способ получения пленок в плазме

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛЕНОК В ПЛАЗМЕ, включающий катодное распыление металлической мишени при температуре, соответствующей ее максимальному распылению в кислородной среде и в скрещенных постоянном магнитном и постоянном электрическом полях с электрическим напряжением U_п и магнитной индукцией B, отличающийся тем, что постоянное напряжение U_п в цепи анод катод модулируют переменным напряжением с амплитудой 0,15 0,25 U_п.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величина магнитной индукции B равна 0,05 0,07 Тл.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что напуск кислорода на мишень ведут до получения давления 5 10^-2 10^-1 Па.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что напуск кислорода на мишень ведут равномерно несколькими струями в направлении, перпендикулярном направлению потока распыляемых частиц материала мишени.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к акустике и акустоэлектронике, в частности к нанесению диэлектрических и пьезоэлектрических пленок на поверхность подложки методом плазменно-реактивного распыления металлической мишени в вакууме. Пленки могут быть использованы в акустических резонаторах, в качестве источников и приемников акустических колебаний, применяемых в медицинской диагностике, акустическом зондировании земной атмосферы, акселерометрах давления и т.д.

Известен способ получения монокристаллической пьезоэлектрической пленки окиси цинка (см. Технология тонких пленок. Под. ред. Майссела Л. Глэнга Р. М. Советское радио, 1977, с. 436), включающий ионно-плазменное распыление цинковой мишени в окислительной атмосфере и осаждение распыляемого вещества на нагретую подложку. Для расширения технологических возможностей и повышения производительности в качестве цинковой мишени используют монокристаллическую или текстурированную заготовку с ориентацией (1011).

Недостатком данного способа является малая скорость напыления пленок порядка 0,5-1 мкм/ч и напряжения, возникающие в пленках вследствие внедрения в них атомов аргона, в атмосфере которого происходит напыление.

Известен также способ получения сегнетоэлектрических пленок (см. патент США N 3838031, кл. С 23 С 15/00, 1968) высокочастотным распылением мишени из сегнетоэлектрика в атмосфере кислорода или его смеси с инертным газом. Для обеспечения требуемой стехиометрии необходимо присутствие достаточного количества кислорода. Наилучшие результаты достигаются при отношении Ar:O₂ 3: 1.

К недостаткам данного способа относится использование оксидной мишени, что затрудняет отвод тепла и, как следствие, получение высокой скорости роста пленки, оптимальная величина которой примерно 2 мкм/ч. Использование аргона является причиной загрязнения пленок и, как следствие, ухудшения их качества.

Известен также способ ионного распыления материалов в вакууме (см. патент США N 3956093, кл. 204-192, 1978) путем возбуждения ВЧ-разряда в арочном магнитном поле над поверхностью мишени. Чтобы увеличить зону распыления поверхности мишени, на постоянное магнитное поле накладывается дополнительное, переменное по величине и направлению магнитное поле.

Однако устройства, реализованные по данному способу, сложны конструктивно и малоэффективны.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения пьезоэлектрических пленок на основе окиси цинка (см. а.с.СССР N 1049573, кл. С 23 С 15/00, 1983), включающий катодное распыление цинковой мишени в кислородсодержащей газовой смеси в постоянном электрическом поле в межэлектродном пространстве. Высокая скорость роста пленок достигается тем, что распыление мишени проводят при температуре последней в интервале от 200^оС до температуры плавления, при этом на мишень воздействуют постоянным магнитным полем, вектор напряженности которого ортогонален вектору электрического поля. В указанных распылениях становится возможным установление режима, когда скорость образования оксидного слоя на распыливаемой поверхности больше или равна скорости удаления (распыления) этого слоя. В этом случае удается осуществить распыление не цинка, а его окиси, т.е. создать условия роста на подложке, аналогичные при катодном высокочастотном распылении мишени из окиси цинка. Распыление окиси цинка предпочтительнее, чем распыление цинка, так как позволяет получить пленки окиси цинка с большим коэффициентом электромеханической связи (К 0,8-1%), близким по значению для монокристаллов окиси цинка, за счет упрощения поддержания условий получения стехиометрических по составу пленок. Напыление производится в смеси аргона (70% ) и кислорода (30%). Способ обеспечивает высокую скорость роста пленок (2-6 мкм/ч), малый угол разориентации оси текстуры, на монокристаллических полированных поверхностях эта величина равнялась 2-3^о.

Однако наличие аргона в составе газовой смеси ведет к загрязнению пьезоэлектрической пленки, что является причиной напряжений в пленке. При толщинах менее 20 мкм этими напряжениями можно пренебречь. Но при увеличении толщины величина напряжения становится настолько большой, что является причиной отрыва пленки от поверхности монокристалла или деформации металлической подложки, на которой выращена пленка. Поэтому данный способ неприемлем для нанесения пленок окиси цинка толщиной более 10 мкм на металлическую фольгу толщиной 50-100 мкм.

Целью изобретения является улучшение качества пленок.

Цель достигается тем, что способ получения пленок в плазме включает катодное распыление в кислородной среде в постоянном электрическом поле в межэлектродном пространстве, при температуре максимального распыления металлической мишени, при котором на нее воздействуют постоянным магнитным полем, вектор напряженности которого ортогонален вектору электрического поля, модулируют постоянное электрическое поле изменением напряжения, приложенного к электродам, на 15-25%

Кроме того, магнитное поле устанавливают равным 0,05-0,07 Тл.

Кроме того, давление кислорода подают величиной 510^-2-10^-1 Па. Кроме того, подача кислорода осуществляется перпендикулярно направлению потока распыляемых частиц равномерно с нескольких направлений.

Признаки, сходные с заявляемыми в известной авторам научно-технической и патентной литературе, не обнаружены. Не известно улучшение качества напыляемых пленок модулированием электрического поля изменением напряжения, приложенного к электродам, на 15-25% Это позволяет считать заявляемую совокупность признаков новой, имеющей изобретательский уровень и промышленно применимой.

На чертеже дано схематическое изображение устройства для реактивного магнетронного напыления покрытий в вакууме, в котором реализуется этот способ.

Устройство состоит из вакуумной камеры 1 с отверстиями 2 для подачи газа, катодного узла с катодом-мишенью 3, магнитной системой 4, анода 5, подложкодержателя с подложками 6, двух последовательно включенных источников 7 и 8 напряжения, заслонки подложки, первый источник напряжения является источником постоянного регулируемого напряжения, а второй пилообразного напряжения регулируемой амплитуды и частотой 100 Гц.

Способ осуществляется следующим образом. Вакуумную камеру 1 откачивают до давления 10^-3-10^-4 Па, в процессе откачивания подложкодержатель и подложка 6 прогреваются до температуры 200-350^оС. Затем в камеру через отверстия 2 подают активный газ до давления более 510^-1 Па. Заслонкой закрывают поверхность кристалла для предотвращения осаждения на последней продуктов реакции. На промежуток анод-катод подают постоянное напряжение от источника 7, и в вакуумной камере загорается газовый разряд магнетронного типа. Подбором постоянного напряжения и регулировкой скорости подачи активного газа устанавливают ток и напряжение газового разряда и давление газа.

Это значения выбирают из следующих условий. Ток должен быть не более допустимого, в противном случае мишень расплавится, однако заниженный ток ведет к уменьшению скорости роста пленки. Напряжение и давление должны быть такими, чтобы рабочая точка находилась на переломной точке вольт-амперной характеристики газового разряда, который для газового разряда подобного типа при давлении газа примерно 10^-1 Па содержит два участка: с положительным наклоном вольт-амперной характеристики и отрицательным, причем на отрицательном участке вольт-амперной характеристики скорость травления растет с ростом напряжения очень быстро и быстро подает давление кислорода, расход которого сильно возрастает. После выбора рабочей точки включают источник 8 пилообразного напряжения, соединенный последовательно с источником постоянного напряжения в цепи анод-катод. Величина амплитуды напряжения выбирается в пределах 15-25% от величины постоянного и зависит от тока разряда плазмы и требуемого давления. Затем величину постоянного напряжения уменьшают примерно на половину величины амплитуды пилы. В установленном таким образом режиме производится тренировка мишени в течение 0,5-1 ч, в процессе которой с ее поверхности стравливают загрязняющие ее соединения, являющиеся продуктом пребывания мишени в атмосфере воздуха. По истечении этого срока заслонка открывается и на поверхность подложки напыляется пленка.

При интенсивном распылении мишени возрастает поток частиц, направленный от ее поверхности. Этот поток понижает давление газа над поверхностью мишени. При использовании смеси аргон-кислород подбором соотношения парциальных давлений газов удавалось подобрать такой режим оптимального роста пленки, когда количество аргона определяло скорость травления мишени, а кислород определял степень окисления продуктов травления. В отсутствие аргона для окисления остается возможность при неизменном токе разряда плазмы изменения подачи кислорода. Наличие на поверхности мишени оксида металла будет определять требуемый потенциал мишени, зависящий от материала, при котором травление мишени оптимально. Как было указано выше, поток частиц будет уменьшать количество газа в области над поверхностью катода-мишени. Процесс скорости окисления мишени начнет уменьшаться, появятся атомы и ионы материала мишени, которые начнут выполнять функцию газа при травлении мишени. Окисление этих частиц возможно в промежутке мишень-подложка или на подложке. Уменьшение или отсутствие оксидной пленки на поверхности мишени ведет к падению тока разряда плазмы, так как травление металлической мишени требует большего напряжения источника питания. Уменьшение тока разряда уменьшает потребление кислорода, его количество над мишенью возрастает, и все начинается сначала. Таким образом имеет место нестабильность процесса горения плазмы, в результате которого вырастить пленку требуемой стехиометрии не удается.

Если использоваться модуляцию электрического поля изменением напряжения на 50-150 В и частотой 50-100 Гц, то в моменты времени уменьшения напряжения от постоянного уровня ток разряда уменьшается, уменьшается поток частиц от мишени, область над мишенью заполняется кислородом, который подается в камеру с нескольких направлений, и происходит окисление мишени. В моменты времени, когда напряжение выше опорного, происходит интенсивное травление оксидного слоя мишени. Требуемая стехиометрия пленки получается изменением постоянного напряжения, которое меняет соотношение времени интенсивного травления мишени и времени ее окисления. Требуемая амплитуда переменного напряжения выбирается из условия неизменности тока разряда в течение нескольких часов. Зависимость от амплитуды переменного напряжения носит пороговый характер и, начиная с некоторой величины, дальнейшее увеличение не влияет на течение горения разряда.

Установлено, что наиболее приемлемо пилообразное изменение модулирующего напряжения. Таким образом достигается стабильное во времени горение разряда плазмы и требуемая стехиометрия пленки.

Пример конкретного выполнения. Пленка окиси цинка наносится на подложку из фольги молибдена толщиной 100 мкм. Магнитное поле берут 0,065 Тл, давление кислорода вне потока распыляемых частиц 710^-2 Па. Ток разряда поддерживается равным 200 мА, напряжение источника постоянного напряжения 520 В, амплитуда пилообразного напряжения 120 В. Пленка напыляется в течение 8 ч со скоростью 5,4 мкм/ч. Толщина пленки 43 мкм, угол разориентации оси текстуры 1,5^o. В аналогичном режиме были получены пленки толщиной 5-70 мкм и с углом разориентации оси текстуры 1,5^о-2,5^о.

Способ обеспечивает стабильное травление мишени и, как следствие, стабильное горение плазмы при напылении на подложках диэлектрических и пьезоэлектрических пленок. Указанное достоинство способа позволяет получить пленки толщиной до 70 мкм, обладающие монокристаллической структурой, что является гарантией их высокого качества и обеспечивает им высокую конкурентоспособность в применении в различных устройствах акустики и акустоэлектроники.