МАГНЕТРОННОЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫМ ИОНИЗАТОРОМ Советский патент 1995 года по МПК C23C14/35 

Изобретение относится к пленочной микроэлектронике и предназначено для вакуумно-плазменного нанесения пленок материалов в производстве тонкопленочных элементов интегральных схем.

Цель изобретения - повышение эффективности и стабильности работы магнетронного распылительного устройства (МРУ) при снижении рабочего давления.

На фиг.1 и 2 показано предлагаемое устройство, общий вид.

Устройство состоит из водоохлаждаемого катода 1 с закрепленной на нем мишенью 2 и анода 3. В катодный блок встроена магнитная система 4. В его объеме выполнена полость 5, открытая в сторону распыляемой поверхности мишени, в которой размещается термокатод 6. Над полостью установлен экран-отражатель 7. Работа устройства обеспечивается двумя блоками питания 8 и 9 (для накала термокатода и для создания магнетронного разряда соответственно). Напротив МРУ располагается подложка 10, на которую наносится пленка.

Устройство работает следующим образом.

При включении блока питания 8 происходит разогрев термокатода 6 и в полости 5 катода 1 формируется электронное облако. Поскольку один конец термокатода соединен с катодом 1, а другой подключен к положительному полюсу источника питания, то катод 1 имеет некоторый отрицательный потенциал относительно термокатода 6 и выполняет роль отражательного электрода для электронов. Дополнительный экран - отражатель 7 способствует формированию радиального пучка термоэлектронов и предотвращает формирование электронного пучка по оси системы, который может фокусироваться рассеянным магнитным полем и бомбардировать центральную часть подложки 10. При включении блока питания 9 между катодом 1 и анодом 3 создается разность потенциалов. При достижении напряжения пробоя газового промежутка возбуждается магнетронный разряд. Его возбуждению способствует электронный поток, формируемый между термокатодом 6 и анодом 3. Этот поток является симметрично радиальным, что обеспечивает равномерную эмиссию электронов в магнитную ловушку и исключение тем самым возникновения неоднородностей в плазме и нестабильностей магнетронного разряда. При этом не требуются большие токи термоэмиссии и исключается возбуждение дуги. Конструктивно термокатод 6 и отражатель 7 могут быть выполнены изолированными от катода 1. На них могут от дополнительного источника питания подаваться потенциалы смещения, способствующие более эффективной инжекции электронов из полости катода 1 в магнитную ловушку. Однако это несколько усложняет конструкцию МРУ, в частности для работы будут необходимы три блока питания. При предложенном размещении электродов МРУ отрицательный потенциал катода-мишени будет способствовать отталкиванию электронного пучка при устремлении его к аноду МРУ. При возбуждении плазмы, которая имеет некоторый положительный потенциал, влияние катода ослабнет, а возникшая разность потенциалов между термокатодом и плазмой будет способствовать эффективному введению в плазму электронного пучка. При размещении термокатода и анода устройства возможны два варианта: термокатод в центре, а кольцеобразный анод на периферии или анод в центре, а кольцеобразный термокатод на периферии. Роль полости катода заключается в формировании электронного облака и выполнении дополнительной роли отражательного электрода для электронов, поскольку при питании термокатода катод мишени имеет несколько более отрицательный потенциал. Анод МРУ выполняет дополнительную функцию ускоряющего электрода для термоэлектронов и обеспечивает формирование радиально расходящегося (при центральном положении термокатода) или сходящегося (при периферийном) электронного пучка, который вводится равномерно в область плазмы. Следует также отметить, что работоспособность предложенной конструкции будет обеспечиваться и при использовании источника переменного тока для питания термокатода. В этом случае может наблюдаться частичная модуляция термоэлектронов в полости 5 катода 1 с частотой питающего напряжения.

П р и м е р 1. На фиг.1 представлена конструкция МРУ с термоэлектронным ионизатором ТЭИ, реализованная практически. Эта конструкция представляет катодный узел для распыления кольцеобразной мишени с наружным диаметром 100 мм и внутренним диаметром 30 мм, на периферии которого в канале диаметром 120 мм и шириной 6 мм размещается кольцеобразный термокатод из торированной вольфрамовой проволоки диаметром 0,4 мм. Магнитная система на основе постоянных магнитов из КС-32 обеспечивает индукцию магнитного поля у поверхности мишени 650 Гс. При токе накала термокатода 9 А и обеспечиваемом при этом токе термоэлектронов 1 А стабильный магнетронный разряд без возникновения неоднородностей зажигается до давления 0,05 Па при напряжениях до 700 В. Наибольшая эффективность процесса распыления наблюдается при давлении 0,08 Па.

П р и м е р 2. На фиг.2 представлена конструкция МРУ с ТЭИ, реализованная практически. Эта конструкция представляет катодный узел для распыления мишени размером 125 мм, в центре которого в полости диаметром 20х15 размещается термокатод из торированной вольфрамовой проволоки диаметром 0,4х60 мм. Магнитная система на основе постоянных магнитов из КС-32 обеспечивает индукцию магнитного поля у поверхности мишени 0,06 Тл. При токе накала термокатода 18 А и обеспечиваемом при этом токе термоэлектронов 1 А стабильный магнетронный разряд без возникновения неоднородностей зажигает до давления 0,05 Па при напряжениях до 700 В. Наибольшая эффективность процесса распыления наблюдается при давлении 0,08 Па.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования разработанного МРУ показывают, что предложенная конструкция ТЭИ обеспечивает стабильную работу МРУ без возникновения неоднородностей в плазме при равномерном распылении мишени вдоль плазменной ловушки до давлений 0,05 Па, в то время как известные конструкции обеспечивают работоспособность до 0,09 Па. При этом в них возникают неоднородности и развиваются нестабильности в плазме разряда, в связи с чем оптимальное рабочее давление близко к значениям, характерным для обычных МРУ, не использующих ТЭИ.

Изобретение относится к пленочной микроэлектронике, в частности к магнетронным устройствам ионно-плазменного нанесения пленок материалов в производстве тонкопленочных элементов интегральных микросхем. Устройство позволяет повысить эффективность и стабильность работы в процессе нанесения пленки при рабочем давлении 0,05-Па. С этой целью в катоде выполняют полость, в которой устанавливают термокатод. Над полостью установлен экран-отражатель. Термоэлектронный эмиттер обеспечивает эмиссию электронов в область магнитной ловушки, что позволяет обеспечить эффективную ионизацию рабочего газа. При этом необходим равномерный ввод электронов в зону ионизации, что достигается симметричным размещением термокатода и анода относительно кольцеобразной зоны плазмы. Анод, магнитная система, полость и экран в устройстве осесимметричны, а магнитная система всегда расположена между анодом и полостью. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. МАГНЕТРОННОЕ РАСПЫЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО С ТЕРМОЭЛЕКТРОННЫМ ИОНИЗАТОРОМ, содержащее катод с мишенью, анод, термокатод, установленный в полости одного из электродов, и замкнутую симметричную магнитную систему, расположенную в объеме катода, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности и стабильности работы при снижении рабочего давления, полость, открытая в сторону распыляемой поверхности мишени, выполнена в катоде, над полостью установлен экран, перекрывающий полость и закрепленный на катоде, причем анод, магнитная система, полость и экран осесимметричны, а магнитная система расположена между анодом и полостью. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что анод установлен по оси симметрии магнитной системы. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полость катода выполнена по оси симметрии магнитной системы. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что экран электрически изолирован от катода.