СПОСОБ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ СОСТАВНОЙ МИШЕНИ Российский патент 2019 года по МПК C23C14/35 C23C14/54 

Изобретение относится к технологии магнетронного распыления и может быть использовано для управления качественным и экономичным осаждением 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.

Известно низкоэффективное (от цикла к циклу) регулирование добавления примеси ниобия в тонкопленочную структуру, формируемую на подложке из монокристаллического кремния и плавленого кварца, при магнетронном распылении из составной мишени титана - ниобия (когда верхние накладные кусочки ниобия размером 2×2 мм и толщиной 1 мм равномерно располагались в зоне распыления (эрозии) нижней базовой титановой части мишени) путем подбора количества кусочков ниобия, необходимого для обеспечения требуемой концентрации титана и ниобия в тонкой пленке без обеспечения заданного изменения состава осаждаемого на подложку материала пленки в направлении формирования пленки (см. автореферат диссертации Лобанова М.В. на соискание ученой степени кандидата химических наук «Структура и свойства тонкопленочного диоксида титана модифицированного ниобием, индием и оловом».

Воронеж, Воронежский государственный университет, 2015, с. 89 на сайте в Интернет:

http://www.science.vsu.ru/dissertations/1395/%D0%94%D0^o/oB8%D1%81%D1%81%D0%B5%D1%80%D1%82%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F %D0%9B%D0%BE%D0%B1%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B2% D0%9C.%D0%92..pdf).

В связи с отсутствием доступных источников информации со сведениями о регулировании в процессе магнетронного распыления составной мишени состава осаждаемого на подложку материала пленки в направлении формирования пленки в настоящем описании выбрана форма раскрытия в формуле изобретения сущности предлагаемого способа магнетронного распыления составной мишени без прототипа.

Технический результат от использования предлагаемого способа - разработка высокотехнологичного режима 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 с возможностью управления указанным изменением состава в направлении формирования пленки в процессе магнетронного распыления в результате одновременного с процессом магнетронного распыления перемещения на плоской нижней базовой части мишени, как минимум, одной верхней накладной части мишени, приводящее при пересечении контура зоны распыления составной мишени за счет геометрической формы этой части к изменению площадки, занимаемой последней в указанном контуре, и, соответственно, к изменению площади ее поверхности распыления, со скоростью указанного перемещения, регулируемой в зависимости от требуемого изменения состава осаждаемого на подложку материала пленки в направлении формирования пленки.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ магнетронного распыления составной мишени с частями, изготовленными из отдельных компонентов осаждаемого на подложку материала пленки, включающий одновременное с процессом магнетронного распыления перемещение на плоской нижней базовой части мишени, как минимум, одной верхней накладной части мишени, приводящее при пересечении контура зоны распыления составной мишени за счет геометрической формы этой части к изменению площадки, занимаемой последней в указанном контуре, и, соответственно, к изменению площади ее поверхности распыления, причем скорость указанного перемещения регулируют в зависимости от требуемого изменения состава осаждаемого на подложку материала пленки в направлении формирования пленки.

В частных случаях одновременно с процессом высокочастотного распыления на магнетронной установке ВУП-4к

верхнюю накладную часть мишени, изготовленную из SrO и имеющую форму круга диаметром 20 мм, вращают на нижней базовой части мишени в плоскости, параллельной поверхности этой части, изготовленной из GeO₂ и имеющей форму круга диаметром 60 мм, с постоянной в течение всего цикла распыления скоростью вращения 0.003 об/мин вокруг вертикальной оси ее вращения, имеющей эксцентриситет относительной центра указанного круга величиной 5 мм и зафиксированной на указанной нижней базовой части между центром составной мишени и кольцевой зоной ее распыления на расстоянии 10 мм от центра указанной зоны, получая при изменении площади распыления верхней накладной части, соответствующей площадке, занимаемой этой частью в контуре зоны распыления составной мишени, от минимальной величины до максимальной, пленку толщиной 1 мкм и с состоящим из двух указанных компонентов составом ее материала с линейным профилем;

верхнюю накладную часть мишени, изготовленную из SrO и имеющую форму круга диаметром 20 мм, вращают на нижней базовой части мишени в плоскости, параллельной поверхности этой части, изготовленной из GeO₂ и имеющей форму круга диаметром 60 мм, с постоянными в течение двух полуциклов распыления скоростью вращения первого полуцикла 0.003 об/мин и скоростью вращения второго полуцикла 0.006 об/мин вокруг вертикальной оси ее вращения, имеющей эксцентриситет относительной центра указанного круга величиной 5 мм и зафиксированной на указанной нижней базовой части между центром составной мишени и кольцевой зоной ее распыления на расстоянии 10 мм от центра указанной зоны, получая при изменении площади распыления верхней накладной части, соответствующей площадке, занимаемой этой частью в контуре зоны распыления составной мишени, от минимальной величины до максимальной, пленку толщиной 1 мкм и с состоящим из двух указанных компонентов составом ее материала с ломаным линейным профилем;

верхнюю накладную часть мишени, изготовленную из SrO и имеющую форму кругового сектора радиусом 10 мм с углом сектора 60°, вращают на нижней базовой части мишени в плоскости, параллельной поверхности этой части, изготовленной из GeO₂ и имеющей форму круга диаметром 60 мм, с линейно изменяющейся в течение цикла распыления скоростью вращения от 0.003 об/мин до 0.006 об/мин вокруг вертикальной оси ее вращения, расположенной у вершины угла указанного сектора и зафиксированной на указанной нижней базовой части между центром составной мишени и кольцевой зоной ее распыления на расстоянии 5 мм от центра указанной зоны, получая при изменении площади распыления верхней накладной части, соответствующей площадке, занимаемой этой частью в контуре зоны распыления составной мишени, от минимальной величины до максимальной, пленку толщиной 1 мкм и с состоящим из двух указанных компонентов составом ее материала с градиентным профилем;

верхнюю накладную часть мишени, изготовленную из SrO и имеющую форму кругового сектора радиусом 10 мм с углом сектора 60°, перемещают на нижней базовой части мишени, изготовленной из GeO₂ и имеющей форму круга диаметром 60 мм, в радиальном направлении относительно кольцевой зоны распыления составной мишени с постоянной в течение всего цикла распыления скоростью перемещения 1 мм/мин, получая пленку толщиной 1 мкм и с состоящим из двух указанных компонентов составом ее материала с линейным профилем.

Для автоматизации предлагаемого способа перемещение, как минимум, одной верхней накладной части мишени в случае осаждения двухкомпонентного материала пленки осуществляют со скоростью, которую регулируют на основе аппаратно-программного обеспечения в соответствии с программным режимом ее поддержания, задаваемым требуемой зависимостью состава материала пленки от текущей толщины пленки при ее формировании.

На фиг. 1 схематически показана составная мишень для осуществления предлагаемого способа магнетронного распыления, с, как минимум, одной верхней накладной частью (в различных положениях), выполненной с возможностью поворота относительно нижней базовой части мишени, обеспечивающего изменение площади ее рассеяния, в виде круга (фиг. 1а), и кругового сектора (фиг. 1б) и возможностью радиального перемещения относительно нижней базовой части мишени, обеспечивающего изменение площади ее рассеяния, в виде кругового сектора (фиг. 1в); на фиг. 2 представлены экспериментальные профили концентрации атомов Sr в материале пленки относительно концентрации атомов Ge, полученные в случаях исполнения составной мишени на фиг. 1.

Составная мишень для осуществления предлагаемого способа магнетронного распыления (см. фиг. 1) представляет собой в примерах 1-4 осуществления предлагаемого способа неподвижную круглую нижнюю базовую часть 1, на которой установлена, как минимум, одна верхняя накладная часть 2 (обозначенная на фиг. 1а-в в представленных вариантах исполнения позициями 2.1 и 2.2) с возможностью поворота в плоскости, параллельной поверхности нижней базовой части 1, с помощью привода, расположенного под катодным узлом магнетрона с кольцевой зоной распыления, вокруг вертикальной оси 3, зафиксированной на нижней базовой части 1 в виде жестко соединенной с верхней накладной частью 2 поворотной оси, пропущенной через отверстие нижней базовой части 1 (см. фиг.1а-в, на которых привод, в качестве которого можно использовать шаговый двигатель Z26544-05-064 в режиме вращения, и исполнение оси 3 не показаны) и возможностью радиального перемещения на поверхности нижней базовой части 1 относительно кольцевой зоны распыления 4 составной мишени с помощью привода, вынесенного за пределы составной мишени в ее плоскости и соединенного с верхней накладной частью 2, вставленной своей нижним удлиненным выступом в прорезь радиальной направляющей нижней базовой части 1 (см. фиг. 1в, на которой привод, в качестве которого можно использовать шаговый двигатель Z26544-05-064 в режиме поступательного движения, и элементы обеспечения радиального перемещения указанной верхней накладной части не показаны).

При этом в четырех примерах осуществления предлагаемого способа нижняя базовая часть 1 изготовлена из GeO₂, а верхняя накладная часть 2 - из SrO и имеете первом и втором примерах форму круга (см. фиг. 1а) и в третьем и четвертом примерах форму кругового сектора (см. фиг. 1б-в), причем в других примерах верхняя накладная часть может быть выполнена в виде в виде полукруга, четверти круга и других удобных для изготовления несимметричных фигур.

Предлагаемый способ магнетронного распыления составной мишени осуществляют следующим образом.

Одновременно с распылением составной мишени на магнетронной установке ВУП-4к в режиме высокочастотного магнетронного распыления на подложку, изготовленную из кремния КЭФ-0,4[100]:

в примере 1 верхнюю накладную часть 2 (обозначенную на фиг. 1а позицией 2.1), имеющую форму круга диаметром 20 мм и толщиной 2 мм, вращают (см. на фиг. 1а положения части 2 - (1), (2) и (3)) на поверхности нижней базовой части 1 диаметром 60 мм и толщиной 3 мм с постоянной в течение всего цикла распыления скоростью вращения 0.003 об/мин вокруг вертикальной оси 3 ее вращения, имеющей эксцентриситет относительной центра указанного круга величиной е=5 мм и зафиксированной на нижней базовой части 1 между центром составной мишени и кольцевой зоной ее распыления 4 на расстоянии L=10 мм от центра указанной зоны, получая (при изменении площади распыления верхней накладной части 2, соответствующей площадке, занимаемой этой частью в контуре зоны распыления составной мишени, от минимальной величины, при которой часть 2, обозначенная как 2.1, в положении (1) не пересекает зону 3 - находится вне ее, до максимальной величины, при которой часть 2, обозначенная как 2.1, пересекает зону 3 с максимальным ее покрытием - часть 2.1 на фиг. 1а в крайнем правом положении (2)) пленку толщиной 1 мкм и с двухкомпонентным составом (GeO₂-SrO) ее материала с линейным профилем (см. кривую А на фиг. 2, представляющую собой профиль концентрации атомов Sr в материале пленки относительно концентрации атомов Ge, измеренный в настоящем примере);

в примере 2 верхнюю накладную часть 2 (обозначенную на фиг.1а позицией 2.1), имеющую форму круга диаметром 20 мм и толщиной 2 мм, вращают на поверхности нижней базовой части 1 диаметром 60 мм и толщиной 3 мм с постоянными в течение двух полуциклов распыления скоростью вращения первого полуцикла 0.003 об/мин и скоростью вращения второго полуцикла 0.006 об/мин вокруг вертикальной оси 3 ее вращения, имеющей эксцентриситет относительной центра указанного круга величиной е=5 мм и зафиксированной на нижней базовой части 1 между центром составной мишени и кольцевой зоной ее распыления 4 на расстоянии L=10 мм от центра указанной зоны, получая (при изменении площади распыления верхней накладной части 2, соответствующей площадке, занимаемой этой частью в контуре зоны распыления составной мишени, от минимальной величины, при которой часть 2, обозначенная как 2.1 в положении (1) не пересекает зону 3 - находится вне ее, до максимальной величины, при которой часть 2, обозначенная как 2.1, пересекает зону 3 с максимальным ее покрытием - часть 2.1 на фиг. 1а в крайнем правом положении (2)) пленку толщиной 1 мкм с двухкомпонентным составом (GeO₂-SrO) ее материала с ломаным (состоящим из двух участков) линейным профилем (см. кривую Б на фиг. 2, представляющую собой профиль концентрации атомов Sr в материале пленки относительно концентрации атомов Ge, измеренный в настоящем примере);

в примере 3 верхнюю накладную часть 2 (обозначенную на фиг. 1б, позицией 2.2), имеющую форму кругового сектора радиусом 10 мм с углом сектора 60° и толщиной 2 мм, вращают на поверхности нижней базовой части 1 диаметром 60 мм и толщиной 3 мм с линейно изменяющейся в течение цикла распыления скоростью вращения от 0.003 об/мин до 0.006 об/мин вокруг вертикальной оси 3 ее вращения, расположенной на расстоянии у вершины угла указанного сектора и зафиксированной на указанной нижней базовой части между центром составной мишени и кольцевой зоной ее распыления 4 на расстоянии L=5 мм от центра указанной зоны, получая (при изменении площади распыления верхней накладной части, соответствующей площадке, занимаемой этой частью в контуре зоны распыления составной мишени, от минимальной величины, при которой часть 2 не пересекает зону 3 - находится вне ее - на фиг. 1б не показано, до максимальной величины, при которой на фиг. 1б часть 2, обозначенная как 2.2, пересекает зону 3 с максимальным ее покрытием) пленку толщиной 1 мкм с двухкомпонентным составом (GeO₂-SrO) ее материала с градиентным профилем (см. кривую В на фиг. 2, представляющую собой профиль концентрации атомов Sr в материале пленки относительно концентрации атомов Ge, измеренный в настоящем примере);

в примере 4 верхнюю накладную часть 2 (обозначенную на фиг. 1в позицией 2.2), имеющую форму кругового сектора радиусом 10 мм с углом сектора 60° и толщиной 2 мм, перемещают на поверхности нижней базовой части 1 диаметром 60 мм и толщиной 3 мм в радиальном направлении относительно кольцевой зоны распыления 4 составной мишени с постоянной в течение всего цикла распыления скоростью перемещения 1 мм/мин, получая (при изменении площади распыления верхней накладной части, соответствующей площадке, занимаемой этой частью в контуре зоны распыления составной мишени, от минимальной величины, при которой часть 2 не пересекает зону 3 - находится вне ее - на фиг. 1 в не показано, до максимальной величины, при которой на фиг. 1в часть 2, обозначенная как 2.1, пересекает зону 3 с максимальным ее покрытием), пленку толщиной 1 мкм с линейным профилем (см. кривую Г на фиг. 2, представляющую собой профиль концентрации атомов Sr в материале пленки относительно концентрации атомов Ge, измеренный в настоящем примере).

Кривые А-Г получены методом РФА на косом шлифе с использованием установки Optim-X.

Очевидно, что количество распыляемых магнетронным методом компонентов, определяемое количеством установленных на поверхности нижней базовой мишени верхних накладных частей составной мишени, одновременно с процессом магнетронного распыления перемещаемых предлагаемым образом, может быть более двух - это может быть 3-4 компонента, а с учетом возможности использования неподвижной вытянутой овальной нижней базовой части составной мишени на магнетронной установке с аналогичной зоной распыления, многокомпонентность материала получаемой пленки может быть еще увеличена в зависимости от размеров подложки.

Изобретение относится к магнетронному распылению составной мишени, выполненной из плоской нижней базовой части и, по меньшей мере, одной верхней накладной части мишени, изготовленных из двух компонентов осаждаемого на подложку материала пленки. Регулируют изменение площади поверхности распыления путем перемещения на плоской нижней базовой части мишени, по меньшей мере, одной верхней накладной части мишени с обеспечением при пересечении контура зоны распыления составной мишени упомянутой верхней накладной частью мишени изменения площадки, занимаемой последней в указанном контуре. Скорость указанного перемещения верхней накладной части мишени регулируют в зависимости от требуемого изменения состава осаждаемого на подложку двухкомпонентного материала пленки в направлении ее формирования. В результате обеспечивается управление качественным и экономичным осаждением на подложку многокомпонентного материала пленки. 5 з.п. ф-лы, 2 ил., 4 пр.

1. Способ магнетронного распыления составной мишени, выполненной из плоской нижней базовой части и, по меньшей мере, одной верхней накладной части мишени, изготовленных из двух компонентов осаждаемого на подложку материала пленки, отличающийся тем, что регулируют изменение площади поверхности распыления путем перемещения на плоской нижней базовой части мишени, по меньшей мере, одной верхней накладной части мишени с обеспечением при пересечении контура зоны распыления составной мишени упомянутой верхней накладной частью мишени изменения площадки, занимаемой последней в указанном контуре, причем скорость указанного перемещения верхней накладной части мишени регулируют в зависимости от требуемого изменения состава осаждаемого на подложку двухкомпонентного материала пленки в направлении ее формирования.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при распылении используют магнетронную установку ВУП-4к, при этом верхнюю накладную часть мишени, изготовленную из SrO и имеющую форму круга диаметром 20 мм, вращают на нижней базовой части мишени в плоскости, параллельной поверхности этой части, изготовленной из GeO₂ и имеющей форму круга диаметром 60 мм, с постоянной в течение всего цикла распыления скоростью вращения 0,003 об./мин вокруг вертикальной оси ее вращения, имеющей эксцентриситет относительно центра указанного круга величиной 5 мм и зафиксированной на указанной нижней базовой части между центром составной мишени и кольцевой зоной ее распыления на расстоянии 10 мм от центра указанной зоны, получая при изменении площади распыления верхней накладной части, соответствующей площадке, занимаемой этой частью в контуре зоны распыления составной мишени, от минимальной величины до максимальной, пленку толщиной 1 мкм и с состоящим из двух указанных компонентов составом ее материала с линейным профилем.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при распылении используют магнетронную установку ВУП-4к, при этом верхнюю накладную часть мишени, изготовленную из SrO и имеющую форму круга диаметром 20 мм, вращают на нижней базовой части мишени в плоскости, параллельной поверхности этой части, изготовленной из GeO₂ и имеющей форму круга диаметром 60 мм, с постоянными в течение двух полуциклов распыления скоростью вращения первого полуцикла 0,003 об./мин и скоростью вращения второго полуцикла 0,006 об./мин вокруг вертикальной оси ее вращения, имеющей эксцентриситет относительно центра указанного круга величиной 5 мм и зафиксированной на указанной нижней базовой части между центром составной мишени и кольцевой зоной ее распыления на расстоянии 10 мм от центра указанной зоны, получая при изменении площади распыления верхней накладной части, соответствующей площадке, занимаемой этой частью в контуре зоны распыления составной мишени, от минимальной величины до максимальной, пленку толщиной 1 мкм и с состоящим из двух указанных компонентов составом ее материала с ломаным линейным профилем.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при распылении используют магнетронную установку ВУП-4к, при этом верхнюю накладную часть мишени, изготовленную из SrO и имеющую форму кругового сектора радиусом 10 мм с углом сектора 60°, вращают на нижней базовой части мишени в плоскости, параллельной поверхности этой части, изготовленной из GeO₂ и имеющей форму круга диаметром 60 мм, с линейно изменяющейся в течение цикла распыления скоростью вращения от 0,003 об./мин до 0,006 об./мин вокруг вертикальной оси ее вращения, расположенной у вершины угла указанного сектора и зафиксированной на указанной нижней базовой части между центром составной мишени и кольцевой зоной ее распыления на расстоянии 5 мм от центра указанной зоны, получая при изменении площади распыления верхней накладной части, соответствующей площадке, занимаемой этой частью в контуре зоны распыления составной мишени, от минимальной величины до максимальной, пленку толщиной 1 мкм и с состоящим из двух указанных компонентов составом ее материала с градиентным профилем.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при распылении используют магнетронную установку ВУП-4к, при этом верхнюю накладную часть мишени, изготовленную из SrO и имеющую форму кругового сектора радиусом 10 мм с углом сектора 60°, перемещают на нижней базовой части мишени, изготовленной из GeO₂ и имеющей форму круга диаметром 60 мм, в радиальном направлении относительно кольцевой зоны распыления составной мишени с постоянной в течение всего цикла распыления скоростью перемещения 1 мм/мин, получая при изменении площади распыления верхней накладной части, соответствующей площадке, занимаемой этой частью в контуре зоны распыления составной мишени, от минимальной величины до максимальной, пленку толщиной 1 мкм и с состоящим из двух указанных компонентов составом ее материала с линейным профилем.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перемещение как минимум одной верхней накладной части мишени в случае осаждения двухкомпонентного материала пленки осуществляют со скоростью, которую регулируют на основе аппаратно-программного обеспечения в соответствии с программным режимом ее поддержания, задаваемым требуемой зависимостью состава материала пленки от текущей толщины пленки при ее формировании.