Управляемое магнетронное осаждение пленок оксида тантала с

Физика
УДК 621.382.002
А.П. БУРМАКОВ, В.Н. КУЛЕШОВ
УПРАВЛЯЕМОЕ МАГНЕТРОННОЕ ОСАЖДЕНИЕ ПЛЕНОК
ОКСИДА ТАНТАЛА С ЭЛЕКТРЕТНЫМИ СВОЙСТВАМИ
The algorithms of the control of the oxygen flow for the processes of the magnetron deposition of the tantalum oxide films are considered.
The algorithms which use the influence of the oxygen flow on the electrical characteristics of the discharge and on the optical emission of the
discharge plasma are compared. The results of the determination of the optical characteristics and of the elemental composition of the
films are considered. The method of the electret charge forming in the tantalum oxide films directly during the process of its magnetron deposition is suggested. The results of the measurement of the electret potential and of the time of its relaxation are represented.
Тонкие пленки оксида тантала обладают высоким показателем преломления и слабым поглощением в видимом диапазоне, поэтому используются в интерференционных фильтрах как антиотражаю-
45
Вестник БГУ. Сер. 1. 2010. № 1
щее покрытие для солнечных батарей и в оптических волноводах. Кроме того, оксид тантала является
материалом с высокой диэлектрической проницаемостью и хорошими изоляционными свойствами.
Тонкие слои оксида тантала перспективны для применения в качестве диэлектрика в приборах микроэлектроники, а благодаря высокой химической и биоинертности и возможности создания электретного заряда – в медицине. В частности, весьма эффективно использование электретных пленок оксида тантала в составе имплантантов при лечении переломов костей и др. [1]. Известные и хорошо
изученные электреты на основе полимерных материалов не пригодны для этих целей.
Неустойчивость процесса реактивного магнетронного распыления приводит к необходимости
управления в реальном времени расходом кислорода. По этой причине первой решаемой в настоящей
статье задачей является разработка оптимального способа управления, позволяющего достичь высокой воспроизводимости элементного состава пленок. Следует отметить, что в работах, посвященных
магнетронному осаждению оксида тантала [2–8], процесс проводился при фиксированном расходе
кислорода относительно расхода аргона. Причем осаждение проводилось с использованием стабилизированных источников питания разряда при «оксидном» состоянии катода, что позволяло наносить
пленки не любого, а близкого к высшему оксиду состава.
Вторая задача – это поиск возможностей придания пленкам оксида тантала электретного заряда
непосредственно при их осаждении, а не традиционным путем последующей их электризации в коронном разряде на отдельной технологической установке [1]. Такая задача решалась только в [8]. Путем подачи потенциала смещения на подложкодержатель получен отрицательный электретный потенциал 0,6÷1 В, что значительно ниже возможностей коронного разряда.
Управление расходом газов при осаждении оксида тантала
Воспроизводимость химического состава пленок оксидов можно обеспечить путем управления
расходом кислорода и аргона. Практически во всех случаях управление расходом аргона осуществляется с помощью обратной связи между выходным сигналом вакуумметра и сигналом на натекатель
аргона, что позволяет поддерживать в вакуумной камере требуемую величину давления аргонокислородной смеси. Для управления расходом кислорода можно использовать зависимость электрических параметров магнетронного разряда или характеристик спектра оптического излучения разряда
от содержания кислорода в вакуумной камере. Выбор одного из этих способов определяется как требуемой воспроизводимостью, так и характером зависимости параметров и оптического спектра от
содержания кислорода.
Для процессов осаждения оксидов титана, индий-олова, алюминия, меди, хрома и других в видимой области спектров присутствуют спектрально-чистые интенсивные линии этих элементов (например, Ti 499,1 нм, Al 396,1 нм, In 451,1 нм, Cu 521,8 нм, Cr 425,4 нм). Причем при осаждении высших
оксидов их интенсивность значительно превышает шумовой сигнал спектральных датчиков излучения, что позволяет с большой точностью поддерживать состав осаждаемого потока путем управления
расходом кислорода по отношению интенсивности линии кислорода к линии материала катода. Это
дает преимущество оптическому управлению над управлением по электрическим параметрам разряда, используя как одноканальный, так и двухканальный алгоритм оптического управления [9].
В данной работе для осаждения пленок оксида тантала использован планарный магнетрон постоянного тока при мощности разряда 0,2÷0,5 кВт и давлении в вакуумной камере 0,4÷0,5 Па, величина
которого поддерживалась на заданном уровне путем управления расходом аргона по сигналу вакуумметра.
С целью выбора способа управления, позволяющего достичь высокой воспроизводимости состава
пленок, было исследовано влияние относительного содержания кислорода на электрические и оптические характеристики разряда. Исследования проводились с помощью оптической системы [10] на
основе спектрометра S100 с ПЗС-приемником. Система [10] в интервале длин волн 200÷1100 нм позволяла регистрировать относительную интенсивность спектральных линий и молекулярных полос
оптического спектра разряда, а также использовать эти элементы спектра для управления расходом
кислорода при помощи обратной связи между интенсивностью элемента или отношением интенсивностей двух элементов и расходом кислорода.
На рис. 1 представлены результаты исследований, проведенных с использованием указанной системы. Относительное содержание кислорода в вакуумной камере определяется отношением интенсивности наиболее яркой атомной линии кислорода OI 777,3 нм к интенсивности атомной линии аргона ArI 706,7 нм. Выбор данной линии аргона обусловлен максимальной близостью ее интенсив46
Физика
ности к интенсивности линии кислорода для режимов осаждения оксида тантала, состав которого мало
отличается от состава высшего оксида. Кроме этого,
близость длин волн и интенсивностей вносит минимальную ошибку при измерении интенсивностей
этих линий с помощью спектрометра.
Из рис. 1 а видно, что содержание кислорода заметно влияет на ток и напряжение разряда. Наличие
экстремума кривых 1–3 (рис. 1 а) свидетельствует о
переходе поверхности катода из «металлического»
состояния в «оксидное». На это указывает также поведение расхода кислорода (кривая 4): относительно
малое его изменение при IO/IAr>0,3 и IO/IAr<1 согласуется с представлениями о переходных процессах в
системе катод – плазма – подложка [11, 12].
Крутизна кривой 2 при IO/IAr<0,3 и IO/IAr>0,8 позволяет использовать данную зависимость для
управления расходом кислорода на указанных участках с помощью обратной связи между током разряда
и расходом кислорода. Такая связь реализуется с помощью прибора управления [13], токового шунта и
электрически управляемого натекателя. Однако при
применении этого способа в случае IO/IAr>0,8 нами
была обнаружена низкочастотная нестабильность
интенсивности линий кислорода и аргона на уровне
десятков процентов с тенденцией роста IO/IAr в проРис. 1. Зависимости напряжения U (1), тока J (2),
цессе осаждения, что может привести к невоспроизмощности разряда W (3), расхода кислорода (4)
водимости состава осаждаемого оксида.
и аргона (5) – а; интенсивностей I атомной линии
Особенностью оптического спектра магнетроннотантала TaI 468,2 нм (6), кислорода OI 777,3 нм (7),
го разряда с Та-катодом по сравнению с катодами Ti,
аргона ArI 706,7 нм (8) и ArI 419,8 нм (9),
молекулярной полосы O2 559÷561 нм (10) – б
Al, In, Cu, Cr и др. является отсутствие в видимой
от отношения интенсивностей линии кислорода IO
области спектра интенсивных линий тантала. Наибок линии аргона IAr
лее яркие линии расположены в УФ-области, где
чувствительность фотоприемников резко снижается. Поведение интенсивностей основных элементов
оптического спектра разряда с изменением содержания кислорода представлено кривыми 6–10
(рис. 1 б). Линия TaI 468,2 нм является наиболее яркой и чистой в видимой области спектра. Она не
имеет наложения или близкого расположения спектральных элементов аргона и кислорода, что удобно для регистрации интенсивности с помощью спектрометров среднего разрешения и узких интерференционных фильтров.
Для IO/IAr<0,5 наблюдается резкий спад интенсивности линии тантала (в 20 раз), вызванный в основном окислением поверхности катода. Снижение мощности разряда на этом участке IO/IAr составляет 32 % и не может обусловить указанный спад. Интенсивность линий аргона для IO/IAr<0,5 хорошо
коррелирует с величиной мощности разряда. При IO/IAr>0,6 небольшое снижение интенсивности линий аргона определяется суммарным влиянием роста мощности и снижения расхода аргона
(см. рис 1 а, кривые 3 и 5). Интенсивность линии тантала в области IO/IAr>0,8 приближается к уровню
шума, что не позволяет измерять ее с необходимой точностью.
Рост интенсивности линии OI 777,3 нм в области IO/IAr>0,1 и ее величина достаточны для управления расходом кислорода. Наиболее яркая молекулярная полоса O2 559÷561 нм значительно уступает
линии OI 777,3 нм. Таким образом, для всего диапазона IO/IAr>0,1 оптимальным алгоритмом управления расходом кислорода является алгоритм управления по отношению интенсивности линии кислорода OI 777,3 нм к линии аргона ArI 706,7 нм. Для малых величин IO/IAr можно использовать интенсивность линии тантала или отношение IO/ITa, а для IO/IAr>0,1 – линию кислорода. Однако любой
одноканальный алгоритм управления (управляющий сигнал формируется из одного спектрального
элемента) требует стабильности или высокой воспроизводимости мощности разряда и давления в вакуумной камере.
47
Вестник БГУ. Сер. 1. 2010. № 1
Свойства пленок оксида тантала
Пропускание и дисперсия пленок TaOx, осажденных на стеклянные подложки при начальной
комнатной температуре, определялись спектрофотометрическим методом. На рис. 2 представлены
результаты измерения пропускания пленок, время
напыления которых составляло 3 мин. Коэффициент пропускания достигает максимальной величины
при IO/IAr>1. Это может свидетельствовать об осаждении пленок, состав которых близок составу высшего оксида. Диапазон IO/IAr от 1 до 0,2, где наблюдается резкий спад пропускания, соответствует
«переходным» режимам нанесения. Рассчитанный
из спектров отражения показатель преломления при
IO/IAr>1 имел нормальную дисперсию и составил от
Рис. 2. Зависимость коэффициента пропускания T пленок
2,24 до 2,02 для диапазона длин волн λ от 360 до
TaOx для стандартного колориметрического наблюдателя
780 нм. На рис. 3 отражена зависимость показателя
от отношения интенсивностей линии кислорода IO
преломления от длины волны для пленок оксида
к линии аргона IAr
тантала, нанесенных при IO/IAr=1,5 в течение 6 мин.
Значения показателя преломления определены как
среднее по пяти пленкам, разброс не превышал
0,015. Толщина пленок составляла 483÷485 нм и
также находилась из спектров отражения. Полученные результаты определения оптических характеристик пленок TaOx хорошо согласуются с [2–5].
Оже-спектроскопия элементного состава пленок
TaOx, осажденных на кремниевые подложки при
начальной комнатной температуре, показала, что с
ростом IO/IAr от 0,9 до 2 величина х увеличивается
от 1,7 до 2,3. Это указывает на приближение состава пленок к составу высшего оксида с ростом IO/IAr.
Результаты анализа пленок TaOx методом просвеРис. 3. Дисперсия показателя преломления n
чивающей электронной микроскопии выявили их
пленки оксида тантала
аморфность при IO/IAr>1.
Электризация пленок оксида тантала
С целью получения электретного заряда в осаждаемых пленках на подложки подавались возрастающие в процессе осаждения постоянные положительные потенциалы Uсм и чередующиеся положительные и отрицательные импульсы. Для регулировки энергии и плотности потока заряженных частиц перед подложкой помещалась сетка, позволявшая создавать ускоряющую разность потенциалов
для электронов и отрицательных ионов кислорода путем подачи к ней потенциала Uсет. В качестве
подложек использовались кремниевые пластины без и с термическим оксидом, а также стальные пластины.
Максимальный электретный потенциал Uэл, составляющий –(20÷23) В, был получен на подложках
Si+SiO2 при Uсет=10 В. Первые 2 мин осаждения подложка заземлялась (Uсм=0), последующие 5 мин
подавались импульсы смещения, длительность которых 5 мс. Интервал между импульсами 90 мс.
Амплитуда отрицательного импульса 30 В, амплитуда положительного импульса ступенчато возрастала от 30 до 50 В. На Si-подложках максимальный Uэл составлял –(3,5÷4) В при Uсет=5 В и Uсм, плавно возрастающем в интервале 0÷30 В. На стальных подложках был получен электретный потенциал –
(1,2÷3) В при Uсет=5 В и Uсм, плавно возрастающем в интервале 0÷10 В.
Величина электретного потенциала измерялась компенсационным методом вибрирующего зонда.
С течением времени определялась релаксация (уменьшение) величины |Uэл| при нормальных условиях хранения. Минимальная релаксация обнаружена для структур TaOx – SiO2 – Si. Спад |Uэл| составлял около 10 % за 20 сут. Для структур TaOx – Si величина |Uэл| снижалась на 50 % за 8÷10 сут. В
дальнейшем электретный потенциал изменялся слабо. Для TaOx на стальных подложках |Uэл| падал
практически до нуля за несколько суток.
48
Физика
Качество пленок TaOx (с точки зрения пригодности для формирования стабильного электретного
заряда) проверялось путем их электризации в коронном разряде. Установлено, для случаев TaOx – Si
и TaOx – сталь не достигается максимальный |Uэл|, который определяется потенциалом сетки коронного разряда. Внесенный Uэл составлял –35 и –13 В для указанных случаев соответственно при потенциале сетки –100 В.
Показано, что оптическое управление расходом кислорода в процессах магнетронного распыления
позволяет воспроизводимо получать пленки оксида тантала в широком диапазоне их оптических характеристик и состава. Оптимальным алгоритмом оптического управления является алгоритм, использующий отношение интенсивностей спектральных линий кислорода и аргона.
Установлено, что использование устройств подачи электрического потенциала на подложкодержатель и сетку, расположенную перед подложкой, позволяет получать значительный электретный
потенциал в пленках оксида тантала при их осаждении. Для повышения электретного потенциала необходима оптимизация условий осаждения.
1. Способ изготовления имплантанта с электретными свойствами для остеосинтеза: пат. 2146112 РФ,
МПК7 A 61 B 17/56, A 61 L 31/08 / Ласка В.Л. и др.; заявитель Товарищество с ограниченной ответственностью «МиТ»
(Медицина и технология) – № 97117699/14; заявл. 20.10.1997; опубл. 10.03.2000.
2. J a g a d e e s h C h a n d r a S . V . , U t h a n n a S . , M o h a n R a o G . // Applied Surface Science. 2008. Vol. 254. № 7.
P. 1953.
3. R a m a R a o N . , C h a n d r a m a n i R . , M o h a n R a o G . // J. of Materials Science Letters. 1999. Vol. 18.
№ 23. P. 1949.
4. V e n k a t a r a j S . , K i t t u r H . , D r e s e R . , W u t t i g M . // Thin Solid Films. 2006. Vol. 514. № 1-2. P. 1.
5. Б а р ы б и н А . А . , Б ы с т р о в Ю . А . , К о м л е в А . Е . и др. // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32. № 2. С. 61.
6. R i e k k i n e n T . , M o l a r i u s J . // Microelectronic Engineering. 2003. Vol. 70. № 2-4. P. 392.
7. F r a n k e E . , S c h u b e r t M . , T r i m b l e C . L . et al. // Thin Solid Films. 2001. Vol. 388. № 1-2. P. 283.
8. Б ы с т р о в Ю . А . , К о м л е в А . Е . // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Тр.
Междунар. науч.-техн. конф.: в 2 т. Дивноморское, 2004. Ч. 2. С. 193.
9. Б у р м а к о в А . П . , З а й к о в В . А . , Л а б у д а А . А . и др. // Вакуум. техника и технология. 1998. Т. 8. № 1. С. 21.
10. Б у р м а к о в А . П . , К у л е ш о в В . Н . // Журн. прикл. спектроскопии. 2007. Т. 74. № 3. С. 412.
11. Б у р м а к о в А . П . , З а й к о в В . А . , Л а б у д а А . А . , Ч е р н ы й В . Е . // Там же. 1996. Т. 63. № 6. С. 1049.
12. B e r g S . , N y b e r g T . // Thin Solid Films. 2005. Vol. 476. № 2. P. 215.
13. Б у р м а к о в А . П . , К у л е ш о в В . Н . // Электроника инфо. 2006. № 5. С. 59.
Поступила в редакцию 15.09.09.
Александр Пантелеевич Бурмаков – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физической электроники.
Василий Николаевич Кулешов – аспирант кафедры физической электроники. Научный руководитель – А.П. Бурмаков.
49