RU2550738C1

RU2550738C1 - Method to receive boron ion plasma

Info

Publication number: RU2550738C1
Application number: RU2013156717/07A
Authority: RU
Inventors: Алексей Вадимович Визирь; Алексей Геннадьевич Николаев; Ефим Михайлович Окс; Александр Геннадьевич Останин; Георгий Юрьевич Юшков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Плазменные источники"
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2015-05-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: method includes generation of boron ion plasma in pulse high-current magnetron discharge, which parameters are sufficient to implement sputtering of boron target and are as follows: current of 10-50A, voltage of 1-2kV, pulse duration of 10-100 mcs. Initiation of pulse high-current magnetron discharge is made by ignition of permanent low-current magnetron discharge with current up to 50mA, voltage up to 2kV and heating by this discharge of the solid boron target heat-insulated with conductive material up to temperature of 400-500°C, when sharp increase of specific conductivity of boron takes place up to values sufficient for stable burning of pulse high-current magnetron discharge.

EFFECT: increased content of boron ions in plasma.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области плазменной техники и может быть использовано в полупроводниковой и других отраслях промышленности, где необходима модификация поверхностей материалов.The invention relates to the field of plasma technology and can be used in semiconductor and other industries where surface modification of materials is necessary.

Известны способы получения плазмы в планарных магнетронных распылительных системах (Патент RU №2339735; МПК C23C 14/35, опубл. 12.02.2007), основанных на принципе распыления поверхности металлической мишени, находящейся под отрицательным потенциалом, ионами рабочего газа, получаемыми в плазме электрического разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях. Ионы плазмы разряда, ускоренные в катодном падении у мишени, распыляют поверхность мишени, обеспечивая поток атомов металла с ее поверхности, необходимый для осуществления процессов нанесения металлических покрытий. Доля ионов металла мишени в газоразрядной плазме не превышает единиц процентов. Данные способы применимы только для распыления любых металлических мишеней.Known methods for producing plasma in planar magnetron sputtering systems (Patent RU No. 2339735; IPC C23C 14/35, published February 12, 2007), based on the principle of sputtering the surface of a metal target under a negative potential by working gas ions produced in an electric discharge plasma in crossed electric and magnetic fields. Discharge plasma ions accelerated in a cathode drop near the target atomize the target surface, providing a flow of metal atoms from its surface, which is necessary for the implementation of metal coating processes. The fraction of target metal ions in a gas discharge plasma does not exceed units of percent. These methods are applicable only for sputtering any metal targets.

Недостатком этого способа является незначительная доля металлических ионов материала катода-мишени в плазме разряда, а также невозможность получения плазмы неэлектропроводящих и полупроводниковых материалов.The disadvantage of this method is the small proportion of metal ions of the target cathode material in the discharge plasma, as well as the impossibility of obtaining plasma of non-conductive and semiconductor materials.

Известен способ получения плазмы с помощью магнетронного разряда, при котором концентрация ионов металлов материала мишени в плазме превышает концентрацию ионов рабочего газа. Это реализуется за счет так называемого режима самораспыления мишени (Патент US №8568572; МПК C23C 14/00; опубл. Oct. 21, 2010). Этот способ является наиболее близким аналогом и взят за прототип для данной заявки. Способ реализуется в магнетроне, который откачивается до предельного вакуума с последующей установкой минимально возможного давления рабочего газа (давление в камере уровня 10^-4 Торр), необходимого только для зажигания магнетронного разряда. На мишень подаются высоковольтные импульсы напряжения (более 1 кВ) длительностью до 100 мкс. Приложение этих импульсов приводит к зажиганию сильноточного импульсного магнетронного разряда с током в десятки ампер. Происходит процесс самораспыления мишени, в результате которого образуется плазма, характеризующаяся высоким (до 90%) содержанием в плазме металлических ионов материала мишени. Основным преимуществом работы устройства в режиме самораспыления является возможность получения плазмы материала металлической мишени с низким содержанием ионов рабочего газа, что является важным для применения в полупроводниковой промышленности.A known method of producing plasma using a magnetron discharge, in which the concentration of metal ions of the target material in the plasma exceeds the concentration of ions of the working gas. This is realized due to the so-called self-sputtering mode of the target (US Patent No. 8568572; IPC C23C 14/00; publ. Oct. 21, 2010). This method is the closest analogue and is taken as a prototype for this application. The method is implemented in a magnetron, which is pumped to the maximum vacuum with the subsequent installation of the minimum possible working gas pressure (pressure in the chamber of the level of 10 ^-4 Torr), necessary only for ignition of the magnetron discharge. High voltage voltage pulses (more than 1 kV) with a duration of up to 100 μs are applied to the target. The application of these pulses leads to the ignition of a high-current pulsed magnetron discharge with a current of tens of amperes. Self-atomization of the target occurs, as a result of which a plasma is formed, characterized by a high (up to 90%) content in the plasma of metal ions of the target material. The main advantage of the device operating in self-atomization mode is the possibility of obtaining a plasma of the material of a metal target with a low content of working gas ions, which is important for application in the semiconductor industry.

Основное ограничение такого способа заключается в выборе материала мишени, т.к. режим самораспыления реализуется только для металлов с низкой работой выхода, таких как Cu, Ag, Bi, Zn и т.д. Кроме этого, данный способ не применим для мишеней, выполненных из неэлектропроводящих и полупроводниковых материалов.The main limitation of this method is the choice of target material, because self-spraying mode is implemented only for metals with low work function, such as Cu, Ag, Bi, Zn, etc. In addition, this method is not applicable for targets made of non-conductive and semiconductor materials.

Задачей заявленного изобретения является получение плазмы с высоким содержанием ионов бора, являющегося при нормальных условиях полупроводником с низкой электропроводностью.The objective of the claimed invention is to obtain plasma with a high content of boron ions, which under normal conditions is a semiconductor with low electrical conductivity.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе получения плазмы, включающем генерацию плазмы в импульсном сильноточном магнетронном разряде, параметры которого достаточны для реализации режима самораспыления мишени, согласно изобретению инициирование импульсного сильноточного магнетронного разряда осуществляется путем зажигания постоянного слаботочного магнетронного разряда, приводящего к нагреву теплоизолированной электропроводящим материалом мишени из твердотельного бора до температуры, при которой удельная проводимость бора становится достаточной для реализации режима самораспыления мишени.The problem is solved in that in the known method for producing plasma, including plasma generation in a pulsed high-current magnetron discharge, the parameters of which are sufficient to realize the self-atomization mode of the target, according to the invention, the initiation of a pulsed high-current magnetron discharge is carried out by ignition of a constant low-current magnetron discharge, which leads to heating of a thermally insulated electrically conductive solid-state boron target material to a temperature at which gence boron becomes sufficient to implement self-sputtering target mode.

Предпочтительно использовать параметры постоянного слаботочного магнетронного разряда: ток до 50 мА, напряжение до 2 кВ, а параметры импульсного сильноточного магнетронного разряда: ток 10-50 А, напряжение 1-2 кВ, длительность импульса - 10-100 мкс, частота повторения импульсов от единичных до 50 Гц.It is preferable to use the parameters of a constant low-current magnetron discharge: current up to 50 mA, voltage up to 2 kV, and the parameters of a pulsed high-current magnetron discharge: current 10-50 A, voltage 1-2 kV, pulse duration 10-100 μs, pulse repetition rate from single up to 50 Hz.

Указанная совокупность признаков за счет совмещения двух видов магнетронных разрядов при их использовании для разогрева мишени и для генерации ионов обеспечивает создание нового способа получения плазмы ионов бора с малым содержанием примесей, в частности, при использовании в качестве рабочего газа аргона новый способ обеспечивает содержание ионов бора в плазме 95-98%.The indicated set of features due to the combination of two types of magnetron discharges when used to heat the target and to generate ions provides a new method for producing a plasma of boron ions with a low content of impurities, in particular, when using argon as the working gas, the new method provides the content of boron ions in plasma 95-98%.

Изобретение поясняется далее на конкретном примере его использования.The invention is explained below with a specific example of its use.

На фиг.1 изображена схема планарного магнетронного распылителя, на котором осуществлен предлагаемый способ.Figure 1 shows a diagram of a planar magnetron atomizer, which implements the proposed method.

На фиг.2 представлен масс-зарядовый состав плазмы, образующейся при реализации предлагаемого способа.Figure 2 presents the mass-charge composition of the plasma formed during the implementation of the proposed method.

На фиг.1 для осуществления способа используется планарный магнетронный распылитель с мишенью 1, выполненной из твердотельного бора. Существенным для достижения технического эффекта является использование специальных электропроводящих материалов 2, осуществляющих теплоизоляцию мишени от других элементов конструкции, при этом расстояние от рабочей поверхности мишени до полюсов магнитопровода 3 достаточное для обеспечения на поверхности мишени величины индукции магнитного поля, необходимой для стабильного функционирования магнетронного разряда. Для питания постоянного слаботочного магнетронного разряда используется постоянный источник питания 4, а для импульсного сильноточного магнетронного разряда - импульсный источник питания 5.In Fig. 1, for implementing the method, a planar magnetron atomizer with a target 1 made of solid-state boron is used. It is essential to achieve a technical effect that special electrically conductive materials 2 are used that insulate the target from other structural elements, while the distance from the target’s working surface to the poles of the magnetic circuit 3 is sufficient to ensure the magnetic field induction on the target’s surface necessary for the stable functioning of the magnetron discharge. To supply a constant low-current magnetron discharge, a constant power supply 4 is used, and for a pulsed high-current magnetron discharge, a pulsed power supply 5 is used.

Используемое устройство функционирует следующим образом. Планарный магнетронный распылитель откачивается до предельного вакуума, затем в него подается рабочий газ аргон и в течение всего процесса поддерживается рабочее давление уровня 5·10^-4 Торр. От постоянного источника питания 4 к мишени 1 через теплоизолирующий электропроводящий материал 2 прикладывается отрицательное напряжение величиной до 1500 В. При этом удельное сопротивление мишени из бора, составляющее при комнатной температуре 10⁷ Ом·см, позволяет инициировать лишь слаботочный разряд с током не более единиц мА. В течение 1-2 минут горения такого разряда происходит нагрев мишени, при этом с увеличением температуры ее электрическое сопротивление уменьшается, а ток разряда соответственно растет. При достижении значения температуры мишени уровня 400-500°C происходит резкое увеличение удельной проводимости бора и переход магнетронного разряда в режим горения с большим током уровня 20-50 мА. Плазма такого разряда состоит из однозарядных ионов рабочего газа, содержание ионов бора не превышает 5%. Включается импульсный источник питания 5, в результате чего магнетронный разряд переходит в сильноточную импульсную форму горения с током разряда (10-30) А при длительности импульса порядка 100 мкс. Полученный режим горения разряда является режимом с самораспылением, основными признаками которого являются напряжение горения разряда более 1 кВ и содержание в плазме ионов материала мишени, значительно превышающее содержание ионов рабочего газа.The device used operates as follows. The planar magnetron atomizer is pumped out to the ultimate vacuum, then argon working gas is supplied to it and the working pressure of the level 5 · 10 ^-4 Torr is maintained throughout the process. A negative voltage of up to 1500 V is applied from a constant power supply 4 to the target 1 through heat-insulating electrically conductive material 2. In this case, the specific resistance of the boron target, which is 10 ⁷ Ohm · cm at room temperature, allows initiating only a low-current discharge with a current of no more than units mA . Within 1-2 minutes of burning of such a discharge, the target is heated, while with increasing temperature its electrical resistance decreases, and the discharge current increases accordingly. When the target temperature reaches the level of 400-500 ° C, there is a sharp increase in the specific conductivity of boron and the transition of the magnetron discharge to combustion with a high current level of 20-50 mA. The plasma of this discharge consists of singly charged ions of the working gas, the content of boron ions does not exceed 5%. The switching power supply 5 is turned on, as a result of which the magnetron discharge passes into a high-current pulsed combustion form with a discharge current of (10-30) A at a pulse duration of about 100 μs. The obtained mode of discharge burning is a self-atomizing mode, the main features of which are the voltage of the discharge burning more than 1 kV and the plasma content of ions of the target material, significantly exceeding the content of working gas ions.

Измерения с помощью время-пролетной методики масс-зарядового состава плазмы (см. фиг.2), где представлены осциллограммы напряжения на затворе (верхняя) и тока цилиндра Фарадея время-пролетного спектрометра (нижняя) для значений: давление 5·10^-4 Торр, ток импульсного разряда 12 А, длительность импульса 100 мкс, частота 5 Гц, рабочий газ-аргон) показали, что доля ионов бора в импульсе составила 97%, остальные 3% ионов представляли собой ионы рабочего газа аргона. Полный ионный ток на подложку диаметром 200 мм в импульсе составил 300 мА. Радиальная неоднородность ионного тока на диаметре 200 мм составила 20%.Measurements using the time-of-flight technique of the mass-charge composition of the plasma (see Fig. 2), which show the oscillograms of the gate voltage (upper) and the current of the Faraday cylinder of the time-of-flight spectrometer (lower) for values: pressure 5 · 10 ^-4 Torr , pulse discharge current 12 A, pulse duration 100 μs, frequency 5 Hz, working gas-argon) showed that the proportion of boron ions in the pulse was 97%, the remaining 3% of the ions were argon working gas ions. The total ion current to the substrate with a diameter of 200 mm per pulse was 300 mA. The radial inhomogeneity of the ion current at a diameter of 200 mm was 20%.

Claims

1. A method for producing a plasma of boron ions with a content of more than 95%, including plasma generation in a pulsed high-current magnetron discharge, the parameters of which are sufficient to realize the target self-atomization mode, characterized in that the initiation of a pulsed high-current magnetron discharge is carried out by igniting a constant low-current magnetron discharge, which leads to heating a target of solid-state boron with a thermally insulated electrically conductive material to a temperature at which the specific conductivity of boron is novitsya sufficient for the realization of self-sputtering target mode.

2. The method according to claim 1, characterized in that the parameters of a constant low-current magnetron discharge are: current up to 50 mA, voltage up to 2 kV, and the parameters of a pulsed high-current magnetron discharge are: current 10-50 A, voltage 1-2 kV, duration pulse - 10-100 μs, the pulse repetition rate from single to 50 Hz.