|
Очистка на месте при напылении тонких пленок
Сотрудники компании Kaufman & Robinson, Inc.
ВВЕДЕНИЕ
Тонкие пленки напыляются на подложку в различных процессах вакуумного напыления. Свойства таких напылённых пленок зависят от чистоты поверхности подложки, на которую они напыляются. Загрязнение этой поверхности может привести к уменьшению адгезии пленки к поверхности, более быстрой деградации после напыления, большему сопротивлению контакта для электропроводных пленок и плохому качеству светопропускания для оптических пленок.
Даже при аккуратном обращении, загрязнения поверхности в виде осевших паров воды и различных углеводородов – результат воздействия атмосферы лаборатории перед нанесением. Это воздействие также может заключаться в образовании естественных оксидных пленок на материалах с активной поверхностью. Для удаления этих поверхностных загрязнений необходимо очистить поверхность подложки после того, как она помещена в вакуумную камеру и не может больше загрязняться лабораторной атмосферой, но до нанесения тонких пленок. Для такой очистки на месте используются тлеющие разряды и ионные пучки.
ОЧИСТКА ТЛЕЮЩИМ РАЗРЯДОМ
Для очистки на месте используется широкий спектр тлеющих разрядов, генерируемых постоянным полем и ВЧ-индукцией. Оборудование с генерацией постоянным полем обычно менее дорогое и, вероятно, более широко используемое. Для этого оборудования диапазон рабочих напряжений составляет от нескольких сотен вольт до нескольких киловольт. Наиболее часто применяемыми для разряда газами являются воздух, кислород, азот, инертные газы или смесь двух или более из них. Диапазон парциальных давлений этих газов – от одного до нескольких торр.
Обычно, давление газа для тлеющего разряда намного больше допустимого фонового давления при напылении и является основным ограничением очистки тлеющим разрядом. При типовом фоновом давлении в 1 торр, средняя длина свободного пробега молекул фонового газа – порядка 0.05 мм. Хотя длина свободного пробега ионов с высокой энергией больше, она все-равно около 0.5 мм [1]. Оба эти расстояния довольно малы по сравнению размерами камеры, поэтому диффузия загрязняющих веществ обратно к поверхности, с которой они были удалены, является проблемой. Кроме того, тлеющий разряд не очень избирателен к бомбардируемой поверхности, из-за чего присутствует перенос загрязняющих веществ между близлежащими поверхностями.
Повторное напыление, происходящее вследствие высокого давления и неизбирательной природы тлеющего разряда, вероятно, является причиной частого использования кислорода, азота или смесей, которые включают один или оба этих газа. Кислород и азот –очень химически активны и в атомарной, и в ионной форме, поэтому, даже при том, что загрязнение только частично удалено с поверхности подложки, продукты разряда будут реагировать с тем, что удалено. В качестве примера: при использовании кислорода как фонового газа углеводородные загрязнения могут быть, по крайней мере частично, удалены, превратившись в газообразные CO и H2O. Как менее желательный пример: разряд в кислороде также может привести к быстрому росту оксидной пленки, которая появилась от воздействия атмосферы. Кроме модификации загрязнений в более или менее летучие формы, некоторые «очистки» тлеющим разрядом могут образовывать инкапсулированные загрязнения вместе с нелетучими отложениями где-нибудь в вакуумной камере.
Когда очистка тлеющим разрядом заканчивается, далее, до начала напыления тонких пленок, необходимо откачать высокое фоновое давление. И высокое фоновое давление, и время на откачку до начала напыления вносят свой вклад в накопление новых загрязнений на поверхности подложки.
Хотя использование тлеющего разряда может быть ограничено из-за его «очистной» эффективности, все-же он улучшает свойства напыляемых пленок, в том числе в адгезии, по сравнению с пленками, напыленными вообще без какой-либо очистки на месте.
ОЧИСТКА ИОННЫМ ПУЧКОМ
При очистке на месте ионным пучком для генерации этого пучка используются и сеточные, и бессеточные ионные источники [2]. Сеточные ионные источники обеспечивают лучшее управление покрытием поверхности ионным пучком, но при генерации низкоэнергетических ионных пучков, которые более часто используются при очистке, бессеточные источники (Энд-Холл) более эффективны по стоимости. В обоих случаях, наиболее часто используемый рабочий газ – аргон.
При очистке на месте ионные пучки имеют ряд преимуществ перед тлеющими разрядами. Ионные пучки намного избирательнее из-за того, что ионы высокой энергии могут быть направлены на подложку, в итоге удаляя загрязнения только с подложки и
расположенных в непосредственной близости от нее поверхностей. Также важна возможность изменения энергии ионов независимо от других параметров. Для удаления физически адсорбированных загрязнений, таких как пары воды и углеводороды из атмосферы лаборатории, используются ионы низких энергий – <100 эВ, а такие энергии позволяют избежать повреждений или значительных распылений поверхности подложки. Эффективная чистящая доза для удаления физически адсорбированных загрязнений довольно мала – менее одного мА-с/см2 [3].
С другой стороны, ионы более высоких энергий могут использоваться для удаления хемосорбированных слоев, таких как натуральные окислы. Прочные хемосорбированные связи обычно требуют ионов высоких энергий, по крайней мере 100 эВ, с соответствующей дозой, определенной по выходу выбивания загрязняющего вещества и его толщины.
Низкое фоновое давление – основное преимущество очистки ионным пучком. Фоновое давление зависит от используемого вакуумного насоса, но обычно находится в диапазоне 10-4 торр. При таком давлении средняя длина свободного пробега молекул в тысячи раз больше, чем при очистке тлеющим разрядом. Такие большие длины пробегов существенно увеличивают вероятность, что загрязнения, раз уж они удалены с поверхности подложки, будут откачаны из вакуумной камеры прежде, чем они смогут вернуться на эту поверхность. К тому же, низкое фоновое давление позволяет напылять тонкие пленки сразу после окончания очистки, тем самым минимизируя новые загрязнения, которые могут образоваться между этапами очистки и напыления. Простое правило: мономолекулярный слой загрязнения может за секунду забирать от фонового давления загрязнений 10-6 торр. Но важно помнить, что фоновое давление загрязнений – то, которое учитывается, – не полное фоновое давление, которое, как правило, образуется почти полностью атомами аргона.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Обычно, если частичное удаление загрязнений вместе с уменьшением летучести оставшихся, дает удовлетворительные результаты, то приемлема более эффективная по стоимости очистка тлеющим зарядом. Но, если желаемые свойства пленок требуют существенно более полного удаления загрязнений, а не только их модификацию в более пассивную форму, то рекомендуется использовать очистку ионным пучком.
Настоящая статья посвящена только методам очистки. В зависимости от процесса напыления и подвергаемого напылению материала, ионы, участвующие в этом процессе, могут обеспечить дополнительные улучшения свойств тонких пленок [3,4].
ЛИТЕРАТУРА
1. Staff of K&R, "Charge and Momentum Exchange in an Ion Beam," Technical Note KRI-03, 2003.
2. Staff of K&R, "Broad-Beam Industrial Ion Sources," Technical Note KRI-01, 2003.
3. H. R. Kaufman and J. M. E. Harper, "Ion-Assist Applications of Broad-Beam Ion Sources," Proceedings of SPIE,
4. Vol. 5527, pp. 50-68. Aug. 2004.Staff of K&R, "Ion-Assist Doses," Technical Note KRI-05, 2005, 2006.
|
|
2015-2020 
