Сравнительная характеристика методов
формирования тонких пленок в вакууме
Метод осаждения |
Плотность осаждаемого потока, см-3 |
Энергия час- тиц в потоке, эВ |
Максимальная скорость осаждения, нм/с |
Термическое испарение |
1021 |
0,2 |
100 |
Ионно-плазменное распыление: магнетронное плазмотронное (с применением импульсного плазменного ускорителя) |
1023
1024 |
50
103 |
300
105 |
По своей сути системы для МР и ПР являются усовершенствованными диодными системами, эффективно работающими при давлениях до 1∙10-2.Па
Устройством для генерации плазмы в первом случае является магратрон (рис.2), а во втором случае - импульсный плазменный ускоритель (ИПУ). Наличие скрещенных электрического и магнитного полей в магратроне обеспечивает циклоидальное движение электронов в магнитной ловушке вблизи мишени, в результате чего возрастают .интенсивность ее бомбардировки и скорость распыления. При этом исключаются неконтролируемый нагрев подложек и их повреждение частицами плазмы, а кроме того, возможна замена высоковольтного оборудования низковольтным.
Скорость осаждения и равномерность пленки при МР зависят от эмиссионных характеристик источника электронов, мощности разряда, места локализации плазмы, геометрии мишени, углов распыления и осаждения, расстояния от мишени до поверхности подложки и других факторов.
В системах для ПР вакуумный дуговой разряд является источником плазмы (рис.3), состоящей из электронов, паров и ионов распыляемого вещества. Процессы, протекающие в разрядном пространстве, сложны и зависят от геометрии материала электродов, режимов и способов зажигания разряда и т.п. [2].
Технологический процесс получения тонкопленочных элементов мсб методом термического испарения в вакууме
Как отмечалось ранее, осаждение одного материала на поверхность другого (т.е. на подложку) с сохранением стехиометрического состава и без отслаивания (т.е. с высокой адгезией) осаждаемого вещества - процесс весьма сложный, зависящий от множества факторов, трудноконтролируемых при изготовлении тонкопленочных структур МСБ. Поэтому важно знать влияние технологических факторов на структуру и свойства получаемых пленок.
Технология получение тонкопленочных элементов МСБ термовакуумным испарением включает следующие этапы:
подготовку к работе вакуумной установки;
подготовку к работе подколпачного устройства (рабочей камеры);
подготовку навесок и испарителей;
подготовку подложек и масок (последнее - при необходимости);
проверку средств технологаческого контроля (проверка и зачистка контактов зондирующих устройств, крепления ламп подогрева подложек и т.п.);
установку испарителей, подложек, масок (при необходимости) и навесок по местам в рабочей камере;
вакуумирование рабочей камеры установки, прогрев и обезгаживание навесок и подложек;
контроль технологических параметров процесса перед началом напыления;
напыление материалов в требуемой операционной картой после довательности;
термостабилизацию;
отключение высокого вакуума и прогрев подложек;
контроль сопротивления по "свидетелю" перед разгерметизацией;
разгерметизацию рабочей камеры и извлечение подложек с пленками;
оценку качества полученных пленок (в том числе измерение требуемых параметров);
смену масок и повтор пп. 7-14, если требуется нанесение двух и более материалов с применением съемных масок.
Рассмотрим подробнее назначение отдельных этапов. Для получения пленок заданных состава и структуры необходимы соответствующие условия вакуума. В случае осаждения электропроводящих слоев из легкоокисляющихся металлов требуется вакуум с давлением остаточных газов не более 1,33∙10-3 Па, причем для получения чистых пленок необходимо вести осаждение с высокой скоростью. В атмосфере остаточных газов вакуумной камеры присутствуют пары воды, углекислый газ, кислород, водород и другие элементы, способные вступить во взаимодействие с осаждаемыми материалами и подложками. Поэтому перед напылением надо провести обезгаживание рабочей камеры, включив систему подогрева.
По способу нагрева испаряемого материала испарители классифицируют на: резистивные (рис.4), радиационные, индуктивные, электронно-лучевые и др.
Резистивные испарители при прохождении через них больших токов (50 - 60 А) нагреваются, и тепловая энергия передается непосредственно испаряемому материалу. Главным достоинством резистивных испарителей является простота их конструкции. Простейшие нагреватели изготавливают из тугоплавких материалов (вольфрама, тантала, молибдена).
Материал испарителя должен обладать следующими особенностями:
обеспечивать малое давление его паров (при рабочей температуре) по
сравнению с давлением паров испаряемого материала (отличие должно быть не менее двух порядков);
не вступать во взаимодействие с испаряемым материалом;
хорошо смачиваться испаряемым материалом;
удерживать испаряемый материал в расплавленном состоянии.
Перед установкой испарителя в рабочую камеру необходима его химическая очистка во избежание загрязнения испаряемого материала в процессе испарения и для удаления окислов с поверхности материала испарителя. Химическая обработка проводится в стандартных травителях, выбираемых с учетом конкретного материала испарителя, чаще всего травителями являются слабоконцентрированные растворы кислот. Аналогично проводят химическую очистку испаряемых материалов. Маски очищают перед каждым напылением, протирая их батистовым тампоном, смоченным в этиловом спирте.
Материал и состояние поверхности диэлектрической подложки оказывают в ряде случаев решающее влияние на электрофизические и механические свойства наносимых пленок, что существенно сказывается на электрических параметрах пленочных элементов и всей МСБ. Поэтому к материалу подложки предъявляются следующие требования:
хорошие диэлектрические свойства, такие как высокое объемное и поверхностное удельное сопротивление, малый тангенс угла диэлектрических потерь, низкая
диэлектрическая проницаемость;
высокая механическая прочность: возможность механической обработки (до 13 - 14-го класса) и в то же время достаточная твердость, но не хрупкость;
высокая нагревостойкость;
хорошая теплопроводность: обеспечение хорошего теплоотвода от пленочных элементов в условиях эксплуатации МСБ;
высокая тепловая и химическая стойкость, обеспечивающая выдерживание термоударов и исключающая разрушение подложки при воздействии на нее агрессивных сред;
температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), близкий к ТКЛР наносимой пленки.
В производстве гибридных тонкопленочных МСБ применяются подложки из стеклокерамики (ситалла), стекла, глазированной керамики, поликора, сапфира и других материалов. В настоящей лабораторной работе используются подложки из ситалла.
Химическая обработка подложек проводится с целью удаления органических и других загрязнений обеспечения хорошего сцепления поверхности подложки с пленкой (т.е. высокой адгезии). Применение сильных окислителей (хромпика, царской водки и др.) для химической обработки ситалла исключено, так как они нарушают микрорельеф поверхности подложки и изменяют класс ее обработки. По этой причине употребляют "мягкие" окислители типа перекиси водорода, смешанной с водным раствором аммиака, а также другие технологии очистки, например, синтанол в сочетании с перекисноаммиачной смесью и применением ультразвука.
Моющее действие перекиси водорода заключается в ее способности окислять жиры на поверхности подложки выделяющимся кислородом, до соединений, легко растворяющихся в воде. Перекисноаммначный водный раствор готовят следующего состава: 2,5 л Н2О, 800 мл 30%-ная Н2О2, 16 мл 25%-ный NH4OH. Отмытые подложки сушат с помощью центрифуги в специальном оборудовании или термошкафу.
Кроме химической обработки, используется ионная очистка поверхности подложек в тлеющем разряде или пучком ионов в вакуумной установке перед процессом осаждения пленок. Ионную очистку сопровождают такие химические явления, как разложение и диссоциация под действием разряда загрязняющих подложку соединений с образованием летучих компонентов, химические реакции в присутствии активных газов, восстанавливающих или окисляющих загрязнения, и др.
Выбор режимов испарения материалов является едва ли не самым важным для получения качественных пленок, поскольку он в значительной степени влияет на структуру, состав и электрофизические свойства получаемых пленок.
При термическом испарении сплавов, как правило, возникают трудности, связанные с получением структуры и состава осаждённых пленок, аналогичных исходному материалу. Самый эффективный способ (для рассматриваемого метода получения пленок) приближения состава и структуры осаждаемой пленки к исходному материалу - это использование дискретного (взрывного) испарения в вакууме. Одной из разновидностей дискретного испарения является вибродозирование, позволяющее создать при термическом испарении молекулярный поток, близкий по составу к стехиометрическому. Экспериментально это достигается непрерывной подачей малых доз порошка сплава на перегретый испаритель. При этом каждая частица испаряется возгонкой и суммарный поток вещества соответствует стехиометрическому. Основными условиями поддержания средней скорости осаждения материала являются постоянная скорость подачи порошкообразного материала на испаритель и. выдерживание температуры испарителя на уровне, необходимом для превышения скорости испарения материала над скоростью его подачи. В настоящей работе в качестве устройства подачи
многокомпонентного материала используется вибропитатель (вибробункер).
Формирование пленок осуществляется при конденсации испаряемого вещества на подложке, нагретой до температуры, необходимой для равномерной миграции осаждающихся частиц по подложке и закрепления их на ее поверхностных уровнях с образованием прочных химических связей (адгезионного сцепления). Подогрев подложки должен быть достаточным для получения прочного адгезионного сцепления, а перегрев ее может вызвать процесс реиспарения (обратного испарения, т.е. отражения от подложки частиц атомарного (молекулярного) потока без их конденсации).
В зависимости от соотношения скорости зародышеобразования и скорости роста островков можно получать пленки различной структуры. Более плотные ("не рыхлые") мелкозернистые пленки получают при высоких скоростях испарения исходного материала. Однако скорость испарения должна быть оптимальной, т.е. не настолько большой, чтобы привести к реиспарению и дефектности пленки, но в то же время достаточной, чтобы пленки были плотными. При низких скоростях испарения будут заметно расти отдельные кристаллиты в пленке (появляется крупнозернистость), в результате образуется "рыхлая" структура с большим количеством пор.
Таким образом, выбор оптимальных скорости испарения материала и температуры подложки важен, для формирования качественной (бездефектной) пленки, так как структура пленки непосредственно влияет на ее стабильность и величину электрофизических параметров. Это связано с основным механизмом электропроводности тонких пленок - прохождением носителей заряда через контакт между зернами.
Характеристики широко используемых в тонкопленочной технологии резистивных материалов и тонкопленочных резисторов, полученных на их основе, приведены в табл.4. В данной лабораторной работе применяется сплав РС-3710, с ρs = 1000 Ом/м2.
Для создания коммутационных слоев используются многослойные пленочные структуры. В них высокая адгезия к подложке достигается применением адгезионного подслоя (хром, титан, ванадий). В качестве основного проводящего слоя обычно служит медь либо алюминий (в данной лабораторной работе - медь). Из-за сильного окисления напылённых медных и алюминиевых проводящих пленок на их поверхности иногда напыляют третий проводящий слой из никеля или золота. Толщина всех слоев составляет не более 1,5 мкм.
Таблица 4