IT9047800A1 - Metodo per la deposizione di strati sottili con assistenza di ioni da plasma rf. - Google Patents
Metodo per la deposizione di strati sottili con assistenza di ioni da plasma rf.Info
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Description
degli elettroni nel plasma e quindi dalla condizione di carica elettrica media nulla sugli elettrodi della scarica RF. In questa situazione il substrato alloggiato sul portasubstrati viene bombardato dagli ioni prodotti nella scarica e contemporaneamente vi condensa il materiale evaporato dalla sorgente termica o dal cannone elettronico.
Questo contemporaneo bombardamento ad energie variabili tra 100 e 400 elettron-volts consente l'ottenimento di notevoli miglioramenti nelle caratteristiche ottiche e meccaniche dei film deposti.
DESCRIZIONE DEL TESTO
L'invenzione riguarda un nuovo metodo per la deposizione di film sottili per ottica, ottica integrata, microelettronica e metallurgia.
Detta invenzione si colloca nel campo delle tecnologie di deposizione di film sottili sotto vuoto da fase vapore con assistenza di bombardamento ionico.
Nel vastissimo spettro di applicazioni dei film sottili, dielettrici o metallici, cresciuti con tecniche di deposizione fisica da fase vapore sotto vuoto (PVD - Physical Vapor Deposition), numerosi e diversi sono i parametri caratteristici che di volta in volta risultano determinanti per le prestazioni richieste. Tuttavia l'ottimizzazione contemporanea di questi parametri può essere considerata come essenziale nella maggioranza delle applicazioni. Tra questi parametri i più importanti sono i seguenti:
- aderenza del film al substrato e tra film e film;
- omogeneità strutturale del f "
- elevata densità;
- corretta composizione;
- assenza di tensioni interne o di interfaccia;
- elevata resistenza meccanica.
Il raggiungimento di questi risultati è essenzialmente legato alla distribuzione di energia del materiale che condensa nel formare il film o che in generale incide sulla superficie del film in crescita.
L'evoluzione delle tecnologie di deposizione PVD, dalla evaporazione da sorgente termica, alla evaporazione da cannone elettronico, e poi allo sputtering da plasma DC od RF, per poi giungere allo sputtering da cannone ionico, può essere schematizzata con un progressivo aumento dell'energia cinetica media del materiale condensante. Si è passati dai 0.01-0.1 ev dell'evaporazione termica ai 10-20 ev dello sputtering da cannone ionico.
Le ragioni più importanti di questa connessione tra caratteristiche del film ed energia cinetica del materiale incidente sul film durante la crescita sono le seguenti:
maggiore mobilità residua post-adsorbimento, con conseguente possibilità di ricerca di siti di condensazione più stabili; re-sputtering degli elementi debolmente legati.
Tuttavia, all'evoluzione storica delle tecnologie prima citate, si associa una crescita esponenziale dei costi degli impianti e della loro manutenzione ed un calo altrettanto significativo della produttività. Uno stesso film deposto per sputtering da cannone ionico richiede mediamente una durata di processo superiore di un ordine di grandezza rispetto a quella richiesta nel caso dello sputtering da plasma, ed in quest'ultimo caso la durata del processo è ancora superiore di uno-due ordini di grandezza rispetto a quella necessaria in un sistema di evaporazione.
Ε' quindi evidente la necessità di poter disporre di una tecnologià che, ai vantaggi di un ideale contenuto energetico, associ i vantaggi di produttività, affidabilità e controllabilità delle tecniche di evaporazione da sorgente termica o da cannone elettronico.
Tentativi per ottenere ciò sono stati effettuati utilizzando cannoni ionici in un sistema di evaporazione da cannone elettronico. Gli ioni, prodotti a inedia energia (da qualche decina a qualche centinaio di ev) dal cannone ionico, bombardano il film durante la crescita. Tuttavia in questa configurazione sono presenti due significativi svantaggi, il costo elevato e la impossibilità di trasformare il materiale condensante, originato dal cannone elettronico, in portatore di energia cinetica.
Altra configurazione che è stata proposta prevede la concentrazione di un flusso elettronico a bassa energia (10-100 ev) ed elevata corrente (10-100 Ampere) in prossimità della sorgente di evaporazione dove, essendo massima la concentrazione del materiale evaporato, è massima la probabilità di ionizzazione di quest'ultimo. Con queste configurazioni è possibile ottenere percentuali di ionizzazione fino al 50-60%. Gli ioni così prodotti sono poi accelerati verso il substrato dove si condensano insieme al materiale rimasto neutro. Tuttavia questa tecnica è estremamente costosa e complessa, e provoca inconvenienti quando il materiale da deporre è un dielettrico.
L'invenzione oggetto della presente domanda di brevetto, permette il superamento di queste limitazioni, ottenendo i vantaggi consentiti dall'incremento del valor medio dell'energia cinetica del materiale incidente sulla superficie del film durante la crescita: consentendo la deposizione di film dielettrici; realizzando un processo affidabile, controllabile e ad elevata produttività.
Il metodo oggetto della invenzione è caratterizzato:
dall'utilizzazione di un convenzionale sistema da vuoto per la deposizione di film sottili da sorgente termica o da cannone elettronico con un portasubstrati isolato elettricamente verso massa;
dall'utilizzazione di un generatore di potenza RF adattato elettricamente al portasubstrati, ed in grado di erogare densità di potenza al portasubstrati fino a 0.1 watt/cm2; dall'utilizzazione di un gas, con pressione nella regione 1-10 mtorr, parzialmente ionizzato da un scarica RF mantenuta tra il portasubstrati la campana da vuoto;
dall'utilizzazione di un condensatore posto serialmente tra il portasubstrati e la rete di adattamento verso il generatore RF, che permette 1'autopolarizzazione negativa del portasubstrati causata dalla minore mobilità degli ioni del plasma rispetto a quella degli elettroni;
dal valore di autopolarizzazione del portasubstrati tra 100 e 400 volte controllabile attraverso il variabile rapporto tra le aree del portasubstrati e quella dell’anodo della scarica, oltre che dalla potenza RF erogata dal generatore e dalla natura e pressione del gas che sostiene la scarica;
dalla possibilità di deporre su substrati non preriscaldati o comunque mantenuti a bassa temperatura;
dalla possibilità di deporre su substrati dielettrici;
dalla possibilità di ottenere grandi uniformità di spessore anche su superfici fortemente non piane;
dalla possibilità di deporre su superfici non in diretta visione della sorgente di materiale evaporante;
dall’ottenimento di elevate adesioni tra film e substrato e tra film e film;
dall'ottenimento di film ad elevata densità prossima a quella dello stesso materiale in forma bulk;
dall'ottenimento di film a basse tensioni di interfaccia od interne;
dall'ottenimento di film ottici a basso scattering.
L'invenzione viene ora descritta a scopo illustrativo e non limitativo facendo riferimento alle figure allegate.
Fig. 1 Schema di apparecchiatura per la deposizione di film sottili in cui sono visibili:
1 Generatore di Radio Frequenza;
2 Rete di adattamento;
3 Condensatore di blocco;
h Catodo portasubstrati rotante;
5 Gas parzialmente ionizzato (plasma); /
6 Ingresso dei gas;
7 Cannone elettronico;
8 Sistema ottico in riflessione per il controllo dello spessore ottico dei film;
9 Accesso alle pompe per il vuoto;
10 Campana.
Fig. 2 Evoluzione temporale della tensione al catodo della scarica RF in cui sono visibili:
11 II periodo di polarizzazione positiva;
12 II periodo di polarizzazione negativa;
13 La tensione di autopolarizzazione.
Le caratteristiche essenziali del metodo di deposizione presentato attualmente preferito dall'inventore ed al solo scopo illustrativo e non limitativo possono essere descritte come segue:
I substrati, su cui occorre deporre i film, vengono posizionati nel portasubstrati 4 all'interno della campana da vuoto 10. Il portasubstrati è isolato elettricamente da massa ed in contatto con il generatore RF 1 attraverso il condensatore di blocco 3 e la rete di adattamento di impedenza 2.
II materiale da deporre viene posizionato nella vaschetta del cannone elettronico 7,
Il sistema da vuoto viene chiuso e vuotato fino a raggiungere pressioni residue inferiori ad 1 microtorr attraverso l'accesso 9 verso le pompe da vuoto. Viene quindi immesso, attraverso l'accesso 6, il gas che deve sostenere la scarica RF fino a raggiungere pressioni nella regione 1-10 mtorr.
La scarica RF viene quindi innescata per 5-10 minuti per consentire la pulizia ionica delle superfici dei substrati, con densità di potenza al catodo variabili tra 0.01 e 0.1 watt/cm2.
Al termine di questa fase di pulizia viene avviato il cannone elettronico 7 e l'evaporazione, quindi, la deposizione ha inizio in modo che la scarica RF non s'interrompa.
La differenza di tensione, tra il catodo della scarica (il portasubstrati) ed il plasma 5, varia nel tempo come illustrato in figura 2. Essa varia periodicamente seguendo la variazione imposta dal generatore RF e rimane positiva e negativa per tempi Te 11 e Ti 12 in cui rispettivamente elettroni e ioni vengono raccolti sull'elettrodo dal plasma. Poiché le mobilita degli elettroni (Me) e degli ioni (Mi) nel plasma sono molto diverse e, dovendo soddisfare la condizione di variazione nulla di carica netta media al catodo, si ha che Te è molto inferiore a Ti, con la conseguente necessaria autopolarizzazione negativa del portasubstrati 13. Il valore di questa tensione di autopolarizzazione Vap, ed in generale della tensione picco-picco della scarica, dipende dalla natura e dalla pressione del gas che sostiene la scarica, dalla potenza erogata dal generatore RF e dal rapporto delle aree del catodo e dell'anodo che limitano il plasma.
Valori tipicamente utilizzati per Vap variano nella regione 100-400 volts.
L'uso di Vap inferiori risulta poco efficace in quanto il rapporto tra portatori di energia e materiale a bassa energia che incide sulla superficie del film in crescita è inferiore al 10%, e quindi basso risulta il contributo di energia cinetica.
L'uso di Vap superiori a 500-600 volts risulta dannoso in quanto il rilascio di energia cinetica da parte degli ioni accelerati può avvenire a livello subsuperficiale provocando all'interno del film danni che risultano in una riduzione di densità.
Il materiale evaporato dal cannone elettronico entra nel gas che sostiene la scarica e subisce due significativi tipi di interazione
- urti con i neutri o gli ioni nel gas;
- ionizzazione per urto con elettroni o ioni.
Gli urti che non risultano in ionizzazione hanno due conseguenze, la randomizzazione delle traiettorie ed il trasferimento di energia cinetica di livello medio-basso. La diffusione del materiale evaporato tramite gli urti con il gas permette l'ottenimento di migliori uniformità anche su substrati con superfici fortemente non piane, ed anche la deposizione su superfici non in diretta visione della sorgente di materiale.
La ionizzazione del materiale evaporato, che può raggiungere il 5-10% del materiale deposto, permette di trasferire energia cinetica direttamente al materiale che poi, condensando, forma il film, con enormi benefici nelle caratteristiche del film stesso. Il sistema fotometrico in riflessione 8 garantisce la possibilità di controllare in tempo reale lo spessore del film in crescita, la cui uniformità è garantita anche dalla rotazione del portasubstrati.
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo per la deposizione di film sottili, caratterizzato dal fatto di utilizzare in un sistema di convenzionale di deposizione sotto vuoto da sorgente termica o da cannone elettronico, un plasma RF a pressioni 1-10 mtorr come sorgente di ioni a media energia (100-400 ev) per assistere energeticamente la crescita del film sottile posizionato su di un portasusbstrato (4) posto all'interno della campana ed in contatto elettrico con il generatore RF (1) attraverso il condensatore di blocco (3) e la rete di adattamento di impedenza (2), 2. Metodo per la deposizione di film sottili, come da Rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di poter deporre strati sottili uniformemente su superfici fortemente non planari. 3. Metodo per la deposizione di film sottili, come da Rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di poter deporre strati sottili su superfici non preriscaldate od intenzionalmente raffreddate. 4. Metodo per la deposizione di film sottili, come da Rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di poter essere applicato nei diversi settori dell'ottica, dell'ottica integrata, della microelettronica e della metallurgia.
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