eng
Выпуск #4/2022
М. Назаренко, К. Моисеев, А. Сигов
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ЖИДКОФАЗНОГО МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ЖИДКОФАЗНОГО МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Просмотры: 1373
DOI: 10.22184/1992-4178.2022.215.4.130.135
Рассмотрены особенности процесса жидкофазного магнетронного распыления (ЖФМР) для различных материалов. Отмечено, что метод ЖФМР благодаря своей универсальности и экологичности обладает большим потенциалом к замещению существующих производственных методов, предназначенных для формирования толстых слоев металлизации различного назначения.
Рассмотрены особенности процесса жидкофазного магнетронного распыления (ЖФМР) для различных материалов. Отмечено, что метод ЖФМР благодаря своей универсальности и экологичности обладает большим потенциалом к замещению существующих производственных методов, предназначенных для формирования толстых слоев металлизации различного назначения.
Теги: classification liquid-phase magnetron sputtering material metallization жидкофазное магнетронное распыление классификация материал металлизация
Особенности процесса жидкофазного магнетронного распыления
для различных материалов
М. Назаренко, К. Моисеев, к. т. н., А. Сигов, д.ф-м.н.
Формирование слоев металлизации является одной из наиболее распространенных и трудоемких операций при производстве изделий микроэлектроники. При этом толщины таких слоев составляют от нескольких десятых до десятков, а то и сотен микрометров. Например, для производства плат для силовых интегральных схем требуются толщины меди от 100 мкм, а для производства элементов Пельтье – не менее 20 мкм [1, 2]. В данной статье рассматривается перспективный метод формирования слоев металлизации различной толщины – жидкофазное магнетронное распыление.
С каждым годом повышаются требования к изделиям и устройствам микроэлектроники, что приводит к ужесточению требований, предъявляемых в том числе к процессам металлизации. Сокращение времени формирования толстых слоев для снижения себестоимости изделия приводит к необходимости повышения производительности, то есть к увеличению скоростей осаждения. Повышение степени миниатюризации изделий требует повышения точности создаваемых микроструктур, например, при создании микросборок, монтаже чипов, элементов оптических схем [3]. Требования к качеству внешнего вида конечного изделия, например, печатных плат на керамическом основании [4], приводят к ужесточению требований к качеству внешнего вида металлизации.
Для ряда современных изделий микро- и наноэлектроники использование гальванических методов получения слоев металлизации недопустимо. Например, при формировании покрытий для миниатюрных термоэлектрических модулей или покрытий на чувствительных к среде элементах, таких как кремниевые детекторы. Это обусловлено агрессивностью среды раствора по отношению к изделиям, а также неравномерностью осаждаемых слоев, которая составляет не менее ±15% [5]. В качестве альтернативы в первую очередь рассматриваются методы физического осаждения из газовой фазы (PVD-методы). Для большинства методов PVD характерны невысокие скорости осаждения покрытий по сравнению с гальваническими. Наиболее производительными среди PVD-методов являются дуговое испарение (ИД) и ионное распыление в магнетронных системах в парах мишени, или иначе – жидкофазное магнетронное распыление (ЖФМР).
Метод ЖФМР заслуживает наибольшего внимания, поскольку объединяет в себе высокие скорости осаждения (до 40 мкм / мин на неподвижную подложку) и равномерность покрытия (не более 5%), соизмеримую с классическим магнетронным распылением (МР) [6, 7]. За счет ионизированной фазы, в отличие от термических методов, пленки обладают высокими показателями адгезии, сравнимыми с результатами классического МР. В методе отсутствует капельная фаза, которая является проблемой дугового осаждения. А структура поверхности обеспечивает хороший внешний вид покрытий.
Однако реализация ЖФМР пока не получила широкого распространения в силу относительной сложности процесса и неполноты необходимых результатов исследований в данном направлении. Следствием этого является отсутствие наработанной базы материалов, режимов их осаждения и свойств полученных покрытий. Так, в литературе, в основном, описано осаждение медных пленок [8, 9], при этом практически не приводятся данные по технологическим режимам и их влиянию на свойства получаемых покрытий. Все это не позволяет технологам делать обоснованный выбор в пользу ЖФМР.
Из немногочисленных работ [10–13] известно, что параметры процесса ЖФМР, а также сам характер его протекания очень сильно зависят от материала мишени. В данной работе предпринята попытка разработки универсальной классификации характера протекания процесса ЖФМР в зависимости от материала мишени. Такая классификация позволит на начальном этапе определять характер протекания процесса и обоснованно назначать диапазоны режимов осаждения при формировании покрытий этим методом.
Особенности физики процесса ЖФМР
Процесс ионного распыления в магнетронных системах в парах мишени является разновидностью классического магнетронного распыления [7], но имеет свои особенности. В классическом МР нагрев мишени под воздействием ионной бомбардировки является негативным явлением и устраняется системой охлаждения магнетронного источника, что в целом делает процесс неэффективным с точки зрения КПД. В методе ЖФМР мишень (материал) помещают в тигель и специально изолируют от катода магнетрона для дополнительного разогрева и перевода в жидкое состояние. После полного расплавления мишени в дополнение к физическому распылению начинается более интенсивный процесс испарения, благодаря чему суммарная скорость образования паровой фазы увеличивается на порядок.
Концентрация частиц мишени над ней становится сопоставимой с концентрацией рабочего газа (аргона) и позволяет обеспечить в области горения разряда необходимое давление для его поддержания, в диапазоне от 10–2 до 10–1 Па. Это дает возможность убрать подачу аргона и продолжать стабильный процесс в собственных парах материала мишени в так называемом режиме самораспыления (рис. 1).
Исходя из описанных выше особенностей процесса можно заключить, что одним из основных факторов, определяющих переход в режим самораспыления, является достижение давления паров мишени в области над магнетроном, достаточного для горения разряда в собственных парах мишени.
Классификация материалов
для процесса ЖФМР
Анализируя физические свойства твердых материалов [14], используемых для получения функциональных слоев, а именно значения температуры плавления, давления насыщенных паров в вакууме при давлении 10–2 Па и температуры его достижения, возможно классифицировать материалы по трем группам.
I группа – материалы, температура плавления которых ниже температуры, при которой достигается давление насыщенных паров при давлении 10–2 Па. Примерами таких материалов являются Sn, Pb, Sb, Bi.
II группа – материалы, температура плавления которых совпадает (или близка ±100 °C) к температуре, при которой достигается давление насыщенных паров при давлении 10–2 Па. Примеры таких материалов – Cu, Ag, Au, Al.
III группа – материалы, температура плавления которых значительно превышает температуру, при которой достигается давление насыщенных паров при давлении 10–2 Па. Примерами таких материалов являются Mo, W, V, Ti, Cr, Ta.
Технологические особенности процесса ЖФМР для разных групп материалов
В зависимости от принадлежности материала к определенной группе технологический процесс (ТП) осаждения имеет свои особенности (табл. 1, 2 и 3).
Характер протекания процесса ЖФМР для материалов всех трех групп носит общий характер (рис. 2), однако для каждой из них имеются свои особенности (табл. 4).
В зоне 1 (от 0 до 2 мин) мишень находится в твердом состоянии, в зоне 2 (от 2 до 3 мин) происходит расширение мишени, увеличение ее толщины из-за нагрева. Ионный ток падает из-за повышения уровня материала над магнетроном при сохранении коэрцитивной силы магнитной системы. В зоне 3 происходит активное испарение мишени (от 3 до 4 мин), что приводит к увеличению ионного тока, но процесс горения разряда пока невозможен без рабочего газа. Зона 4 (от 4 до 14 мин) – разряд может существовать без рабочего газа, стабильный режим самораспыления. Зона 5 (от 14 до 19 мин) – полное испарение материала мишени и самопроизвольное угасание разряда (может отсутствовать для материалов III группы, поскольку мишень может полностью не вырабатываться).
* * *
В заключение можно отметить, что метод жидкофазного магнетронного распыления благодаря своей универсальности и экологичности обладает большим потенциалом к замещению существующих производственных методов, предназначенных для формирования толстых слоев металлизации различного назначения. Основным препятствием для более широкого использования метода является недостаточное количество исследований, позволяющих обоснованно выбирать метод и определять начальные параметры и режимы процесса в зависимости от осаждаемых материалов.
В результате анализа физики процесса жидкофазного магнетронного распыления и свойств осаждаемых материалов удалось классифицировать материалы на три группы по критерию соотношения температуры плавления и температуры достижения давления насыщенных паров, достаточного для поддержания процесса распыления в собственных парах осаждаемого материала в диапазоне от 10–2 до 10–1 Па.
Данная классификация позволила выделить этапы процесса жидкофазного магнетронного распыления и описать особенности протекания процесса на каждом из них. Такое описание является достаточно универсальным и может быть предложено для разработки процессов осаждения методом ЖФМР любого материала, а также для выбора начальных диапазонов режимов и параметров процесса ЖФМР как в лабораторных установках, так и в производственных.
Литература
Медведев А. М. Сборка и монтаж электронных устройств. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2007. 256 с.
Громов Г. Г. Объемные или тонкопленочные термоэлектрические модули // Компоненты и технологии. 2014. № 8. С. 108–113.
Третьяков С. Д. Современные технологии производства радиоэлектронной аппаратуры. Учебное пособие. СПб: Университет ИТМО, 2016. 102 с.
Печатные платы. Справочник: в 2‑х т. / Под ред.
К. Ф. Кумбза. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2011. Т. 1. С. 898–927.
Гамбург Ю. Д. Гальванические покрытия. Справочник по применению. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2006. 216 с.
Блейхер Г.А., Кривобоков В. П., Юрьева А. В.
Магнетронное осаждение покрытий с испарением мишени // Журнал технической физики. 2015. Т. 85. № 12. С. 56–61.
Кузьмичев А. И. Магнетронные распылительные системы. Кн. 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. М.: Аверс, 2008. 244 с.
Moiseev K. M., Nazarenko M. V. Use of magnetron sputtering with liquid target in manufacturing of electronic components for spacecraft // AIP Conference Proceedings 2019, 2171, 170010.
Блейхер Г. А., Кривобоков В. П., Юрьева А. В. Анализ возможностей магнетронных распылительных систем для высокоскоростного осаждения функциональных покрытий // Известия ВУЗов. Физика. 2014. № 57. С. 104–108.
Данилин Б. С., Какурин М. В., Минайчев В. Е.,
Одиноков В. В., Сырчин В. К. Осаждение металлических пленок путем распыления из жидкой фазы //
Микроэлектроника. 1977. С. 84–87.
Сиделёв Д. В. Осаждение покрытий из хрома и никеля с помощью магнетронного диода с «горячей» мишенью: Дисс. на соиск. уч. ст. канд. тех. наук: М., 2018. 138 с.
Kaziev A. V., Tumarkin A. V. et al. Discharge parameters and plasma characterization in a dc magnetron with liquid Cu target // Vacuum. 2018. PP. 48–54.
Тumarkin A., Zibrov M., Khodachenko G., Tumarkina D. High-rate deposition of silicon films in a magnetron discharge with liquid target // Journal of Physics: Conference Series. 2016. V. 768. PP. 1–4.
Бабичев А. П., Бабушкина Н. А., Братковский А. М.
Физические величины. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
для различных материалов
М. Назаренко, К. Моисеев, к. т. н., А. Сигов, д.ф-м.н.
Формирование слоев металлизации является одной из наиболее распространенных и трудоемких операций при производстве изделий микроэлектроники. При этом толщины таких слоев составляют от нескольких десятых до десятков, а то и сотен микрометров. Например, для производства плат для силовых интегральных схем требуются толщины меди от 100 мкм, а для производства элементов Пельтье – не менее 20 мкм [1, 2]. В данной статье рассматривается перспективный метод формирования слоев металлизации различной толщины – жидкофазное магнетронное распыление.
С каждым годом повышаются требования к изделиям и устройствам микроэлектроники, что приводит к ужесточению требований, предъявляемых в том числе к процессам металлизации. Сокращение времени формирования толстых слоев для снижения себестоимости изделия приводит к необходимости повышения производительности, то есть к увеличению скоростей осаждения. Повышение степени миниатюризации изделий требует повышения точности создаваемых микроструктур, например, при создании микросборок, монтаже чипов, элементов оптических схем [3]. Требования к качеству внешнего вида конечного изделия, например, печатных плат на керамическом основании [4], приводят к ужесточению требований к качеству внешнего вида металлизации.
Для ряда современных изделий микро- и наноэлектроники использование гальванических методов получения слоев металлизации недопустимо. Например, при формировании покрытий для миниатюрных термоэлектрических модулей или покрытий на чувствительных к среде элементах, таких как кремниевые детекторы. Это обусловлено агрессивностью среды раствора по отношению к изделиям, а также неравномерностью осаждаемых слоев, которая составляет не менее ±15% [5]. В качестве альтернативы в первую очередь рассматриваются методы физического осаждения из газовой фазы (PVD-методы). Для большинства методов PVD характерны невысокие скорости осаждения покрытий по сравнению с гальваническими. Наиболее производительными среди PVD-методов являются дуговое испарение (ИД) и ионное распыление в магнетронных системах в парах мишени, или иначе – жидкофазное магнетронное распыление (ЖФМР).
Метод ЖФМР заслуживает наибольшего внимания, поскольку объединяет в себе высокие скорости осаждения (до 40 мкм / мин на неподвижную подложку) и равномерность покрытия (не более 5%), соизмеримую с классическим магнетронным распылением (МР) [6, 7]. За счет ионизированной фазы, в отличие от термических методов, пленки обладают высокими показателями адгезии, сравнимыми с результатами классического МР. В методе отсутствует капельная фаза, которая является проблемой дугового осаждения. А структура поверхности обеспечивает хороший внешний вид покрытий.
Однако реализация ЖФМР пока не получила широкого распространения в силу относительной сложности процесса и неполноты необходимых результатов исследований в данном направлении. Следствием этого является отсутствие наработанной базы материалов, режимов их осаждения и свойств полученных покрытий. Так, в литературе, в основном, описано осаждение медных пленок [8, 9], при этом практически не приводятся данные по технологическим режимам и их влиянию на свойства получаемых покрытий. Все это не позволяет технологам делать обоснованный выбор в пользу ЖФМР.
Из немногочисленных работ [10–13] известно, что параметры процесса ЖФМР, а также сам характер его протекания очень сильно зависят от материала мишени. В данной работе предпринята попытка разработки универсальной классификации характера протекания процесса ЖФМР в зависимости от материала мишени. Такая классификация позволит на начальном этапе определять характер протекания процесса и обоснованно назначать диапазоны режимов осаждения при формировании покрытий этим методом.
Особенности физики процесса ЖФМР
Процесс ионного распыления в магнетронных системах в парах мишени является разновидностью классического магнетронного распыления [7], но имеет свои особенности. В классическом МР нагрев мишени под воздействием ионной бомбардировки является негативным явлением и устраняется системой охлаждения магнетронного источника, что в целом делает процесс неэффективным с точки зрения КПД. В методе ЖФМР мишень (материал) помещают в тигель и специально изолируют от катода магнетрона для дополнительного разогрева и перевода в жидкое состояние. После полного расплавления мишени в дополнение к физическому распылению начинается более интенсивный процесс испарения, благодаря чему суммарная скорость образования паровой фазы увеличивается на порядок.
Концентрация частиц мишени над ней становится сопоставимой с концентрацией рабочего газа (аргона) и позволяет обеспечить в области горения разряда необходимое давление для его поддержания, в диапазоне от 10–2 до 10–1 Па. Это дает возможность убрать подачу аргона и продолжать стабильный процесс в собственных парах материала мишени в так называемом режиме самораспыления (рис. 1).
Исходя из описанных выше особенностей процесса можно заключить, что одним из основных факторов, определяющих переход в режим самораспыления, является достижение давления паров мишени в области над магнетроном, достаточного для горения разряда в собственных парах мишени.
Классификация материалов
для процесса ЖФМР
Анализируя физические свойства твердых материалов [14], используемых для получения функциональных слоев, а именно значения температуры плавления, давления насыщенных паров в вакууме при давлении 10–2 Па и температуры его достижения, возможно классифицировать материалы по трем группам.
I группа – материалы, температура плавления которых ниже температуры, при которой достигается давление насыщенных паров при давлении 10–2 Па. Примерами таких материалов являются Sn, Pb, Sb, Bi.
II группа – материалы, температура плавления которых совпадает (или близка ±100 °C) к температуре, при которой достигается давление насыщенных паров при давлении 10–2 Па. Примеры таких материалов – Cu, Ag, Au, Al.
III группа – материалы, температура плавления которых значительно превышает температуру, при которой достигается давление насыщенных паров при давлении 10–2 Па. Примерами таких материалов являются Mo, W, V, Ti, Cr, Ta.
Технологические особенности процесса ЖФМР для разных групп материалов
В зависимости от принадлежности материала к определенной группе технологический процесс (ТП) осаждения имеет свои особенности (табл. 1, 2 и 3).
Характер протекания процесса ЖФМР для материалов всех трех групп носит общий характер (рис. 2), однако для каждой из них имеются свои особенности (табл. 4).
В зоне 1 (от 0 до 2 мин) мишень находится в твердом состоянии, в зоне 2 (от 2 до 3 мин) происходит расширение мишени, увеличение ее толщины из-за нагрева. Ионный ток падает из-за повышения уровня материала над магнетроном при сохранении коэрцитивной силы магнитной системы. В зоне 3 происходит активное испарение мишени (от 3 до 4 мин), что приводит к увеличению ионного тока, но процесс горения разряда пока невозможен без рабочего газа. Зона 4 (от 4 до 14 мин) – разряд может существовать без рабочего газа, стабильный режим самораспыления. Зона 5 (от 14 до 19 мин) – полное испарение материала мишени и самопроизвольное угасание разряда (может отсутствовать для материалов III группы, поскольку мишень может полностью не вырабатываться).
* * *
В заключение можно отметить, что метод жидкофазного магнетронного распыления благодаря своей универсальности и экологичности обладает большим потенциалом к замещению существующих производственных методов, предназначенных для формирования толстых слоев металлизации различного назначения. Основным препятствием для более широкого использования метода является недостаточное количество исследований, позволяющих обоснованно выбирать метод и определять начальные параметры и режимы процесса в зависимости от осаждаемых материалов.
В результате анализа физики процесса жидкофазного магнетронного распыления и свойств осаждаемых материалов удалось классифицировать материалы на три группы по критерию соотношения температуры плавления и температуры достижения давления насыщенных паров, достаточного для поддержания процесса распыления в собственных парах осаждаемого материала в диапазоне от 10–2 до 10–1 Па.
Данная классификация позволила выделить этапы процесса жидкофазного магнетронного распыления и описать особенности протекания процесса на каждом из них. Такое описание является достаточно универсальным и может быть предложено для разработки процессов осаждения методом ЖФМР любого материала, а также для выбора начальных диапазонов режимов и параметров процесса ЖФМР как в лабораторных установках, так и в производственных.
Литература
Медведев А. М. Сборка и монтаж электронных устройств. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2007. 256 с.
Громов Г. Г. Объемные или тонкопленочные термоэлектрические модули // Компоненты и технологии. 2014. № 8. С. 108–113.
Третьяков С. Д. Современные технологии производства радиоэлектронной аппаратуры. Учебное пособие. СПб: Университет ИТМО, 2016. 102 с.
Печатные платы. Справочник: в 2‑х т. / Под ред.
К. Ф. Кумбза. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2011. Т. 1. С. 898–927.
Гамбург Ю. Д. Гальванические покрытия. Справочник по применению. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2006. 216 с.
Блейхер Г.А., Кривобоков В. П., Юрьева А. В.
Магнетронное осаждение покрытий с испарением мишени // Журнал технической физики. 2015. Т. 85. № 12. С. 56–61.
Кузьмичев А. И. Магнетронные распылительные системы. Кн. 1. Введение в физику и технику магнетронного распыления. М.: Аверс, 2008. 244 с.
Moiseev K. M., Nazarenko M. V. Use of magnetron sputtering with liquid target in manufacturing of electronic components for spacecraft // AIP Conference Proceedings 2019, 2171, 170010.
Блейхер Г. А., Кривобоков В. П., Юрьева А. В. Анализ возможностей магнетронных распылительных систем для высокоскоростного осаждения функциональных покрытий // Известия ВУЗов. Физика. 2014. № 57. С. 104–108.
Данилин Б. С., Какурин М. В., Минайчев В. Е.,
Одиноков В. В., Сырчин В. К. Осаждение металлических пленок путем распыления из жидкой фазы //
Микроэлектроника. 1977. С. 84–87.
Сиделёв Д. В. Осаждение покрытий из хрома и никеля с помощью магнетронного диода с «горячей» мишенью: Дисс. на соиск. уч. ст. канд. тех. наук: М., 2018. 138 с.
Kaziev A. V., Tumarkin A. V. et al. Discharge parameters and plasma characterization in a dc magnetron with liquid Cu target // Vacuum. 2018. PP. 48–54.
Тumarkin A., Zibrov M., Khodachenko G., Tumarkina D. High-rate deposition of silicon films in a magnetron discharge with liquid target // Journal of Physics: Conference Series. 2016. V. 768. PP. 1–4.
Бабичев А. П., Бабушкина Н. А., Братковский А. М.
Физические величины. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
Отзывы читателей
