Скоростное магнетронное напыление меди на установке Caroline D 12A1.

Берлин Е.В.

Магнетронное напыление давно и прочно заняло свое место в получении тонкопленочных покрытий для различных применений в микроэлектронике, в технологиях гибридных интегральных схем, в технологиях для приборов акустоэлектроники и т.д. ( 1)

Но помимо достоинств, таких как удобство применения, хорошее качество покрытий и большой запас материала мишени, магнетронное напыление в сравнении с термическим или электродуговым имеет более низкий КПД преобразования электрической мощности источника питания в поток наносимого на подложку материала.

Для некоторых, распространенных в технологиях микроэлектроники материалов, таких как медь, олово, никель и ряд других, нам удалось преодолеть этот недостаток.
Был разработан узел магнетронного распыления со специальной магнитной системой и специальным узлом крепления мишени, которые обеспечили режим «самораспыления» мишени магнетрона при относительно низких затратах мощности блока питания. Впервые такая система была описана в известной книге «Магнетронные распылительные системы» в 1982 году.(2)

Опыт разработки этого устройства показал, что имеется немало трудностей в реализации подобного способа распыления, и поведение разряда не совпадает с описанным в книге поведением разряда.
Однако все трудности были преодолены, испытания показали хорошую управляемость процесса и высокую надежность нового технологического устройства, что позволило использовать его в составе серийной установки Caroline D 12A1.

Установка Caroline D 12A1 в базовом исполнении (без магнетронного узла с режимом «самораспыления») предназначена для магнетронного и /или термического напыления многослойных покрытий с обеих сторон стандартных керамических подложек. Установка снабжена каруселью под двадцать стандартных подложек 60*48 мм. с возможностью переворота подложек в процессе напыления, нагревателем, ионным источником для очистки подложек, очень эффективным, с ионным током в режиме очистки до 400 мА и 3-4 магнетронами с диаметром мишени 100 мм., позволяющими напылять несколько материалов в одном вакуумном цикле. Магнетроны снабжены индивидуальными заслонками и системой экранов, исключающей попадание напыляемого материала на мишени соседних магнетронов.

Блоки питания магнетронов - импульсные среднечастотные, с возможностью стабилизации тока, напряжения или мощности по технологическим показаниям.
Для удобства перегрузки камера установки снабжена дверью, а для удобства обслуживания внутрикамерных устройств - гидроподъемником.
Откачные средства в установке - безмаслянные.
Установка полностью автоматизирована и может встраиваться в чистую комнату.

Рис.1 Внешний вид установки Caroline D12A1

В обычном магнетронном режиме скорость напыления меди на мощности блока питания в разряде 3 КВА составляет 7 мкм/час., при расстоянии от магнетрона до подложки 90 мм. а при двухстороннем напылении - 3.5 мкм/час. ( 0.1 мкм/мин. и 0.05 мкм/мин. соответственно).
Поскольку требования к толщине меди при двухстороннем напылении часто составляют до 10 мкм. меди на сторону и более, время напыления только меди будет составлять 2,5 - 3 часа.
Вариант расположения технологических устройств в установке показано на Рис.2.

 Рис.2 Вариант расположения технологических устройств в установке.

 Установка в машину нового магнетронного узла, работающего в режиме «самораспыления», по нашему мнению, решила задачу с производительностью процесса напыления меди при улучшении качества покрытия.
На Рис.3 показан разрез камеры установки с вращающимися (поворотными) подложкодержателями. Новый магнетронный узел на разрезе не показан.

Рис.3. Разрез установки с поворотными подложкодержателями.

Правильная конструкция мишенедержателя и подбор магнитной системы привел к тому, что скорость напыления при той же мощности возросла более чем в 30 раз, до 2 мкм/мин. при одностороннем напылении и 1 мкм/мин. при двухстороннем напылении при мощности блока питания в разряде 2 КВА. Соответственно, 10 мкм. меди с двух сторон на двадцати подложках наносятся за время порядка 10 минут.
При этом расстояние от мишени до подложки увеличилось до 170 мм.
Отличительной особенностью такого магнетрона является аномально низкое рабочее давление при нанесении - 1*10-2 - 3*10-3 Ра.

Это связано с тем, что при переходе в режим самораспыления поток рабочего газа (аргон) может перекрываться полностью.
Получаемые с помощью подобного режима пленки чрезвычайно чистые и плотные. На атмосфере не окисляются в течение недели, легко облуживаются и паяются.
С применением такого технологического узла весь цикл нанесения стал быстрее на 2 часа, и появилась возможность делать 3 -4 загрузки в смену.

Скорость нанесения легко регулируется в режиме стабилизации мощности, минимальная мощность на магнетроне, при которой разряд не гаснет - 700 Ватт.
Зависимость скорости распыления от мощности нелинейна. Скорость напыления с «критической» точки растет квадратично от мощности разряда. Исследования зависимостей продолжаются.

Еще одной особенностью подобного режима распыления является основательная степень ионизации распыляемого материала. Ток на подложкодержатель может составлять(в зависимости от конфигурации магнитной системы) до 2/3 тока магнетронного разряда. При напряжении на подложкодержателе порядка 800 вольт начинается травление подложки ионами меди (вместо осаждения).

В настоящее время проходят испытания режимы напыления и узлы мишенедержателей для напыления олова, серебра, никеля и ряда других материалов.
Геометрия мишенедержателей не обязательно круглая, испытания проходили и мишенедержатели с геометрией мишени 80*250 мм.

Вероятно, серьезных ограничений по длине подобных устройств нет.
Выпущено уже 3 установки с установленными в них новыми магнетронными узлами. Опыт эксплуатации подтвердил скоростные характеристики процесса.

1. «Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких пленок» Е.Берлин., С.Двинин., Л.Сейдман. Москва. Изд. «Техносфера» 2007 г.
2. «Магнетронные распылительные системы» Б.С.Данилин., В.К.Сырчин. Москва. «Радио и связь» 1982 г. Стр. 67-69.