Способ настройки магнетронного распыления составной мишени

Изобретение относится к технологии магнетронного распыления и может быть использовано для качественного и экономичного осаждения на подложку многокомпонентного материала пленки в результате распыления составной мишени с частями, изготовленными из отдельных компонентов осаждаемого на подложку материала пленки, за счет изменения площади поверхностей распыления, расположенных на плоской нижней базовой части мишени в зоне распыления верхних накладных частей мишени для обеспечения заданного изменения состава осаждаемого на подложку материала пленки.

Уровень техники в области, рассматриваемой в настоящем описании магнетронного распыления путем настроечного изменения площади распыляемых поверхностей составных частей мишени без их повторного (подгоночного) изготовления (путем подбираемого изменения размеров повторно изготавливаемых верхних накладных частей) характеризуется известным изменением площади распыляемых компонентов при настроечном взаимном поворотном смещении дисков составных мишеней, выполненных в виде набора тонких дисков, изготовленных из отдельных компонентов осаждаемого на подложку многокомпонентного материала пленки с нижним сплошным диском и уложенными на нем и друг на друге остальными верхними накладными дисками с равноугольными радиальными окнами - патент JPS 6223964, С23С 14/34, 1987 или различной перфорацией - патент РФ 143793, С23С 14/35, 2014.

Такие настройки низкотехнологичны в эксплуатации при изменении настройки магнетронного узла распыления в связи с конструктивным усложнением указанных составных мишеней.

В качестве прототипа предлагаемого способа магнетронного распыления составной мишени выбран способ магнетронного распыления составной мишени с частями, изготовленными из отдельных компонентов осаждаемого на подложку материала пленки, путем изменения площади поверхностей распыления расположенных на плоской (дисковой) нижней базовой части мишени, изготовленной из первого компонента осаждаемого на подложку материала пленки, в (кольцевой) зоне распыления верхних накладных частей мишени -круговых секторов, изготовленных из второго компонента осаждаемого на подложку материала пленки, для обеспечения заданного изменения состава осаждаемого на подложку материала пленки (см. распыление показанной на фиг. 1 к описанию составной мишени по патенту US 8338002, В32В 18/00, В32В 27/36, С23С 14/08, С23С 14/12, С23С 14/34, 2012).

Основным недостатком способа - прототипа является необходимость (при настройке магнетронного оборудования) коррекции площади распыляемой поверхности верхних накладных частей - круговых секторов, задаваемой площадками, занимаемыми последними в контуре кольцевой зоны распыления мишени, и влияющей на получаемый состав осаждаемого на подложку материала пленки, низкотехнологичным путем подбираемого изменения размеров повторно (подгоночно) изготавливаемых верхних накладных частей -круговых секторов. Этот недостаток усиливается при осаждении на подложку многокомпонентного материала пленки.

Технический результат от использования предлагаемого способа магнетронного распыления составной мишени - повышение технологичности настройки магнетронного распыления путем изменения площади поверхностей распыления расположенных на плоской нижней базовой части мишени в зоне распыления верхних накладных частей мишени за счет поочередного перемещения верхних накладных частей на нижней базовой части мишени в контуре зоны распыления до совпадения площадок, занимаемых ими в контуре зоны распыления, с контурами соответствующих съемно прикрепленных к поверхностям распыления верхних накладных частей шаблонов, которые перед магнетронным распылением снимают (удаляют) и площадь которых для каждой верхней накладной части определяют с помощью расчетной оценки указанной площади на основе ее пропорциональной связи с мольными соотношениями состава осаждаемого материала пленки с учетом коэффициентов распыления упомянутых компонентов.

Предлагаемый способ расширяет также технологические возможности экономичной настройки составной мишени в составе магнетронного оборудования.

Для достижения указанного технического результата в способе магнетронного распыления составной мишени с частями, изготовленными из отдельных компонентов осаждаемого на подложку материала пленки, путем изменения площади поверхностей распыления расположенных на плоской нижней базовой части мишени в зоне распыления верхних накладных частей мишени для обеспечения заданного изменения состава осаждаемого на подложку материала пленки, подготавливают тонкие плоские шаблоны, имеющие форму и соответствующую заданному изменению состава осаждаемого на подложку материала пленки площадь рабочих участков поверхностей распыления верхних накладных частей мишени, представляющих собой площадки, занимаемые ими в контуре зоны распыления, после чего указанные шаблоны размещают с их фиксацией на соответствующих указанных рабочих участках поверхностей распыления верхних накладных частей, последние затем поочередно перемещают на нижней базовой части мишени в контуре зоны распыления до совпадения площадок, занимаемых ими в контуре зоны распыления, с контурами соответствующих шаблонов, которые перед магнетронным распылением удаляют, при этом площадь указанных шаблонов для каждой верхней накладной части определяют в зависимости от суммарной площади поверхностей распыления нижней базовой части и верхних накладных частей мишени в пределах зоны магнетронного распыления.

На фиг. 1 показан вид сверху настроенной в соответствии с предлагаемым способом магнетронной составной мишени с расположенными на нижней базовой части двух верхних накладных частей с зафиксированными на них своими шаблонами, которые удаляют после настройки перед магнетронным распылением; на фиг. 2 - вид в аксонометрии используемого в предлагаемом способе магнетронной составной мишени одного из шаблонов на фиг. 1 с двумя боковыми упругими отгибами, выполненного в виде кольцевого сектора, имеющего площадь, вычисленную с помощью формулы (1) в настоящем описании изобретения и равную площади поверхности распыления верхней накладной части составной мишени в пределах контура кольцевой зоны магнетронного распыления; на фиг. 3 - вид в шаблона на фиг. 2, зафиксированного с помощью двух боковых упругих отгибов на поверхности распыления верхней накладной части составной мишени после подбора его оптимального расположения на поверхности распыления указанной накладной части (с максимальным покрытием шаблоном поверхности распыления верхней накладной части).

Способ магнетронного распыления составной мишени в соответствии с предлагаемым способом в частных примерах его осуществления производят следующим образом.

Примеры осаждения на подложку материала пленки, имеющего три состава.

Для осаждения на подложку, изготовленную из GeO₂, материала пленки, имеющего состав 79GeO₂-20SrO-Bi₂O₃ (первый состав), 75GeO₂-20SrO-5Bi₂O₃ (второй состав) или 80GeO₂-18SrO-2Bi₂O₃ (третий состав) - три настройки, путем магнетронного распыления составной мишени на магнетронной установке с кольцевой зоной распыления (см. фиг. 1), выполненной в виде круглой дисковой нижней базовой части 1, изготовленной из GeO₂, и расположенных на ней двух верхних накладных частей, имеющих каждая форму кругового сектора с обрезанной вершиной и изготовленных первая накладная часть 2 из SrO и вторая накладная часть 3 из Bi₂O₃, подготавливают два шаблона, изготовленных из полиэтиленовой пленки и имеющих форму кольцевого сектора, первый шаблон 4 с углом 59° и второй шаблон 5 с углом 8° и оба шаблона с радиусами внешним 30 мм и внутренним 27 мм, и, соответственно площадями S₁=88 мм² (для получения первого состава), 83 мм² (для получения второго состава) или 77 мм² (для получения третьего состава) и 12 мм² (для получения первого состава), 58 мм² (для получения второго состава) или 24 мм² (для получения третьего состава), определенными с помощью следующей формулы (1) для указанных заданных составов:

где i=1,2,…,n-1 - нумерация верхних накладных частей мишени;

S_i - площадь шаблона, размещаемого на i-ой верхней накладной части мишени;

при этом S₁=88 мм², 83 мм² или 77 мм² и S₂=12 мм², 58 мм² или 24 мм² рассчитаны с помощью формулы (1) при:

S_общ- суммарной площади поверхностей распыления нижней базовой части и верхних накладных частей мишени в пределах зоны магнетронного распыления, равная в случае настоящих примеров площади кольцевой зоны распыления (S_общ=π⋅(30²+27²)мм²≈537 мм²);

d_i и d₆ - мольная доля компонента, из которого изготовлена, соответственно, i-я и базовая часть мишени, в составе осаждаемого на подложку материала пленки, в частности d₁(SrO)=20 (первый состав), 20 (второй состав) и 18 (третий состав), d₂(Bi₂O₃)=1 (первый состав), 5 (второй состав) и 2 (третий состав) и d_б(GeO₂)=79 (первый состав), 75 (второй состав) и 80 (третий состав);

k_i и k_б - коэффициент распыления компонента, из которого изготовлена, соответственно, i-я и базовая часть мишени, в частности, k₁(SrO)=1.00, k₂(Bi₂O₃)=0.36 и k_б(GeO₂)=0.79 (получены экспериментально с помощью оценки соотношения между плотностью ионного тока - потока бомбардирующих мишень ионов и поверхностной плотностью материала каждого компонента пленки, осаждаемого на подложку, на основе измерения масс осажденных пленок при данной плотности ионного тока);

n - общее количество нижней базовой части и верхних накладных частей мишени, равное количеству компонентов осаждаемого на подложку материала пленки, в частности n=3 (на практике распространенной является величина n, равная 4 или 5 и более в случае необходимости осаждения пленки, имеющей материал с многокомпонентным составом, получаемым при более высоком количестве осаждаемых на подложку компонентов материала пленки;

в результате

после чего указанные шаблоны размещают после подбора их оптимальных расположений на поверхностях распыления верхних накладных частей 2 и 3 (с максимальным покрытием шаблонами 4 и 5 поверхностей распыления, соответственно верхних накладных частей 2 и 3) с их фиксацией с помощью двух боковых упругих отгибов (или клейкой ленты, непоказанной на чертежах) на соответствующих указанных рабочих участках поверхностей распыления верхних накладных частей (см. на фиг. 2 и 3 шаблон 4 с двумя боковыми упругими отгибами 6, фиксируемый с помощью их на верхней накладной части 2), последние затем поочередно перемещают на нижней базовой части мишени 1 в контуре зоны распыления 7, предварительно сформированном (например, путем исходного пробного распыления или прорезания) на указанной нижней части, до совпадения площадок, занимаемых ими в контуре кольцевой зоны распыления 7, с контурами соответствующих шаблонов, которые перед магнетронным распылением удаляют.

В результате распыления указанной составной мишени на магнетронной установке ВУП-4к в режиме высокочастотного магнетронного распыления при трех указанных настройках на подложке получают пленки составов 78,65GeO₂-19,85SrO-1,5Bi2O₃; 74,5GeO₂-19,7SrO-5,8Bi₂O₃ или 79,2GeO₂-17,5SrO-3,3Bi₂O₃, допустимо отклоняющихся от требуемого состава.

Формула (1), использованная в примерах проведения предлагаемой настройки для определения площади шаблонов 4 и 5, представляет собой осуществление расчетной оценки площадей этих шаблонов, соответствующих заданному изменению состава осаждаемого на подложку материала пленки определяемых на основе пропорциональной связи площадей поверхностей распыления верхних накладных частей мишени с мольными соотношениями состава осаждаемого материала пленки с учетом коэффициентов распыления упомянутых компонентов, при условии равенства этих площадей площадям соответствующих рабочих участков поверхностей распыления верхних накладных частей мишени, и выведена для (n-1) шаблонов при общем количестве n нижней базовой и всех верхних накладных частей составной мишени с учетом коэффициентов распыления компонентов, из которых изготовлены указанные части составной мишени, под требуемое мольное их соотношение в составе осаждаемого на подложку материала пленки.

Отправным условием вывода формулы (1) является положение о том, что бомбардирующие частицы (ионы) при распылении магнетронной составной мишени равномерно распределены вдоль поверхности зоны ее распыления.

Поэтому справедливо следующее равенство (2) соотношений между количеством бомбардирующих частиц, приходящихся на поверхность распыления i-той верхней накладной части магнетронной составной мишени, и общим количеством бомбардирующих частиц, приходящихся на всю зону магнетронного распыления, и между площадью рабочего участка (в пределах зоны магнетронного распыления) поверхности распыления i-той верхней накладной части и общей площадью рабочих участков поверхности распыления нижней базовой части и всех верхних накладных частей магнетронной составной мишени:

где i=1,2,…,n - 1 - нумерация верхних накладных частей мишени;

N_i и N_б - количество атомов (молекул), распыленных с рабочего участка (в пределах зоны магнетронного распыления) поверхности распыления i-й и базовой части мишени;

k_i и k_б - коэффициент распыления компонента, из которого изготовлена, соответственно, i-я и базовая часть мишени;

S_i - площадь рабочего участка (в пределах зоны магнетронного распыления) поверхности распыления i-той верхней накладной части, равная площади шаблона, размещаемого на i-ой верхней накладной части мишени;

S_общ - суммарная площадь поверхностей распыления нижней базовой части и верхних накладных частей мишени в пределах зоны магнетронного распыления, которая может иметь кольцевую или иную форму.

С учетом равенства соотношений между количеством атомов (молекул), распыленных с рабочего участка (в пределах зоны магнетронного распыления) поверхности распыления i-й части мишени и количеством атомов (молекул), распыленных с рабочего участка (в пределах зоны магнетронного распыления) поверхности распыления другой любой части мишени и соотношений между мольной долей компонента, из которого изготовлена i-я часть мишени и мольной долей компонента, из которого изготовлена соответствующая другая любая часть мишени, в составе осаждаемого на подложку многокомпонентного материала пленки получаем искомую формулу для определения площади шаблона для i-й верхней накладной части в зависимости от величин коэффициентов распыления компонентов осаждаемого на подложку материала пленки и измененного (настроечного) его состава:

В случае недопустимого расхождения получаемого и заданного составов осаждаемого на подложку материала пленки площади шаблонов S_i, определенные с помощью формулы в п. 1 для каждой верхней накладной части, уточняют экспериментально повторным распылением составной мишени с пробно радиально сдвинутыми относительно кольцевой зоны распыления 7 верхними накладными частями 2 и 3.