum na substríat bude konstantní • posílením vnitrního magnetu naopak snizuje bombardovíní vrstvy ionty, ale nezvyšujeme vyvízenost magnetickeho pole Obrázek 8.10: Schéma základních typů magnetického pole. Při poůZití více terCů se vyůZívá tzv. closed-field konfigurace magnetického pole pro zvásení toků iontů a homogenizaci depozice. Ztraty elektronů a iontů na steny jsoů velmi nízke a sůbstrít lezí v oblasti relativne vysoke koncentrace iontů (3 x více, nez ů ůnballanced mag- netronu). Zvyšuji-li vzdálenost terčů od substrátu, podíl toku iontu na substrát ku toku neutrálních částic se zvysuje (neutrály se ztrácí rychleji).