Осаждение тонких пленок тугоплавких металлов на стекла через диафрагмы на установке плазменного фокуса

Полный текст

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время допустимая температура нагрева больших интегральных схем достигла своего предела ~150 °C [1, 2]. Традиционно используемые материалы — кремний, медь и алюминий — исчерпали свои возможности [3]. По этой причине этим материалам подбирается замена из более тугоплавких металлов и различных термостойких изоляционных материалов [4, 5]. Среди кандидатов часто рассматриваются тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, тантал и ряд других металлов [6, 7].

Однако технология получения тонких электропроводящих дорожек и электрических контактов на новых термостойких изоляционных материалах при сборке интегральных схем становится очень сложной. Часто при производстве интегральных схем приходится напылять композиционные слои из различных металлов, чтобы получить хорошие электрические контакты и адгезию [8]. Существуют различные методы осаждения тонких пленок металлов на поверхность изоляционных материалов [9, 10]. Все они в различной степени используются при изготовлении интегральных схем, однако поиск новых способов осаждения металлических пленок более простых и надежных остается актуальным.

Целью работы было получение пленок тугоплавких металлов: молибдена, тантала и вольфрама размером 3—5 мм на подложках из силикатных стекол с использованием сильноточной электроразрядной установки типа плазменный фокус.

2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Установка плазменный фокус

Получение пленок тугоплавких металлов: Мо, Та и W на стеклянных пластинках выполняли на электроразрядной установке типа плазменный фокус ПФ-4 ФИАН [11]. В работах [11—14] показано, что установки данного типа позволяют получать пучки ионов с энергией несколько десятков килоэлектрон-вольт и высокоскоростные (>10⁷ см/c) плазменные струи с плотностью потока энергии, превышающей 10¹⁰ Вт/см². При воздействии таких пучков на поверхность мишени из тугоплавких металлов за счет абляции возможно получение плазменных сгустков, содержащих ионы и атомы материала мишени. Образованная таким образом металлосодержащая плазма может быть осаждена на поверхности диэлектрической подложки с образованием тонкой металлической пленки.

Установка плазменный фокус ПФ-4 (ФИАН, Россия) [11] представляет собой электроразрядное устройство с медными коаксиальными электродами: анодом и катодом, размеры которых в диаметре соответственно равны 30 мм и 50 мм. В аноде имеется конусное отверстие ∅ ~9 мм и глубиной ~7—8 мм. Анод и катод отделены друг от друга цилиндрическим изолятором из вакуумно-плотной керамики.

Для электрического разряда применялся 3.5 кДж емкостной накопитель энергии при рабочем напряжении ~12 кВ. Характерное время нарастания разрядного тока составляло ~3 мкс при максимальном токе ~300 кА. Рабочими газами были азот и аргон при давлении в разрядной камере ~1 Торр. Напряжение от конденсаторного накопителя энергии поступало на анод через управляемый газонаполненный разрядник (рис. 1).

 

Рис. 1. а – Схема установки ПФ-4 и последовательные фазы движения ТПО: 1 — изолятор, 2 — фаза пробоя и формирования токово-плазменной оболочки (ТПО), 3 — фаза ускорения ТПО, 4 — фаза радиального сжатия, 5 — ионный пучок и плазменный поток, 6 — пинч, 7 — внешний электрод (катод), 8 — внутренний электрод (анод), 9 — разрядник, 10 — конденсаторная батарея.; б – анодный узел установки ПФ-4: 1 — анод; 2 — конусное отверстие; 3 — катод.

 

2.2. Принцип работы установки плазменный фокус

В начальной стадии ПФ-разряда в области изолятора разрядной системы формируется токово-плазменная оболочка (ТПО), движущаяся затем под действием пондеромоторных сил вдоль анода и сходящаяся на оси системы с образованием короткоживущей (время жизни порядка 10^–7 с), плотной (N_e = 10¹⁸—10²¹ см^–3) и высокотемпературной (T_e = 100—1000 эВ) плазмы (пинча), распадающейся на более поздних стадиях разряда. Последовательные фазы движения ТПО показаны на рис. 1.

В момент максимального сжатия ТПО и распада пинча на производной разрядного тока регистрируется короткий импульс, который называют особенностью (рис. 2). В это же время наблюдается образование плазменной струи и пучка быстрых ионов, движущихся от анода вдоль оси системы ПФ (рис. 3).

 

Рис. 2. а – Производная разрядного тока в относительных единицах, развертка 2 мкс на клетку; б – фотография плазменной струи, снятая через зеленый светофильтр ЗС-8.

 

Рис. 3. Схема осаждения пленок металлов на стеклянные подложки: а – 1 — шток держателя образцов; 2 — диск держателя образцов из нержавеющей стали Х18Н10Т; 3 — прижимная пластинка из стали Х18Н10Т; 4 — стеклянная подложка; 5 — мягкие прокладки; 6 — диафрагма из стали Х18Н10Т; 7 — мишень (металлическая фольга); 8 — катод; 9 — анод; 10 — струя плазмы; б – держатель образцов в сборке с металлической фольгой: 1 — стальной диск ∅ 100 мм, толщиной 5 мм; 2 — контрольная мишень из титана; 3 — диафрагмы.

 

Механизм образования плазменных струй и ионных пучков до сих пор мало изучен. Предполагается, что струи могут возникать как вследствие нецилиндричности ТПО, так и из-за развития перетяжек на пинче. В работе [11] была зарегистрирована скорость плазменной струи на уровне 5×10⁷ см/c при ее плотности 10¹⁹ см^–3.

В случае использования в качестве рабочего газа аргона при указанных параметрах энергия, переносимая струей плазмы, составляет величину более 1 кДж, а плотность потока энергии при длительности плазменного импульса 50 нс на мишени не менее 10¹⁰ Вт/см².

В работе [13] отмечалось, что плотность потока энергии, создаваемой ионным пучком, может достигать величины ~10¹² Вт/см². Воспроизводимость параметров ионно-плазменного пучка (энергии, направления движения) контролировалась путем регистрации амплитуды особенности на производной разрядного тока (рис. 2а), а также фотографированием плазменной струи в оптическом диапазоне длин волн (рис. 2б).

Экспериментально установлено, что наличие особенности на производной разрядного тока свидетельствует о формировании плотного пинча, плазменной струи и ионного пучка на оси ПФ. Замечено, что большей амплитуде особенности соответствует большая энергия ионно-плазменной струи и яркость ее свечения (рис. 2б) [12, 14].

Для получения металлосодержащей плазмы использовали фольгу тугоплавких металлов — Mo и W толщиной 20 мкм и фольгу Ta толщиной 5 мкм. Их размеры были 15 × 15 мм. Исходя из данных, приведенных в справочнике [15] по теплоте сублимации металлов: Mo (582 кДж/моль), W (770 кДж/моль) и Ta (745 кДж/моль), можно получить оценку необходимой энергии для сублимации фольги: W — 150 Дж, Ta — 30 Дж, Mo — 75 Дж. Учитывая энергию ионного пучка и плазменной струи, приведенные выше, можно считать, что условия абляции фольги тугоплавких металлов будут выполняться.

2.3. Осаждение пленок тугоплавких металлов через диафрагмы

Для осаждения пленок тугоплавких металлов: Мо, Та и W размером ∅ 3—5 мм изготавливались подложки из силикатных стекол размером 20×20 мм из фотопластинок толщиной 2—3 мм. Перед осаждением пленок металлов стекла промывали этанолом и дистиллированной водой. Диафрагмы из нержавеющей стали типа X18H10T имели отверстия: 2.5, 3.5 и 4.5 мм. Схема осаждения пленок тугоплавких металлов на стеклянные подложки через диафрагмы дана на рис. 3а. Здесь же приведено фото держателя образцов на три мишени рис. 3б. Держатель образцов на три мишени крепился на штоке в вакуумной камере (рис. 3а). Расстояние от поверхности фольги до анода установки ПФ во всех опытах было равно 30 мм.

Перед облучением фольги ионно-плазменным пучком через диафрагмы выполняли контрольное облучение плазмой мишень из титана (рис. 3б). Экспериментально подбирали режим облучения плазмой по амплитуде особенности на производной разрядного тока, чтобы достигалось плавление и испарение фольги. После этого поворотом держателя образцов устанавливали мишени на оси установки ПФ и облучали одним импульсом плазмы. Ввиду того, что амплитуда особенности и соответственно энергия плазменного потока могли меняться от импульса к импульсу, мы делали выборку результатов воздействия плазмы на мишень из 3—5 образцов.

2.4. Методики измерений свойств металлических пленок

Свойства металлических пленок изучали на оптическом микроскопе Leika DM, растровом микроскопе EVO-40 cо встроенным рентгеновским микроанализатором, оптическом профилометре 3D-модели Neox фирмы Sensobar-Tech, SL и цифровом профилометре XP-200 фирмы AMBIOS. Адгезию металлических пленок на поверхности стеклянных пластинок проверяли методом истирания.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

3.1. Получение пленок тантала

На рис. 4а показана пленка Ta, полученная на стеклянной подложке через диафрагму ∅ 2.5 мм. На рис. 4б показана эта же пленка, снятая на сканирующем электронном микроскопе EVO-40 в характеристическом спектре Ta. Видно, что на поверхности пленки имеются отдельные крупные фрагменты фольги, а также присутствует множество мелких частиц размером от единиц до десятков микрон.

 

Рис. 4. а) – Танталовая пленка на поверхности стеклянной пластинки, осажденная через диафрагму с отверстием ∅2.5 мм. Рабочий газ аргон. Особенность 80 отн. ед.; б) – Фото пленки в характеристическом спектре Ta, снятое на сканирующем микроскопе EVO-40, увеличение 49×. Линией отмечено направление сканирования пленки при измерении относительной концентрации Та и элементного состава (рис. 5).

 

Как видно на рис. 5а, относительная концентрация Та в пленке может изменяться от 40 до 100%, что указывает на сильно неоднородную структуру поверхности. На поверхности пленки также наблюдается значительное количество неконтролируемых примесей: калий, кальций, магний и алюминий, которые поступают в пленку при плавлении стеклянной подложки. Сканирование профиля поверхности пленки на оптическом профилометре (3D-модель S Neox фирмы Sensobar-Tech SL) и цифровом профилометре (XP-200 фирмы AMBIOS) также указывает на неоднородную структуру поверхности (рис. 6).

 

Рис. 5. а) – Относительная концентрация Ta в области осаждения пленки; б) – элементный состав пленки, полученный растровым микроскопом EVO-40.

 

Рис. 6. Профиль поверхности пленки Та, измеренный в срединной части области напыления (см. рис. 4б): а) – получен с помощью оптического профилометра фирмы Sensobar-Tech Sl; б) – получен с помощью цифрового профилометра фирмы AMBIOS XP-200.

 

Как видно, средняя толщина танталовой пленки лежит в пределах 4—6 мкм. Поверхность пленки имеет сильно неоднородную текстуру, что связано с осаждением частиц Та размером от долей до единиц микрон.

3.2. Осаждение пленок молибдена

На рисунке 7а показана пленка Мо, осажденная на стеклянную пластинку через диафрагму с отверстием ∅ 3.5 мм. Микроструктура поверхности пленки представлена на рис. 7б. На поверхности пленки осаждаются крупные частицы Mo, кроме того, имеются отдельные фрагменты фольги. Это означает, что при толщине фольги 20 мкм энергии плазменной струи (особенность 130 отн. ед.) было недостаточно для полной абляции фольги. Этот вывод подтверждается данными микроструктурных исследований (рис. 8).

 

Рис. 7. а) – Пленка молибдена, осажденная на стеклянную пластинку через диафрагму с отверстием ∅ 3.5 мм. Рабочий газ аргон. Особенность 130 отн. ед.; б) – Микроструктура поверхности пленки молибдена, снятая сканирующим микроскопом EVO-40.

 

Рис. 8. Микроструктура поверхности пленки Мо, полученная с помощью микроскопа Leica DM: напыление пленки в центральной области (а), на краю пленки (б).

 

Беспорядочное распределение частиц Мо в плоскости пленки может быть связано с неоднородным распределением плотности энергии в плазменной струе (см. рис. 2б). При более высокой плотности энергии в центре ионно-плазменной струи на стекле образуется кратер глубиной ~0.35 мкм (рис. 9a). Поэтому получение планарных пленок Мо на силикатных стеклах при данных условиях эксперимента и высоких энергиях плазменных потоков не представляется возможным. Профиль распределения частиц Мо в центре кратера показан на рис. 9б.

 

Рис. 9. а) – Образование кратера глубиной 0.35 мкм на стеклянной пластинке при осаждении пленки молибдена. Особенность 130 отн. ед. б) – Профиль распределения частиц Мо в центре кратера. Получен на цифровом профилометре XP-200 фирмы AMBIOS.

 

Как видно, наблюдается большой разброс частиц по размерам от долей до десятков мкм, что также приводит к большим флуктуациям толщины пленки. Анализ элементного состав пленок Мо указывает на большое число сторонних примесей: Mg, Ca, K, Al и др., которые поступают с поверхности стекла и анодного узла установки.

3.3. Осаждение пленок вольфрама

На рис. 10а показана пленка вольфрама на стеклянной пластинке, осажденная через диафрагму с отверстием ∅ 15 мм и фольга W после воздействия импульса Ar плазмы (рис. 10б).

 

Рис. 10. а) – Осаждение пленки W на стеклянную подложку толщиной 1.5 мм через диафрагму с отверстием ∅ 15 мм. Рабочий газ аргон. Особенность 80 отн. ед. Расстояние от анода до мишени 30 мм; б) – Фольга W после воздействия импульса плазмы Ar.

 

Как видно на рис. 10б, энергии плазменной струи (амплитуда особенности 80 отн. ед.) недостаточно для полной абляции W-фольги, в результате на поверхности стекла осаждаются крупные капли W и отдельные фрагменты фольги. При амплитуде особенности 280 отн. ед. и уменьшении расстояния от анода до мишени с 30 мм до 16 мм плотность потока энергии ионно-плазменной струи достигает величины, при которой наблюдается практически полная абляция W-фольги толщиной 20 мкм. Однако при этом происходит разрушение стеклянных подложек толщиной 3 мм (рис. 11а).

 

Рис. 11. а) – Осаждение пленки вольфрама на стеклянную подложку толщиной 3 мм через диафрагму с отверстием ∅ 4.5 мм. Расстояние от мишени до анода — 16 мм. Рабочий газ азот. Особенность 280 отн. ед.; б) – Фольга W толщиной 20 мкм после воздействия плазменной струи.

 

При осаждении W-пленок при тех же параметрах ионно-плазменного пучка на более тонкие стеклянные подложки толщиной 1.5 мм разрушения подложек не наблюдалось, но при этом пленки, сплавляясь со стеклом, уходили глубоко под поверхность стекла (рис. 12а).

 

Рис. 12. а) – Осаждение пленки вольфрама на стеклянную подложку толщиной 1.5 мм через диафрагму с отверстием ∅ 4.5 мм. 1 – пленка вольфрама; 2 – пенное стекло. Расстояние от анода до мишени 15 мм. Рабочий газ азот. Особенность 230 отн. ед. б) – Профиль пленки W по диаметру области осаждения, полученный с помощью цифрового профилометра XP-200 фирмы AMBIOS.

 

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Из представленных результатов эксперимента видно, что получение однородных пленок тугоплавких металлов: Мо, Та и W на поверхности силикатных стекол представляет значительные трудности. Это связано, прежде всего, с низкой температурой плавления стекла (~800 °C). При температуре плавления фольги металлов: Мо (2 623 °C), Та (2 996 °C) и W (3 695 К) стекло расплавляется частицами металла, и значительная их часть при высокой скорости плазменного потока ~10⁷ см/с и более уходит под поверхность стекла.

Пленки металлов на поверхности стекол образуются из частиц с размерами от долей до десятков микрон, в результате формируется сильно неоднородный рельеф на поверхности пленок. Пленки металлов имеют высокую адгезию с поверхностью стекол. Применение диафрагм позволяет получать пленки металлов небольших размеров ∅ 3—5 мм на поверхности стекол, однако качество пленок сравнительно низкое.

На поверхности пленок металлов присутствует большое количество сторонних примесей, которые необходимо удалять, используя дополнительные методы очистки поверхности. Лучших результатов можно добиться, используя более тугоплавкие подложки более простого состава, например из керамик — диоксид алюминия (Т_m = 2 044 °C), диоксид циркония (Т_m = 2 715 °C).

Существуют более тугоплавкие керамики на основе нитридов и карбидов металлов с температурой плавления ~4 000 °C. Возможно, что при использовании таких керамик в качестве подложек, проблем с подбором толщины металлической фольги и энергии плазменного потока при осаждении более качественных пленок через диафрагмы не будет.

Однако все эти вопросы требуют дополнительных исследований. Применение стекол в современной микроэлектронике весьма ограничено, и в данной работе они использовались как модельный материал.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выяснено, что на установках плазменного фокуса с энергией в несколько килоджоулей, используя металлические диафрагмы с различным диаметром отверстий, можно получать тонкие пленки тугоплавких металлов: Мо, Та и W небольших размеров ∅ ~3—5 мм на диэлектрических подложках (стеклах).

Полученные таким способом пленки металлов характеризуются высокой адгезией с поверхностью стекла. Однако качество пленок на поверхности стекол получается невысоким. В значительной степени это связано с низкой температурой плавления подложки (стекла). Предполагается, что применение более тугоплавких керамик позволит получать пленки металлов более высокого качества, пригодные для использования в качестве контактных площадок в микросхемах.

Об авторах

В. Н. Колокольцев

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: v.kolokoltsev@yandex.ru
Россия, Москва

В. Я. Никулин

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Email: nikulinvy@lebedev.ru
Россия, Москва

П. В. Силин

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Email: v.kolokoltsev@yandex.ru
Россия, Москва

И. В. Боровицкая

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Email: v.kolokoltsev@yandex.ru
Россия, Москва

Е. Н. Перегудова

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Email: v.kolokoltsev@yandex.ru
Россия, Москва

А. И. Гайдар

Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий

Email: v.kolokoltsev@yandex.ru
Россия, Москва

Л. И. Кобелева

Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Email: v.kolokoltsev@yandex.ru
Россия, Москва

А. М. Мезрин

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: v.kolokoltsev@yandex.ru
Россия, Москва

А. А. Ерискин

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Email: v.kolokoltsev@yandex.ru
Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы