Se presenta un proceso modificado de pulverización catódica de corriente continua, que permite el control independiente de la energía de iones primarios para la pulverización catódica y, por tanto, el control de la energía de los átomos pulverizados que forman la capa. Además, de este modo se controla el flujo de energía de los átomos de gas de pulverización catódica neutrales reflejados. Para ello, se desarrolló un magnetrón de pulverización catódica, en el que el área del blanco de la zona de erosión está aislada del blanco residual y alimentada por una tensión negativa adicional. Mediante la medición de la energía iónica de los iones de pulverización catódica primarios en la zona de erosión se pudo demostrar que esta tensión aumenta la energía iónica primaria. Una estimación del rendimiento del sputter a partir de la velocidad de deposición y las corrientes del blanco muestra un buen acuerdo con el rendimiento teórico del sputter para varios materiales del blanco. Las primeras deposiciones de capas de cobre con energía de iones primarios variable muestran la influencia de las condiciones de sputter controladas de este modo mediante el cambio de la resistencia eléctrica y de la densidad de masa.
En el bombardeo directo por haz de iones es un efecto bien conocido que la energía de los iones del bombardeo influye en la energía de las partículas de los átomos del blanco bombardeado. En publicaciones anteriores [1] y posteriores [2] se muestra que la distribución de energía de los átomos del blanco pulverizados se desplaza hacia energías más altas variando la energía del ion primario entre 250 y 1.000 eV. De este modo, la energía media de las partículas pulverizadas crece típicamente de 3 a 6 eV hasta 6 a 10 eV, influyendo en el crecimiento de la capa correspondiente. Además, la energía de los átomos neutros reflejados aumenta en función de la energía del ion primario y alcanza un flujo de energía notablemente alto que también influye en el crecimiento de la capa [3,4].
Este efecto es bien conocido en el sputtering directo por haz de iones. La energía primaria de los iones en el sputtering por magnetrón viene determinada por la fuerza de los imanes permanentes y algunos parámetros del plasma y normalmente está en el rango entre 250 y 500 eV [5]. El objetivo de este trabajo es demostrar que con un magnetrón modificado (Double Target Magnetron, DTM) se puede conseguir un rango de energía primaria de iones extendido y controlado hasta 1.000 eV como en el sputtering por haz directo de iones.
Como se muestra en la figura 1, el magnetrón de doble blanco consiste en un sistema magnético de magnetrón convencional que genera un plasma de pulverización convencional coaxial o lineal (oval). No debe confundirse con el Magnetrón de Doble Anillo [6] o con los Magnetrones Gemelos [7] que consisten ambos en dos magnetrones sputter independientes en una disposición.
Fig. 1: Disposición principal del sputtering con el Magnetrón de Doble Blanco en sección transversal
Fig. 2: Corrientes de blanco del Magnetrón de Doble Blanco en dependencia del voltaje negativo adicional U2 aplicado en el blanco 2 (argón, 10-2 mbar, 80 W)Experimental
La figura 1 muestra el montaje utilizado en sección transversal. Se utiliza un magnetrón de pulverización catódica modificado (Dual Target Magnetron DTM) con dos blancos. El plasma de pulverización catódica se encendió y generó mediante el generador de CC U1, aplicado entre el ánodo y el blanco 1. La otra parte del blanco (zona de erosión, blanco 2), donde se produce la mayor parte de la pulverización catódica, se aisló del blanco 1 y se alimentó mediante una tensión negativa adicional U2.
Para determinar la distribución de energía de los iones primarios en el blanco 2 se integró un analizador de campo retardado (RFA) [8] en el blanco 2. El sustrato se situó directamente sobre el blanco 2 (distancia 40 mm) junto con un sensor de microbalanza de cuarzo.
La imagen de la página 362 muestra el Magnetrón de Doble Blanco utilizado en funcionamiento (potencia 80 W, presión 1×10-2 mbar). Se utilizó un blanco rectangular con unas dimensiones de 135 × 110 mm para crear un magnetrón de pulverización catódica lineal. Muestra el plasma de pulverización catódica de forma ovalada junto con la zona de erosión formada por el blanco 2. Ambos blancos se habían fabricado con cobre. Al aumentar U2, el plasma no cambió su típica forma ovalada.
La figura 2 muestra las corrientes del blanco I1 e I2 (correspondientes a la figura 1), dependiendo de la tensión negativa adicional del blanco U2 en el blanco 2. Ambas corrientes permanecen constantes, lo que demuestra que no hay ningún cambio en el plasma de sputter, mientras se aumenta la aceleración iónica al blanco 2.
Resultados Energía del ion primario
Para demostrar el efecto de la aceleración de iones primarios en función de la tensión del blanco U2, se integró un analizador de campo retardado [9] en el blanco 2, de forma que la primera rejilla del analizador estaba conectada eléctricamente con el blanco 2 y fabricada con una lámina de cobre de 1 mm de espesor para garantizar un proceso de sputter de cobre puro. Con este FRX especial se pudieron analizar densidades de corriente iónica de hasta 3 mAcm-2.
La figura 3 muestra las distribuciones de energía iónica medidas variando únicamente el voltaje U2 en el blanco 2. En el caso del sputtering magnetrónico común (U2 = 0 V), los iones del sputtering primario tienen una energía iónica media de unos 280 eV. Es decir, unos 40 V menos que la tensión correspondiente del generador de sputtering de corriente continua de 320 V. La diferencia de 40 V puede explicarse a partir de la distribución de potencial en el plasma como potencial típico de ánodo [10].
Mientras que el voltaje U2 se incrementa hasta 300 V, el pico de distribución de energía iónica se desplaza hacia energías más altas en casi la misma cantidad de U2. Algunas mediciones más de este desplazamiento conducen a una fórmula de estimación <1> para la energía media del ion primario en dependencia de los voltajes aplicados en el Magnetrón de Doble Blanco:
Wion = e*U1 - e*Uanodo + C*e*U2<1>
con Uanodo = 40 V, C = 0,9 y e = 1,610-19 As
A continuación, se utilizó la ecuación <1> para determinar directamente la energía media real del ion primario a partir de las tensiones aplicadas en el magnetrón de doble blanco (véase la Fig. 1).
Rendimiento de la pulverización catódica
La deposición de la película fina en el sustrato es una superposición de átomos pulverizados, procedentes del blanco 1 (pulverizados con sputter yield Y1(Wion1)) y procedentes del blanco 2 (pulverizados con Y2(Wion2)). Al colocar el sustrato directamente sobre el blanco 2 a una distancia cercana de 40 mm, la mayor parte del proceso de pulverización catódica del blanco 2 contribuye al crecimiento de la capa. Si R = F/ρtar2*Δf/Δt es la velocidad de crecimiento medida en el sustrato (medida con microbalanza de cuarzo, F - factor constante, ρtar2 - densidad de masa de la capa y Δf/Δt - desplazamiento de frecuencia del cuarzo) e I2 es la corriente en el blanco 2, entonces el rendimiento de la pulverización catódica Y2 en el blanco 2 es casi proporcional a R/I2 <2>:
Y2(Wion2)= ΔNtar2/ΔNion2 ~ R(Wion2)/I2(Wion2)<2>
Aplicando la ecuación <2>, se puede determinar un valor para la caracterización del sputter yield Yexp(Wion) en nm/(min*mA) y compararlo con el correspondiente sputter yield de la bibliografía [11] en un diagrama (Fig. 4).
Fig. 3: Distribuciones de energía iónica de los iones primarios en el sputtering de cobre (argón, 10-2 mbar, 80 W) medidas con un Analizador de Campo Retardante dispuesto en el blanco 2
Fig. 4: Comparación del rendimiento teórico (eje y-derecha) y experimental (eje y-izquierda) de la pulverización catódica en el blanco 2 para diferentes materiales en función de la energía de los iones primarios (potencia 80 W, 10-2 mbar de argón).
En el magnetrón de doble blanco se han instalado varios materiales de blanco que cubren una gama más amplia de rendimiento de pulverización catódica. Los parámetros típicos del magnetrón (potencia: 80 W, 10-2 mbar de argón) se han mantenido constantes y sólo se ha variado la tensión U2 del blanco 2, lo que ha dado lugar a un aumento de la energía primaria de iones de 250 a 1.000 eV (determinada por la ecuación <1>). Aunque el método según la ecuación <2> es sólo una estimación aproximada, puede demostrarse una buena concordancia entre el rendimiento de sputter teórico y el "experimental". Después de que el efecto de la energía controlada de los iones primarios se demostrara directamente en la figura 3 con la medición de la distribución de la energía de los iones, la figura 4 proporciona ahora una prueba indirecta de ello a través del comportamiento del rendimiento de la pulverización catódica.
Capas de cobre
Para demostrar la influencia del aumento de la energía primaria de los iones en el crecimiento de las capas se depositaron, a modo de ejemplo, algunas capas de cobre. El magnetrón de doble blanco estaba equipado con cobre en el blanco 1 y en el blanco 2 y se habían depositado capas de aproximadamente 200 nm de espesor con condiciones de plasma constantes (potencia 80 W, 10-2 mbar de argón, temperatura del sustrato en torno a 50 °C). Sólo se varió la energía de iones primarios mediante U2 y se calculó la energía de iones primarios correspondiente mediante la ecuación <1>.
La resistencia específica de las capas se midió mediante una sonda de cuatro puntos (Rsq) y se calculó mediante
Rfilm = Rsq*d<3>)
con d - espesor de la capa, medido con un perfilómetro. La figura 5 ilustra que la resistencia específica durante el sputtering con el Magnetrón de Doble Blanco disminuye ligeramente al aumentar la energía del ion primario.
Además, la densidad de masa de las capas de cobre depositadas pudo determinarse en el mismo experimento a partir de los datos de la microbalanza de cuarzo <4>:
ρfilm = D*Δf/d <4>
con D - factor constante y Δf - cambio de frecuencia durante la deposición.
La figura 6 muestra la densidad de masa así determinada de capas de cobre de aproximadamente 200 nm de espesor en función de la energía del ion primario. La densidad de masa del cobre sólido es de 8,9 g/cm3. Se puede demostrar un aumento de la densidad de masa de alrededor de 7 g/cm3 a más de 8 g/cm3 al aumentar la energía del ion primario.
Fig. 5: Resistencia específica de las capas de cobre en función de la energía del ion primario pulverizado con el DTM (potencia 80 W, 10-2 mbar argón)
Fig. 6: Densidad másica de las capas de cobre en función de la energía de los iones primarios bombardeados con el DTM (potencia 80 W, 10-2 mbar argón)Resumen/Perspectiva
En este trabajo se demuestra la función principal del recientemente desarrollado Magnetrón de Doble Blanco con:
- Demostración de la aceleración de iones primarios hacia el blanco 2 en función del voltaje U2 midiendo las correspondientes distribuciones de energía de los iones,
- demostración del aumento del rendimiento de la pulverización catódica en función de la energía del ion primario para varios materiales objetivo.
Las pruebas de deposición de la primera capa muestran que las propiedades de las capas de las películas de cobre podrían mejorarse aumentando la energía primaria de los iones.
El desarrollo futuro en este campo debería basarse en: - Más investigación de las propiedades de las capas, depositadas a través del DTM mientras se varía la energía de iones primarios,
- Un mayor desarrollo del magnetrón (versiones de blanco tubular, DTM optimizados),
- RF-sputtering con el DTM para la deposición de capas semiconductoras o capas dieléctricas como óxidos, nitruros, etc.
Bibliografía
[1] R. V. Stuart, G. K. Wehner, "Energy Distribution of Sputtered Cu Atoms", J. Appl. Phys., 35, (1964), 1819 - 1824
[2] M. Stepanova, S. K. Dew, "Estimates of differential sputtering yields for deposition applications", J. Vac. Sci. Technol. A 19, (2001), 2805-2816
[3] W. Eckstein, Computer Simulations of Ion-Solid Interactions, Springer Series in Material Science 10, 1991, p 162
[4] C. Bundesmann, R. Feder, T. Lautenschläger, H. Neumann, "Energy Distribution of Secondary Particles in Ion Beam Deposition Process of Ag: Experiment, Calculation and Simulation", Contrib. Plasma Phys. 55 (2015) 737-745
[5] H. Schlemm, "Ion energy analysis of sputtering ions at planar targets with DC- and RF-sputtering by Retarding Field Analysis", Poster Contribution Conference Plasma Surface Engineering 2022, http://www.jenion.de/News/,(consultado el 20 de diciembre de 2024).
[6] P. Frach, K. Goedicke, T. Winkler, Chr. Gottfried, H. Walde, W. Hentsch, "Advantageous, possibilities, design aspects and technical use of double-ring magnetron sputter sources", Surface and Coatings Technology 74-75, (1995) 85-91
[7] G. Bräuer, M. Ruske, J. Szczyrbowski, G. Teschner, A. Zmelty, "Mid frequency sputtering with TwinMag®-a survey of recent results", Vacuum, Volume 51, Issue 4, 1 December 1998, pp 655-659
[8] C. Böhm, J. Perrin, "Retarding-field analyser for measurements of ion energy distributions and secondary electron emission coefficients in low-pressure radio frequency discharges", Rev. Sci. Instrum. 64 (1993) 31-44, https://doi.org/10.1063/1.1144398
[9] Información sobre el producto PlasmaMon 3, http://www.jenion.de/Plasma-Analysis/ (consultado el 20 de diciembre de 2024)
[10] A. Pflug, M. Siemers, C. Schwanke, B. Febty Kurnia, V. Sittinger, B. Szyszka, "Simulation of plasma potential and ion energies in magnetron sputtering", Materials Technology 2011, VOL 26, NO 1, pp 10 - 14
[11] TU Viena, Instituto de Física Aplicada, "A Simple Sputter Yield Calculator", https://www2.iap.tuwien.ac.at/www/surface/sputteryield (consultado el 20 de diciembre de 2024)
