НОВЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ РАСПЫЛИТЕЛЬНЫХ МИШЕНЕЙ

Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

Лейф В.Э., Колесникова И.Г., Кузьмич Ю.В., Серба В.И., Фрейдин Б.М.

root@ksc-ic.murmansk.su

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья,

Кольский научный центр РАН

Проблемы, связанные с эксплуатацией кремниевых мишеней, хорошо известны. Как правило, трудности определяются невысокой электрической проводимостью материала и растрескиванием мишеней. При эксплуатации мишеней из монокристаллического кремния происходит растрескивание пластин в процессе распыления, т.к. монокристаллический кремний имеет сопротивление менее 0.008 Ом см и низкую теплопроводность.

Исследование причин растрескивания пластин показало, что основной причиной являются внутренние напряжения материала, возникающие в результате температурного градиента. При радиальном температурном градиенте по поверхности пластины, равном 200⁰С/см, (а в некоторых случаях значение этого градиента достигает 500⁰С/см) внутренние напряжения материала равны примерно 7.0 кг/мм², в то время, как предел прочности для кремния колеблется от 8.5 до 10 кг/мм². Необходимо учитывать также осевой, т.е. направленный нормально к поверхности пластины температурный градиент. Фактические внутренние напряжения для пластин толщиной 3-4 мм составляют не менее 15 кг/мм², а для пластин толщиной 9 мм - 5 кг/мм². Такие напряжения приводят к растрескиванию мишени, так как их значения сопоставимы с величиной предела прочности.

Для увеличения срока эксплуатации мишеней можно предложить следующие практические рекомендации:

а) удаление с пластины поверхностного слоя, в котором имеется большое количество микротрещин, инициирующих макрорастрескивание пластины;

б) увеличение толщины пластины (при увеличении толщины пластины с 4 до 9 мм внутренние напряжения уменьшаются в 2-3 раза);

в) по возможности уменьшение линейных размеров пластины.

Развитие технологии требует постоянного роста размеров мишеней, скоростей осаждения, удельной мощности и др. параметров. В этих условиях предлагаемые рекомендации начинают тормозить совершенствование процесса. Более радикальным способом увеличения срока службы мишеней является замена чистого кремния на сплав, имеющий более высокую тепло- и электропроводность, и более пластичный, чем чистый кремний.

Таким материалом является композиция Si-Al с содержанием Al 1-30 масс. % (оптимально 5-10 масс. %). Нами разработана технология металлургического получения таких композиций с равномерным распределением Al, который присутствует в материале в виде кремний-алюминиевой эвтектики. Пористость материала не превышает 5%. Материал имеет удельное электрическое сопротивление в интервале 0.001-0.004 Ом см и высокую механическую прочность.

Технология позволяет получать мишени практически не имеющие ограничений по геометрическим размерам и конфигурации, в то время, как максимальный размер мишеней из кремния ограничивается размерами исходного монокристалла и возможностями обрабатывающего оборудования.

Тестовые испытания показали, что получаемые при распылении Si-Al сплава пленки полностью соответствуют по своим оптическим константам кварцу. Коэффициент преломления пленок составляет 1.42-1.45. Оптическое пропускание в видимой области спектра не менее 92%. Это означает, что присутствующий в материале мишени алюминий не переходит в состав осаждаемой пленки.

Максимальная локальная мощность в зоне распыления достигала 90 Вт/см², при этом материал не растрескивался.

Разработанная технология позволяет получать аналогичные композиции на основе кремния (либо другой основе), легированные различными добавками, например, РЗМ.