Deposição Ion Beam - Aplicações e Vantagens pela Oxford Instruments Tecnologia Plasma

Temas Abordados

Visão global

Este trabalho apresenta uma revisão da Tecnologia Ion Beam. Nesta revisão, as principais aplicações e vantagens do uso da tecnologia Ion Beam para processos de deposição quando comparado com tecnologias como plasma ou evaporação (PVD) será apresentado. Para começar, uma visão geral de como um feixe de íons é gerada será descrito. Esta será, então, seguido por uma apresentação e discussão de alguns aplicativos vantajosa de tecnologia de iões de feixe.

O que é uma fonte de Feixe de Íons?

Essencialmente, uma fonte de feixe de íons é uma fonte de plasma equipados com um conjunto de grades permitindo um fluxo de íons a serem extraídos. Nossa fonte de feixe de íons tem os seguintes três partes principais: a câmara de descarga, as grades eo neutralizador.

Íons são produzidos na câmara de descarga submetendo um gás (normalmente argônio) para um campo de RF. O gás é alimentado em uma câmara de quartzo ou de alumina com uma antena de bobina de RF alimentada em torno dele. O campo de RF excita elétrons livres até que tenham energia suficiente para quebrar os átomos de gás em íons e elétrons, que é referido como "acoplamento indutivo". O gás é ionizado e, portanto, um plasma é estabelecida. A tensão de ponta a ponta-RF na antena pode atingir valores elevados. O efeito dessa tensão em que os íons podem ser uma força eletrostática que irá criar íons altamente energizados. Embora este efeito faria a fonte de íons fácil de começar, esses íons irá corroer a fonte de íons por pulverização catódica, danificando-o e criando contaminação no processo, o que é referido como "acoplamento capacitivo".

Fontes feixe de íons de Oxford Instruments

Na fonte de íons Oxford, acoplamento capacitivo é suprimida pela colocação de um escudo eletrostático no interior da câmara de quartzo para permitir que apenas o componente RF magnética para transferir energia para os átomos de gás. A blindagem eletrostática impede que o campo elétrico, gerado através da bobina da antena de RF, de entrar na fonte de íons. Também ajuda a quebrar qualquer revestimento contínuo de realização de depósito no interior do tubo de plasma de quartzo que poderia tela e reduzir a eficiência de geração de plasma do poder RF.

Grids

O papel das grades é, essencialmente, para acelerar os íons com uma alta velocidade. Normalmente, os conjuntos de nossa rede são feitas de duas ou três grades (ver Figura 1a). As grades têm um padrão de furos específicos com aberturas de numerosos, é a combinação de todos os beamlets individuais que formam o feixe. Inter-grade de separação e curvatura grade também são importantes, dependendo da aplicação necessária, por exemplo, dependendo do tamanho do alvo a ser sputtered ou taxa de deposição.

Nossa fonte de íon produz um plasma de baixa temperatura com baixa (frio) íons (<1eV) que pode ser extraída da fonte de íons através das grades com uma energia bem definida, e que não causam a erosão significativa da estrutura de grade.

Considerando-se um sistema de três grades, uma diferença específica aplicada potencial ou tensão em toda a redes fornece a força motriz para os íons. A grade interna em contato com o plasma, chamado de "grade tela", é o que define um feixe de tensão ou energia. Este é fixado em um potencial positivo em relação ao solo. Uma vez que através dos orifícios da grade de tela, um potencial negativo em relação ao solo e, portanto, muito mais negativo em relação à grade de blindagem é utilizada para acelerar os íons. A diferença potencial total representa a tensão de extração para o feixe. O terceiro "desacelerador" grid geralmente é aterrado e ajuda a colimação do feixe (reduz a divergência do feixe), suprime elétron volta-streaming e reduz a redeposição de sputtered material de volta para a grade do acelerador e dentro da fonte. Este, por sua vez aumenta o período entre os tempos para baixo para a limpeza da rede e também faz a limpeza mais fácil grades. O final de energia dos íons extraídos é igual à energia do feixe set (V _B) (ver Figura 1b).

Figura 1. A grade de três a estrutura de formação de feixe

Neutralizadores

Finalmente, o terceiro elemento que constitui a fonte de íons é um neutralizador de Oxford, que é basicamente uma fonte de elétrons que equilibra a carga dos íons no feixe, de modo a reduzir o espaço de carga efeitos causando divergência do feixe através de repulsão mútua dos íons e em ordem para impedir que a carga do wafer iluminados ou alvo. Geralmente, mais elétrons são emitidos a partir do neutralizador de íons a partir da fonte, no entanto estes não costumam combinar diretamente com o fluxo de íons para formar átomos neutros. Divergência do feixe é uma função de vários parâmetros, V _B (tensão feixe), eu _B (feixe atual), V _A (tensão de aceleração), eu _N (neutralizador de corrente), etc, e também é afetada pela dispersão de gás, dependendo da câmara pressão, que é uma razão para manter a pressão da câmara o mais baixo possível. A interação é complexa e otimização é um processo de equilibrar os vários parâmetros, até o resultado desejado é obtido.

Básicos dupla Ion Beam Sputtering Câmara Set Up

O DIBS básica (Dual Ion Beam Sputtering) câmara de configurar, veja a Figura 2 abaixo, é composto por uma fonte de deposição de precisão que se concentra um feixe de íons neutralizado em um alvo com overspill mínima, de modo a evitar a contaminação dos filmes depósito. Isso permite que os materiais, tais como Au, Cr, Ti, Pt para as faixas de metal, materiais magnéticos, tais como Fe, Co, Ni, etc, ou dielétricos tais como SiO _2, Al ₂ O _3, etc, para ser depositado (a lista não é exaustiva).

Inclui também uma fonte auxiliar / etch que pode cumprir várias funções: pode ser usado para etch (ou moinho ion) o substrato, que pode fornecer "assistência" para o processo de deposição, bombardeando o filme depósito com íons energéticos que podem melhorar ou modificar as propriedades filme ou estequiometria pelo físico e / ou efeitos químicos, mas também pode ser usado como um baixo consumo de energia pré-limpeza do substrato antes da deposição. Às vezes, esta fonte é usada sem grades como uma fonte de plasma de 'térmica' radicais ativados para a modificação química do material do depósito, minimizando bombardeio física do substrato.

A ferramenta Ionfab também podem ser fornecidos com apenas uma ou outra das fontes de iões acima, tanto para a deposição, onde assistir ou etch não é necessário para o processo, ou como uma ferramenta de modificação gravura moagem / / nenhuma deposição superfície onde é necessário.

Figura 2. Vista esquemática de um sistema de Ionfab

Deposição de Materiais Utilizando-se Deposição Ion Beam

Alguns dos materiais mais comuns são os óxidos depositados tais como Al ₂ O _3, Ta ₂ O _{5, 2} SiO e TiO ₂ (geralmente a partir de Al ₂ O _3, Ta, Si, SiO ₂ e metas Ti e com O ₂ adicionado à gás de processo). Na verdade, O ₂ pode ser introduzido diretamente na câmara ou através da deposição e / ou fonte auxiliar, o que permite dielétricos estequiométrica a ser depositado a partir de um alvo dielétrica estequiométricas, onde a depleção de oxigênio durante o sputtering é substituído, ou de um alvo metálico em modo reativo, onde os átomos do metal sputtered são oxidados em algum ponto que poderia ser no alvo, durante o trânsito para o substrato ou sobre o substrato se um suporte de oxigênio feixe de assistência ou plasma é usado. A segunda fonte também pode ser usado para substrato pré-limpeza, por exemplo, conseguir adesão melhorada dos filmes ou remover os óxidos nativos, ou como um auxiliar durante a deposição física para continuar a densificar os filmes.

O mesmo pode ser feito para a deposição de nitreto de, por exemplo, Si ₃ N ₄ usando um Si ₃ N _4-alvo e N ₂ na câmara ou ajudar fonte. Outros materiais mais "exóticas", tais como a MGF _2, LaF _3, Nb ₂ O _5, ZrO _3, Y ₂ O _{3, 2} HfO YF etc _3, também podem ser depositados por (reativo e / ou assistida) ion feixe sputtering ea lista inclui materiais como VO _X que requer controle extremamente preciso de rácios de gás de processo para permitir que muito específicas termo-elétrica propriedades a serem alcançados para aplicações sensíveis de imagem térmica.

Propriedades controle e crescimento de filmes Usando Ferramentas de Oxford Instruments

Nossa ferramenta também permite que o substrato a ser rodado e inclinado em relação à direção de fluxo permitindo sputter "sintonia" adicional de crescimento de filmes / propriedades, bem como controle de cobertura passo para a deposição em topologia de superfície. Taxas de deposição será menor do que a evaporação, mas isso não permite muito mais controle com uma taxa de deposição muito mais reprodutível e previsível, permitindo o controle de espessura muito preciso simplesmente timing. O material também é sputtered e depositados em um ambiente com temperatura muito menor do que a evaporação. A temperatura do substrato real pode, portanto, será muito elevada durante o processamento utilizando o hélio alimentada capacidade de arrefecimento back-side.

Deposição Ion Beam e ambientes de baixa pressão

Ion deposição de feixe é executado em um ambiente de pressão muito mais baixa (na faixa de 10 ^-4 Torr ou menor) do que o padrão magnetron sputtering, portanto, qualquer sputter de gás (por exemplo, Ar) inclusão no filme é muito menos de um problema (como também é verdade para evaporação). O percurso livre médio de íons e sputtered material é muito maior nesse sentido que também inibe o thermalisation sputtered de material, assim, resultando em depositar energias cinética átomo (normalmente entre 1 a 100 eV) muito superior, por exemplo, no caso dos átomos evaporados ,.

Ion Beam e Deposição de superfície pré-Clean e Controle do Stress Film

Desde a preparação do substrato e / ou estresse filme são geralmente a causa de problemas na adesão de filmes mais espessos, deposição de íons feixe pode fornecer tanto a superfície pré-limpa e controlar o estresse filme pela segunda fonte de íons. Além disso, a deposição de íons feixe não sofre do problema de "cuspir" muitas vezes visto na evaporação.

Qualidade de Ion Beam Depositado Films

As qualidades filme depositado podem ser divididos em categorias óptico e mecânico:
Propriedades ópticas de um filme fino são caracterizados pelas seguintes qualidades:

• Transmitância (associada a valores de dispersão e homogeneidade)
• Absorção (associados a propriedades de transparência)
• Dispersão (associado com rugosidade da superfície e defeitos volume)

Nosso coaters ion dedicada feixe óptico dar bons resultados graças à dispersão perda de deposição de filmes suave. Figura 3 abaixo mostra alguns exemplos de camadas de óxido único de SiO ₂ e TiO ₂ em wafer de silício. A rugosidade da superfície de 0.22nm rms para Si ₃ N ₄ depositados em um wafer de Si também foi medido.

Figura 3. Rugosidade medidas de avaliação por AFM

Confiabilidade e reprodutibilidade de Ion Deposição Feixe

No entanto, além de suavidade excelente filme, a ferramenta de feixe de íons deve ter fontes confiáveis ​​e reprodutíveis se os mesmos resultados devem ser obtidos para o próximo filme a ser depositado. Ambos espessura e reprodutibilidade do índice de refração são muito importantes no momento do depósito revestimentos multicamadas.

Na Figura 4 a seguir é mostrado Ta ₂ O ₅ deposição de mais de três corridas consecutivas medido durante um 8 wafer "depositado em um wafer de silício. A Figura 5 mostra a repetibilidade do índice de refração correspondentes obtidos durante os mesmos três corridas consecutivas deposição. A Figura 6 mostra um exemplo de Si ₃ N ₄ uniformidade de deposição ao longo 100mm em Si wafer com uma uniformidade ± 0,1% de índice de refração. A Figura 7 mostra um exemplo de SiO ₂ sobre a uniformidade de deposição de 200 milímetros wafer Si com melhor uniformidade de ± 0,1% de índice de refração com a exclusão ponta 5mm. Pode-se observar que o perfil diferente da curva em comparação com Ta ₂ O ₅ deposição está relacionada com o posicionamento de cilindro diferentes e parâmetros que afetam feixe de divergência do feixe.

Figura 4. Ta ₂ O ₅ a uniformidade de deposição ao longo de três corridas consecutivas em wafer Si 200 milímetros

Figura 5. Dispersão repetível para Ta ₂ O ₅ índice de refração mais de três corridas consecutivas

Figura 6. Si ₃ N ₄ uniformidade de deposição ao longo wafer 100mm em Si

Figura 7. SiO ₂ sobre a uniformidade de deposição de 200 milímetros wafer Si

Aplicações do Feixe de Íons Deposição

Alguns exemplos são mostrados abaixo das aplicações que as nossas ferramentas estão sendo usadas para:

• Laser Bar Coating
• Filtro de cavidade única
• Espelho de três cavidades
• Anel Gyroscope Laser

Laser Bar Coating

• Laser revestimento barra para barras individuais em ambas as facetas: Dual comprimento de onda anti-reflexo parâmetros (AR) revestimento com uma camada de 8 Ta ₂ O ₅ / SiO ₂ de revestimento.
• Transmissão @ 532nm: 99,815%
• Transmissão @ 1064nm: 99,390%

Figura 8. Anti Reflection revestimento revestimento (AR), com 8 camadas de revestimento Ta ₂ O ₅ / SiO _2.

Filtro de cavidade única

Na Figura 9 abaixo pode ser visto a transmissão teórica, calculada com MacLeod em conjunto com a as-scan multicamadas depositadas medida com um espectrofotômetro

• Pico de Inclusão perda de 0.08dB
• FWHM = 2.021nm
• Centro de Comprimento de onda: 1553,4 nm,
• 40 QW é

Figura 9. Transmitância única cavidade

Espelho de três cavidades

Figura 10 abaixo mostra scan de perda de inserção versus comprimento de onda.

• Centro Wavelength 1549.8nm (ITU = 1549.72nm)
• Passe Bandwidth Band (@ - 0.5dB) = 1.07nm
• Parar Bandwidth Band (@ - 25dB) = 2.7nm
• Perda de inserção (@ 1549.7nm: 193.45THz) =-0.086dB

Figura 10. Scan de Inclusão perdas em relação aos comprimentos de onda para um espelho de três cavidades

Anel Gyroscope Laser

Figura 11 abaixo mostra scan transmissão de um espelho projetado para 633 nm a 45 °.

• Perda espelho <60ppm
• Uniformidade <± 0,0005
• Rugosidade da superfície <1a

Figura 11. Scan Transmissão de um espelho projetado para 633 nm a 45 °

Alguns de nossos clientes conseguiram perdas totais abaixo de 20 ppm para o seu anel de espelhos giroscópio a laser. Ambiente de sala limpa e otimização de processos, bem como de preparação do sistema são a chave para que as perdas totais de ser mantido ao mínimo.

A lista de aplicativos é extensa, sendo apenas alguns exemplos de ter sido mostrado. Muitos tipos de revestimentos multicamadas são viáveis ​​e, dependendo do tipo de rendimento, revestimento e de qualidade exigidos, vários meios podem ser fornecidos para monitorar e controlar o seu crescimento, tais como monitores de cristal de quartzo ou no monitoramento óptico situ.

Sumário

Como se viu acima, os principais benefícios oferecidos pelo feixe de íons de deposição são:

• Alta qualidade da superfície
• Densos filmes lisa
• Dispersão muito baixa
• Muito baixas perdas ópticas
• Correr muito bom para executar repetibilidade do processo
• Excelente uniformidade
• O máximo de flexibilidade
• Gama de aplicações

Fonte: Oxford Instruments Tecnologia Plasma .

Para mais informações sobre essa fonte por favor visite Oxford Instruments Tecnologia Plasma .