Глава 7

МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

Свойства материалов, используемых для изготовления ме­таллических слоев, зависят и от условий их нанесения. Для нанесения металлических пленок можно применять многие ме­тоды: термическое испарение материалов в вакууме, катодное распыление, реактивное распыление в среде остаточных моле­кул реактивного газа, ионно-плазменное распыление, магнетрон-ное распыление и др.

Получение высококачественных и воспроизводимых по элек­трическим параметрам металлических пленок является одним из важнейших технологических процессов формирования струк­тур как дискретных диодов и транзисторов, так и активных и пассивных элементов ИМС.

Таким образом, от совершенства технологических процессов нанесения тонких пленок металлов в значительной степени за­висят надежность и качество изделий микроэлектроники, тех­нологический уровень и экономические показатели их произ­водства.

При нанесении тонких пленок в вакууме используют два метода генерации потока частиц в вакууме: термическое испаре­ние и ионное распыление (см. рис. 7.1). При первом методе используют испарители с резистивным или электронно-лучевым нагревом, а при втором - системы диодного или магнетронного распыления.

7.1. Термическое испарение материалов в вакууме

Метод получения пленок путем испарения вещества в ваку-уме и последующей его конденсации на подложке, который иног­да называют методом термовакуумного испарения, является од­ним из универсальных методов получения тонких пленок. Он пригоден для получения проводниковых, резистивных, диэлект­рических и полупроводниковых пленок. Процесс происходит в условиях глубокого вакуума, чем обусловлена высокая чистота наносимых пленок. Возможность контроля и управления про­цессом напыления пленок в вакууме обеспечивает воспроизво­димость структуры и свойств пленок, получаемых при испаре­нии различных материалов.

Для получения пленок используется вакуумная камера, от­качиваемая до давления р_ост. Частицы в виде атомов или моле­кул в вакуумной камере свободно распространяются от испари­теля, образуя атомарный (молекулярный) поток пара. Дости­гая подложки, частицы конденсируются на ней. Свойства полу­чаемой пленки зависят, в том числе, и от температуры подлож­ки. Обычно подложка подогревается с помощью специального нагревателя. Для перекрытия потока пара, поступающего на подложку, служит заслонка. Чтобы исключить запыление сте­нок камеры, используется ограничивающая труба. Параметрами процесса являются температура испарителя и определяемая ею плотность потока пара, скорость напыления, зависящая как от температуры испарителя, так и от взаимного расположения ис­парителя и подложки, температура подложки, давление оста­точных газов в камере. Распределение испаряемых частиц по скорости и по энергии описывается функцией Максвелла-Боль-цмана. При этом средняя скорость частиц равна:

(7.1)

а средняя кинетическая энергия частиц:

(7.2)

где k - постоянная Больцмана; Т - температура вещества в испарите­ле; m - масса частицы.

Вакуумные условия в рабочей камере должны обеспечивать формирование чистых пленок испаряемого вещества. Для этого достаточно, в первом приближении, чтобы в пролетном про­странстве испаритель-подложка отсутствовало столкновение ато­мов (молекул) вещества с молекулами остаточного газа. Сред­няя длина свободного пробега частиц зависит от давления сле­дующим образом:

(7.3)

где р_r - давление газа, d_ч - эффективный диаметр частиц, примерно равный сумме радиусов двух сталкивающихся частиц; Т - температу­ра газа, равная температуре стенок камеры.

Вероятность для молекулы вещества преодолеть расстояние r_o от испарителя до подложки без столкновения с молекулами остаточного газа:

(7.4)

Реальный размер r_o в установках вакуумного напыления не превышает 30 см. Исходя из требования отсутствия столкнове­ний в пролетном пространстве, что соответствует величине Р≥ 0,95, достаточно, чтобы давление в камере было р_г = 10~³ Па.

Следует учесть также постоянную бомбардировку подложки и растущей пленки молекулами остаточных газов. Остаточные газы вступают в химическое взаимодействие с атомами напыля­емого вещества или адсорбируются, ухудшая адгезию и образуя дефекты в пленке.

Для подавления отрицательного действия остаточных газов следует уменьшать давление в камере и увеличивать ско-рость напыления. Важными при выборе степени разряжения в рабочей камере являются экономические соображения. Для производственных условий приемлемым является вакуум 1,310^-4...7,0∙10^-5 Па, который достигается относительно про­стыми откачными средствами; время откачки составляет 1...1,5

часа. Переход к более высокому вакууму требует значительно­го увеличения длительности откачки или использования более производительных, но и значительно более дорогих средств от­качки.

Кроме остаточной атмосферы загрязнения возможны за счет молекул летучих соединений, имеющихся в вакуумной камере. Молекулы других соединений выделяются при прогреве дета­лей внутрикамерного устройства, при прогреве испаряемого ма­териала; летучие углеводороды поступают из масел вакуумных насосов. Для уменьшения их влияния используется прогрев и обезгаживание внутрикамерного устройства и испарителей, пред­варительное испарение вещества на заслонку; насосы и камера снабжаются ловушками паров масел, поглотителями активных газов.

Стабилизация вакуумных условий и технологический ре­жим испарения материалов являются необходимыми фактора­ми достижения воспроизводимых структур и свойств напыляе­мых пленок.

Метод термического испарения давно и успешно использует­ся в различных областях техники, в том числе для создания дискретных полупроводниковых приборов, радиоэлектронных эле­ментов и компонентов интегральных микросхем с хорошо вос­производимыми электрическими параметрами.

Достоинствами данного метода являются: возможность по­лучения пленочных структур на подложках и ранее сформиро­ванных функциональных слоях, изготовленных из различных металлов, диэлектриков и полупроводников, хорошая адгезия напыляемых пленок, разнообразие методов контроля толщины и скорости напыления пленок, наличие соответствующей конт­рольно-измерительной и регулирующей аппаратуры, мaлый уровень загрязнений при проведении технологического процес-са, возможность варьирования в широких пределах режимами нанесения пленок.

Более высоким температурам подложки и меньшим темпе­ратурам плавления распыляемых материалов соответствует боль­шее значение величины критического радиуса и при прочих рав­ных условиях, более высокое значение критической скорости

нанесения. А это значит, что пленки тугоплавких металлов, характеризующихся малыми значениями критического радиуса зародыша, образуют «электрически сплошную» проводящую структуру в более тонких слоях, поскольку характерная для них высокая плотность зародышей на поверхности подложки при равном количестве конденсированного вещества создает не­обходимые условия для туннельной и термоэмиссионной про­водимости.

Процессы старения тонких пленок в основном сводятся к фазовым физико-химическим и полиморфным превращениям, в результате чего может меняться тип кристаллической решет­ки пленки, агрегатное состояние неравновесных и метастабиль-ных фаз, приводящее к внутрифазовым макро- и субструктур­ным изменениям, сопровождающихся изменениями дискретнос­ти структуры, взаимной ориентации микрокристаллов, перерас­пределением точечных, линейных, поверхностных и объемных дефектов структуры. Все эти процессы приводят к изменению физико-химических свойств тонкопленочных структур в направо лении сближения их со свойствами массивных образцов и ста­билизации свойств.

Следовательно, к основным технологическим параметрам, определяющим структуру и свойства тонкопленочных слоев, получаемых термическим испарением в вакууме, можно отне­сти:

а) материал подложки и состояние ее поверхности, определяе- мое характером микронеровностей и видом адсорбирован- ных остаточных газов;

б) физико-химические свойства испаряемого вещества;

в) толщину напыляемой пленки;

г) соотношение между температурой плавления испаряемого материала и температурой подложки при нанесении пленки;

д) скорость нанесения пленки;

е) давление и состав остаточных газов в процессе нанесения и термостабилизации пленки;

ж) режимы термостабилизации пленочных структур.

Термическое напыление пленок производится в установке (см. рис. 7.2).

Процесс проведения операции термического напыления пле­нок включает в себя выполнение следующих действий. При под­нятом колпаке с подложкодержателя снимают обработанные подложки и устанавливают новые. Колпак опускают и включа­ют систему вакуумных насосов (вначале насос для предваритель­ного разрежения, затем высоковакуумный). Для ускорения де­сорбции воздуха с внутренних поверхностей и сокращения вре­мени откачки в трубопровод подают горячую проточную воду. По достижении давления внутри камеры порядка 10^-4 Па (кон­троль по манометру) включают нагреватели испарителя й под­ложек. По достижении рабочих температур (контроль с помо­щью термопар) заслонку отводят в сторону, и пары испаряемого вещества достигают подложки, где происходит их конденсация и рост пленки. Система автоматического контроля за ростом пленки фиксирует либо толщину пленки (для диэлектриков

пленочных конденсаторов), либо поверхностное сопротивление (для резисторов), либо время напыления (проводники и контак­ты, защитные покрытия). Вырабатываемый при этом сигнал об окончании напыления после усиления воздействует на соленоид заслонки, перекрывая ею поток испаряемых атомов. Далее от­ключают нагреватели испарителя и подложек, выключают сис­тему откачки, а в трубопровод подают холодную проточную воду. После остывания подколпачных устройств через натекатель плав­но впускают атмосферный воздух. Выравнивание давлений внут­ри и атмосферного дает возможность поднять его и начать сле­дующий цикл обработки.

Степень вакуума под колпаком определяет длину свободно­го пробега испаряемых частиц материала λ. Если расстояние между испарением и подложкой обозначить через h, то прямо­линейное движение испаряемых частиц можно обеспечить лишь при λ больше h. Поскольку обычно в вакуумных установках расстояние между испарителем и подложкой составляет 150...200 мм, то из условия λ больше или равно h необходимая степень вакуума составляет 1,3310^-2 Па (до 6,710^-5 Па).

Учитывая возможность десорбции молекул газа из элемен­тов конструкции установки при нагреве, обычно напыление боль­шинства материалов проводят при вакууме не ниже 2,710^-8 Па.

При термическом вакуумном напылении пленок испаряе­мые материалы нагреваются за счет прямого или косвенного нагрева. Нагрев испаряемого вещества может быть резистив-ным, индукционным, электронно-лучевым, электронной бомбар­дировкой.

Испарители с резистивным нагревом более просты, в них легко осуществляется контроль температуры за счет тока и по­требляемой мощности.

Преимущество индукционного нагрева заключается в возмож­ности установки нагревателя вне вакуумной системы.

Электронный нагрев обеспечивает концентрацию большей мощности, но испарители электронным нагревом, как правило, характеризуются более низким КПД и высокой стоимостью.

Для испарения тугоплавких материалов применяются в ос­новном испарители с электронным нагревом, которые подразде-