Tермовакуумное напыление тонких пленок
Тонкие пленки обычно получают методами вакуумного напыления, причем, по способу превращения вещества в газообразное состояние методы вакуумного нанесения подразделятся на термическое вакуумное испарение, катодное и ионно-плазменное распыление. Термовакуумное испарение широко используется как для выращивания эпитаксиальных монокристаллических пленок осаждаемых на монокристаллические подложки (из германия, кремния, сапфира и т.д.), так и для нанесения поликристаллических и аморфных пленок (металлических, резистивных, диэлектрических и полупроводниковых), получаемых осаждением на неориентирующие диэлектрические подложки (из стекла, ситалла, керамики). Свойства тонких пленок, как правило, значительно отличаются от свойств объемного материала. Это различие обусловлено целым рядом факторов: пленки имеют большое отношение поверхности к объему, вследствие чего состояние поверхности в очень сильной степени влияет на характеристики пленки; микроструктура тонких пленок за счет специфических условий нанесения отличается от микроструктуры массивного материала (пленки обычно имеют более высокую плотность дефектов, а иногда даже имеют совершенно иное строение); часто тонкая пленка в действительности не является сплошной, а состоит из множества мельчайших островков, расположенных очень близко друг к другу, и система таких островков в этом случае обнаруживает совершенно иные электрические свойства. Рост пленки одного вещества на поверхности другого материала (подложки) представляет собой очень сложный процесс, зависящий от большого числа факторов (параметров): структуры и материала подложки, состояния ее поверхности, температуры подложки, свойств осаждаемого вещества и скорости его осаждения (кинетической энергии ударяющихся о подложку атомов и плотности потока осаждаемых атомов), степени разряжения и состава остаточной газовой среды в рабочей камере, а также рядом других факторов.
Понимать взаимосвязь физических условий нанесения планок иих структуры c эдектрофизическими свойствами (в данном случае резистивных пленок) крайне важно, так как процесс нанесения пленок должен быть воспроизводимым, т.е. обеспечивать неизменность свойств пленок, (в данном случае - удельного сопротивления квадрата поверхности пленки) от напыления к напылению и в процессе эксплуатации микросхемы.
Резистивные пленки изготавливаются из чистых металлов (хром, тантал, титан, вольфрам, рений и др.), сплавов и соединений (нихром, металлосилицидные резистивные сплавы типа PC и МЛТ), керметов, представлшщих собой смеси металлов и диэлектриков, а также сильнолегированных полупроводников.
Во многом свойства пленок определяются их структурой. В зависимости от ряда факторов пленка может образовывать следующие структуры:
а) аморфную, характеризующуюся отсутствием кристаллической решетки;
б) поликристаллическую, состоящую из зерен (кристаллитов), в зависимости от размеров зерен различают мелкозернистую (< l0 нм) и крупнозернистую (>10 нм) структуры;
в) монокристаллическую, когда вся пленка представляет собой сплошную кристаллическую решетку атомов материала.
Тонкие резистивные пленки имеют, как правило, зернистую структуру, причем, размер зерен , а также наличие дефектов структуры влияют на их удельное поверхностное сопротивление.
В процессе термовакуумного напыления можно выделить три фазы:
а) образование атомарного потока вещества;
б) распространение паров испаряемого вещества от испарителя к подложке;
в) конденсация паров испаряемого вещества на подложке и образование пленочной структуры.
Испарение вещества происходит при его нагревании в вакууме до температуры, когда кинетическая энергия его атомов становится достаточной для преодоления энергии их связи с поверхностными атомами, отрыва от поверхности и распространения в окружающем пространстве.
За температуру испарения вещества принимают температуру, при которой давление паров вещества над его поверхностью составляет 10 -2 мм рт.ст.
Скорости испарения различных материалов значительно отличаются друг от друга, что вызывает определенную трудность при изготовлении термовакуумным методом тонких пленок из бинарных и более сложных сплавов, т.к. различные компоненты сплава испаряются с различными скоростями, что приводит к нарушению стехиометрии (пропорциональности весового состава вещества его химической формуле) получаемой пленки.
Нa практике испаряемые вещества нагревают до температуры, выше температуры испарения, чтобы увеличить скорость испарения. Однако следует иметь ввиду, что при большой скорости испарения давление паров над испарителем возрастает до такой степени, что к подложке направляется не атомный поток, а «туман», состоящий из мельчайших капелек вещества –(многоатомных комплексов с числом атомов 2 - 6 и выше).
Таким образов, при чрезмерно форсированном режиме испарения на подложку могут попадать капельки вещества, что приводит к резкому изменению условий образования пленки и, как следствие, к изменению ее физических свойств.
Распространение паров испаряемого вещества в первую очередь зависит от степени вакуума в рабочей камере. Степень вакуума определяется средней длиной свободного пробега атомов (молекул) газа l к характерному размеру вакуумной системы L:
l /L< 1 - низкий вакуум (до 10-1 мм рт.ст.);
l/L≈ 1 - средний вакуум (10-2 -10-4 мм рт.ст.)
l/ L>> 1 - высокий вакуум (10-5-10-8) и сверхвысокий вакуум (10-9 мм рт.ст. и выше),
где L - расстояние между испарителем и подложкой, обычно составляющее 50-500 мм.
Для конденсации в вакууме стремятся использовать прямолинейное движение атомарного потока, для которого справедливы законы Ламберта-Кнудсена:
1) интенсивность испускания частиц с поверхности испарителя под углом φк нормали этой поверхности пропорциональна cosφ;
2) количество испарившихся атомов, достигающих подложки в единицу времени, при точечном испарителе обратно пропорционально квадрату расстояния от испарителя до подложки.
Таким образом, необходимая степень вакуума в промышленныхустановках должна лежать в пределах 10-4 -10-6 мм рт.ст. (l= 547 – 54700 мм).
Напыление при низком и среднем
вакууме дает нечеткое изображение
маски на подложке, т.к. испаряемые атомы
вследствие частого столкновения друг с другом
и с молекулами остаточного газа движутся хаотически
по ломанным траекториям и будут осаждаться на подложке в области тени.
Кроме того при напылении пленок в низком и среднем вакууме структура их получается «рыхлой» вследствие наличия в пленке поглощенных молекул остаточных газов, которые осаждаются на подложке вместе с атомами испаряемого вещества и оказываются «замурованными» внутри пленки. Между атомами испаряемого вещества и атомами остаточных газов создаются валентные связи, которые делают эти соединения весьма прочными. Способность атомов испаряемого вещества вступать в реакции с атомами остаточных газов, находящихся рабочей камере, говорит о недопустимости эксплуатации вакуумных установок с заметным натеканием воздуха, даже если за счет высокой производительности насоса можно поддерживать нужную степень вакуума.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
