МИШЕНИ ДЛЯ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ: УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ РАСПЫЛЕНИЯ НАЧИНАЕТСЯ С МИШЕНИ
Мишени для магнетронного распыления – это не тот продукт, который стоит миллионы долларов, но технологический процесс распыления без них невозможен. Никто не сможет отрицать технического прогресса, произошедшего в области тонкопленочных покрытий за последние 50 лет. В сущности, бесчисленное множество товаров делается при помощи технологии напыления тонких пленок. Мишени и способы их производства идут в ногу с техническим прогрессом. Ниже будут приведены несколько основных правил, которыми нужно руководствоваться при выборе мишени вне зависимости от процесса, для которого она предназначается.
ПРАВИЛЬНЫЙ ВЫБОР МИШЕНИ
Должным образом выбранная и изготовленная мишень никогда не вызовет никаких отклонений в процессе напыления тонкопленочных покрытий. Поэтому, для начала, специалист должен точно определить желаемые свойства и качества требуемой мишени. Вот четыре основных правила, которых нужно придерживаться при выборе мишени. Начнем с основного: какой материал Вы ищете? И хотя звучит все очень просто, на деле все не так. Без использования формул, полных названий, а также четкого обозначения всевозможных сплавов, компаундных соединений, металлокерамики, цветных металлов обязательно будут ошибки. Например, Вы заказываете олово (Tin), надеясь получить элемент Sn, а в итоге получаете нитрид титана (TiN). Помимо этого, заказывая сплавы, композиты или металлокерамику, например Cr/SiO2 25%, необходимо указать в спецификации атомный или весовой процент. Атомный процент определяет процентное содержание числа атомов каждого элемента или компаунда в материале. Весовой процент показывает содержание по весу каждого элемента или компаунда в материале. Эти процентные соотношения меняются в зависимости от концентрации каждого элемента. У каждого производителя мишеней свои различные правила для определения структуры. Поэтому, если Вы точно не установите атомный или весовой процент, в итоге, скорее всего, Вы получите совершенно не то, что ожидали. Второе. Важной частью успешного процесса производства тонких пленок является соответствующая чистота мишени. Чистота определяется как процентное отношение веса мишени, изготовленной из желаемого элемента ( -ов) или компаунда ( -ов). Чистота обычно указывается числом девяток, например 99.999% (пять девяток, сокращенно 5N) или 99.95% (3N5). Если Вам нужна мишень чистотой 99.95%, тогда в ней должно содержаться не больше, чем 500 долей (ppm) металлических включений на миллион по весу. Покупателю следует требовать от поставщика детального анализа материала мишени. Обычно, чем выше требуемая чистота, тем выше цена мишени. Третий пункт при покупке мишени – содержание абсорбированных газов в мишени. Обычно при вычислении чистоты производители мишеней принимают во внимание только металлические включения и не учитывают содержание абсорбированного газа. В зависимости от нужного Вам материала, мишень с чистотой 99.95% может содержать до 500 ppm примесей плюс тысячи долей кислорода, азота и углерода на миллион. Содержание газов в мишени напрямую связано с используемым процессом изготовления мишени, о котором мы поговорим ниже. Четвертый, и часто остающийся без внимания, пункт – допуски на размер мишени. Вне зависимости от того, какую установку Вы используете: современную кластерную систему, магнетронные катоды планарного типа или небольшие пушки для ионного напыления, у всех этих систем свои собственные допуски. Типичная мишень имеет следующие допуски на размер: 8.000” диаметр (+/- 0.005”) х 0.250” толщина (+/- 0.010”). Правильно выбранные допуски существенно понижают риск растрескивания мишени, образования дуги, а также преждевременной распайки мишени и подложки. Помня эти четыре правила, Вы избежите многих ошибок и, в конечном итоге, улучшите результат технологического процесса.
ПРОИЗВОДСТВО МИШЕНИ
Теперь рассмотрим некоторые производственные параметры, которые контролируются производителем и которые Вы могли упустить из внимания. Эти характеристики имеют такое же большое влияние на будущее производство тонких пленок, как и перечисленные выше четыре пункта. Но самым важным негласным элементом является слаженность, последовательность всех производственных этапов. Производители достигают такой согласованности, контролируя следующие показатели: плотность, размер зерна, однородность, а также крепление мишени к подложке и сам процесс производства. Раз затронут вопрос методов производства мишеней для магнетронного распыления, нужно сказать о двух самых распространенных технологиях, применяемых в промышленности: изготовление мишени из порошка и второй – плавление с последующей отливкой в формы. Конечно, существует множество разновидностей этих двух процессов. Мишени с литой структурой могут быть получены в индукционной, электронно-лучевой или вакуумно-дуговой печи. Некоторые материалы, в зависимости от точки плавления и окислительных свойств, плавят на горячей плите при обычных условиях. Мишени из порошка получают горячим прессованием в инертном газе или вакууме, горячим изостатическим прессованием или спеканием. На практике Вы можете выбрать все, что угодно: как мишени из металлов и сплавов, изготовленные с помощью плавления, так и мишени, составленные из оксидов, нитридов, карбидов, силицидов, теллуридов и сульфидов, полученные спеканием или горячим прессованием. Помните, что в мишенях с литой структурой, содержание посторонних включений (кислород, азот), как правило, понижено. В то же время порошковые материалы в большей степени абсорбируют газы вследствие сильно развитой поверхности, взаимодействующей с частицами порошка. Что касается плотности, здесь правило следующее: чем выше плотность, тем лучше. От плотности зависит, насколько эффективна будет мишень в процессе распыления. Если мишень изготовлена с большими отклонениями от теоретической плотности, то, скорее всего, процесс распыления вызовет генерирование посторонних частиц. И, как следствие этого, – сокращение срока службы мишени, повышение риска образования дуги и загрязнения, а также недостаточная теплопередача к слою сцепления. Но рассмотренные в предыдущем параграфе вопросы плотности обычно касаются только порошковых мишеней. Естественно допустить, что, если у Вас мишень с литой структурой, то плотность будет > 99% от теоретической. Теоретическая плотность элемента показана в периодической таблице, теоретическую плотность керамики и сплавов можно найти в справочниках. Для подсчета процента теоретической плотности в Вашей мишени можно использовать следующую формулу: Измеренная плотность = Масса/Объем Х 100 Теоретическая плотность
Другие два параметра мишени – размер зерна и однородность. Неправильный выбор этих параметров сказывается впоследствии на однородности напыленных пленок. Знаете ли Вы размер зерна мишени, которую Вы распыляете? Или однородность мишени, если это сплав или композиционный материал? Обратите внимание на эти вопросы, если после установки новой мишени Вы видите какие-либо отклонения в технологическом процессе. Как правило, чем меньше зерно мишени, тем однороднее будет напыление. Малая зернистость обеспечивает больший процент осажденных на подложку атомов. Что касается однородности, то здесь нужно помнить следующий факт: изготавливаемый сплав никогда в точности не будет таким, как предусматривалось. Заказывая, например, сплав Cu/Ni 40% (весовой процент), в действительности вы можете получить соединение Cu/Ni 39.7% или Cu/Ni 40.1%. Обычно процентное содержание главного элемента не указывается, поскольку в целом должно получаться 100%. Ключом к успеху здесь является понимание, какие изменения в составе может выдержать процесс. Верный способ назначить композиционный допуск в сплаве таков: Cu/Ni 40% (+/-0.5%). Помните, что допуски на состав полностью зависят от Вас. Однако, не стоит делать слишком жесткую, ограничивающую спецификацию на состав – производитель будет не в состоянии добиться такого. И последнее. Подавляющее большинство систем распыления требуют присоединения мишени к водоохлаждаемому основанию: медной или из нержавеющей стали. Процесс присоединения производится склеиванием, пайкой или сваркой. Существует несколько видов горячих битумных мастик или материалов для присоединения мишеней. Наиболее распространенные – металлические компаундные соединения для паяных прикреплений или эпоксидная битумная мастика (наносимая в горячем состоянии). Помимо простого присоединения исходного материала к системе, связь должна обеспечивать хорошую тепло- и электропроводность катода во время процесса распыления. Некачественное соединение вызывает растрескивание или прогибание мишени, образование дуги, а также может быть источником утечек в вакуумной системе. В процессе производства тонких пленок соединение различных материалов – это и наука, и искусство. Опытный производитель, знающий коэффициент теплового расширения и другие свойства Вашей мишени, определит, как эти качества скажутся на подложке и, в связи с этим, какой способ присоединения лучше использовать.