Анализ источников магнетронного распыления для осаждения толстых слоев меди с высокой скоростью для изделий микроэлектроники

Цели. При проектировании производственного оборудования для реализации процессов осаждения металлических пленок актуальной задачей является выбор технологических источников, которые должны обеспечивать требуемое качество (структуру, внешний вид), максимальные эффективность процесса и производительность. Однако в реальных производственных условиях сделать этот выбор сложно в связи с недостаточностью сравнительных материалов источников. Лабораторные результаты нередко отличаются от результатов на производстве. Цель работы - сравнить методы магнетронного осаждения в реальных промышленных условиях (планарном протяженном магнетроне, жидкофазном магнетроне и цилиндрическом магнетроне с вращающимся катодом), выявить их преимущества, недостатки и особенности формирования металлических пленок, проанализировать экономическую целесообразность выбора каждого из них и дать практические рекомендации выбора источника при реализации требуемого процесса.

Методы. Для осаждения пленок применены методы ионного распыления в магнетронных системах. Измерение шероховатости проводилось с помощью профилометра MarSurf PS1. Структура пленок изучалась с помощью растрового электронного микроскопа Hitachi SU1510. Толщины пленок измерялись методом рентгено-флуорисцентного анализа с помощью прибора Fisherscope X-RAY XDV-SDD.

Результаты. Рассмотрены источники магнетронного распыления для скоростного осаждения слоев металлизации в промышленных условиях. Проведено сравнение полученных образцов по критериям: скорость осаждения с сохранением требуемого качества, поверхностные дефекты, размер зерна пленки, шероховатость, равномерность осажденного слоя, эффективность осаждения (отношение металла, осажденного непосредственно на подложку, к количеству выработанного металла во время процесса). Сравнение характеристик показало, что скорость осаждения для жидкофазного магнетрона соизмерима с аналогичным параметром для цилиндрического магнетрона и превосходит примерно в 4 раза скорость для классического планарного магнетрона при сохранении единого внешнего вида образцов. Самой высокой шероховатостью и самым крупным размером зерна обладают образцы, осажденные жидкофазным магнетроном. Самой низкой эффективностью распыления обладает метод жидкофазного магнетронного распыления, который является самым дешевым.

Выводы. Выбор метода осаждения зависит от решаемой задачи. Оптимальным по стоимости, скорости осаждения и качеству осаждаемых слоев можно считать магнетрон с цилиндрическим вращающимся катодом. Жидкофазное магнетронное распыление рекомендовано использовать для дешевого скоростного осаждения, при котором нет жестких требований к внешнему виду, или в случае эксплуатации малогабаритного оборудования.

1. Юдинцев В. Развитие мировой микроэлектроники. Новое в стратегии. Часть II. Электроника: Наука. Технология. Бизнес. 2008;4:108-113. URL: https://www.electronics.ru/journal/article/413

2. Громов Г.Г. Объемные и тонкопленочные термоэлектрические модули. Компоненты и технологии. 2014;9(158):87-92. URL: https://kit-e.ru/wp-content/uploads/15887.pdf

3. Parashchuk T., Sidorenko N., Ivantsov L., Sorokin A., Maksymuk M., Dzundza B., Dashevsky Z. Development of a solid-state multi-stage thermoelectric cooler. J. Power Sources. 2021;496:229821. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.229821

4. Lavrentev M.G., Drabkin I.A., Ershova L.B., Volkov M.P. Improved extruded thermoelectric materials. J. Electron. Mater. 2020;49:2937-2942. https://doi.org/10.1007/s11664-020-07988-0

5. Dashevsky Z., Skipidarov S. Investigating the performance of bismuth-antimony telluride. In: Skipidarov S., Nikitin M. (Eds.). Novel Thermoelectric Materials and Device Design Concepts. 1st ed. Springer, Cham; 2019. Р. 3-21. https://doi.org/10.1007/978-3-030-12057-3_1

6. 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(1):170010. https://doi.org/10.1063/1.5133321

7. Макарова М.В., Моисеев К.М. Проблемы формирования толстых слоев олова методом ионного распыления в магнетронных системах в парах мишени. Инженерный журнал: наука и инновации. 2018;1(73). https://doi.org/10.18698/2308-6033-2018-1-1717

8. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Юрьева А.В. Анализ возможностей магнетронных распылительных систем для высокоскоростного осаждения функциональных покрытий. Современные технологии, экономика и образование: сборник материалов II Всероссийской научно-методической конференции. Томск: Изд-во ТПУ; 2020. С. 51-52.

9. KouptsovA.D., Vasiliev D.D., Sidorova S.V., Moiseev K.M. Design of a liquid-phase magnetron sputtering small-sized source for the vacuum coating system MVTU-11-1MS. J. Phys.: Conf. Ser. 2021;1799(1):012016. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1799/1/012016

10. Shandrikov M.V., et al. Deposition of Cu-films by a planar magnetron sputtering system at ultra-low operating pressure. Surface and Coatings Technology. 2020;389:125600. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125600

11. Agrawal S. Development of rotatable magnetron. In: 33rd National Symposium on Plasma Science & Technology (PLASMA 2018): Abstract Book. 2018. P. 172-173. URL: http://www.pssi.in/documents/Abstract%20Book@Plasma%202018.pdf

12. Gudmundsson J.T., Lundin D. Introduction to magnetron sputtering. In: High Power Impulse Magnetron Sputtering. Elsevier; 2020. P. 1-48. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-812454-3.00006-1

13. Беляков С. Сборка микросхем в России: реальность и перспективы. Компоненты и технологии. 2014;5:185-187. URL: https://kit-e.ru/wp-content/uploads/154185.pdf

14. Соботка С., Херрманн Р. Интеллектуальный транспорт XXI века. Силовая электроника. 2010;1:12-15. URL: https://power-e.ru/wp-content/uploads/2010_1_12.pdf

15. Макарова М.В., Моисеев К.М. Свойства медных пленок, полученных методом жидкофазного магнетронного распыления. 12-я Международная научно-техническая конференция «Вакуумная техника, материалы и технологии»: Сборник публикаций. 2017. 5 с.