Данилин Б.С. - Вакуумное нанесение тонких плёнок, страница 11

В связи с этим представляют интерес такие конструкции испарителей, которые позволяют отфильтровать из молекулярного пучка все микроскопические частицы, прежде чем этот пучок достигнет подложки. При опробовании различных металлов в качестве обкладок для тонкопленочных конденсаторов было уста- 53 новлено, что металлы с высокой температурой пснарення (например, никель и хром) вызывают большое число коротких замыканий между обкладками. Это объясняется тем, что атомы этих металлов, обладая прн испарении высокой энергией, пронизывают диэлектрический слой. В то же время золото, обладающее невысокой температурой испарения, также вызывает короткое замыкание изоляции, что связано с большой подвижностью атомов золота и их дпффузией по граням зерен и порам диэлектрика.

Хорошим материалом для изготовления обкладок конденсаторов является алюминий, дающий значительно меньшее по сравнении> с другими металлами количество коротких замыканий. Это объясняется низкой температурой испарения алюминия н пониженной подвижностью его атомов на поверхности подложки из-за тенденции к окислению. Следует отметить, что алюминий является универсальным материалом для изготовления конденсаторов, так как поверхностный слой алюминиевой пленки может быть легко превращен в диэлектрик путем его окисления при катодной бомбардировке в тлеющем разряде.

Полученные таким путем конденсаторы обладают малыми диэлектрическими потерями и имеют высокое пробивное напряжение. Термическое испарение в вакууме, чередуемое с так называемым плазменным аноднрованием, позволяет получать многослойные конденсаторы типа А! — А1,0, — А1. Этим же методом могут быть получены диэлектрические пленки Та>Оа, Изготовленные на основе этих пленок конденсаторы обладают высокой удельной емкостью, большим пробивным напряжением со сравнительно небольшими диэлектрическими потерями, Пленочные индуктивности.

Пленочные индуктивности получают путем нанесения на подложку спиральной дорожки из материала с высокой проводимостью. Используемый для этой цели материал, помимо минимального электрического сопротивления (повышенное сопротивление недопустимо, так как при этом снижается добротность), должен прочно сцепляться с подложкой и допускать припайку или приварку выводов с минимальным количеством флюса илн вообще без него. Ограниченная площадь подложки затрудняет получение тонкопленочных индуктпвностей выше нескольких микрогерц. 'Поэтому существует тенденция избегать 54 трудностей, связанных с проблемой получения больших номиналов индуктивностей за счет использования в пленочных микросхемах резистивно-емкостных устройств с распределенными параметрами нли же применения приборов с отрицательными сопротивлениями, которые чувствительны к частоте и могут быть использованы в качестве переменных реактивных сопротивлений в генераторах и усилителях.

Изготовление тонкопленочных микросхем с применением избирательного фотохимического травления Получение заданной конфигурации пленки методом свободной маски за счет экранирования подложки с помощью обособленно изготовленного экрана создает ряд размерных ограничений (рнс. 1-15). Рис. 1-15. Расположение элементов ири испольаоваиии метода вапылеиии через маски. о — маска олворолиой толщввьи б — маске с вовышеквой жесткостью Если через прорези а, Ь н с необходимо напылить шины равной ширины 5~ на одинаковом расстоянии Яй друг от друга, то прн небольших углах 0 толщина трафарета ~~ выбирается равной '!аоз.

Если взять ббльшую толщину маски, то ширина линии, напыленной вдали от оси испарителя, может быть значительно уже определяющей ее прорези в маске (щели а и с на рис, 1-15). Для предотвращения образования нежелательной конус- ности у краев напыляемых линий необходим также особо плотный прижим маски к подложке, при котором расстояние г), должно быть сведено до минимума.

Помимо этого, на конфигурацию напыляемого рисунка, который часто цмеет вид тонких и длинных линий (шин), суще- Яй ственнос влияние оказывает распределение термических напряжений в маске, возннкакзщнх в результате ее нагрева за счет излучения н осаждения иа ней горячего металла, находящегося в парообразном состоянии. Необходимость использования тонких, жестких и плоских масок строго ограничивает количество и характер элементов рисунка, которые могут быть нанесены па подложку. Практически путем термического испарения в вакууме через маски из пружинной стали удается получить достаточно длинные линии прп ширине нс менее 100 гнк. Такие сравнительно широкие линии уже за частую не удовлетворяют требованиям, которые предъявляются к конфигурации тонких пленок. Например, современная криотронная запоминающая ячейка представляет собой десятислойную тонкопленочную структуру с толщиной пленок 1000 — -5000 А и шириной 15 — 50 гнк.

Плотность расположения запоминающих ячеек на 1 сжз достигает 1000 — 1500 шт. Вполне понятно, что для изготовления подобного рода тонкопленочных элементов непригоден метод свободной маски, и их можно получить только путем применения избирательного фотохимического травления. На рис. 1-16 показана последовательность изготовления криотроиа методом избирательного фотохимического травления. Весь технологический процесс разбит на три основных этапа. Изготовление двух тонкопленочных вентилей (рис. 1-16,а) складывается из следующих основных операций: !) напыление пленки олова на всю поверхность подложки путем термического испарения в вакууме без применения масок; 2) покрытие всей пленки олова фоторезистом; 3) экспонирование в ультрафиолетовых лучах через контрастный фотошаблон тех областей металла, которые должны остаться; 4) проявление, при котором освобождаются от фоторезиста те участки металлической пленки олова, которые в дальнейшем должны быть удалены; 5) травление открытых участков металлической пленки олова; 6) удаление защитного слоя фоторезнстора с оставшихся частей металлической пленки.

бб Для создания изолируюгцего покрытия и образования окон (рис. 1-16,б) к перечисленным операциям добавляются: 7) покрытие подложки изолирующим светочувствительным материалом; в) Рис. 1-16. Последова~ельиость изготовления ириотроиа с применением избирательного фототравлеиия. 6) экспонирование в ультрафиолетовых лучах через контрастный фотошаблон тех областей изолирующего слоя, где должны находиться окна; 9) проявление и удаление изолиру1ощего слоя из области окон. После этого подложка готова для нанесения следующей пары металлического и изолирующего слоев, что может быть выполнено путем повторения технологических операций 1 — 9.

На рис, 1-16,и показана структура, образугогцаяся после нанесения дополнительного металлического слоя нз свинца, который соединяет ранее нанесенные вентили нз олова н образуют управлягошие шины. 57 Из девяти технологических операций только операций термического испарения проводится в высоьовакуумной установге. Все остальные операции проводятся вне вакуумной системы, что значительно повышает точность изготовления рисунка и облегчает возможность межоперационного контроля. Основное преимугдество фотохимического метода изготовления заключается в том, что количество фото- шаблонов не превышает количества используемых слоев и не зависит от числа элементов и плотности их компоновки. Существующие фоторсзисты дают возможность после экспонирования и проявления получать шины шириной в 1 мк, в то время как получение шин ну~ем терми.

ческого испарения в вакууме через механические маски ограничено шириной в 100 мк. Подтравливание слоя' металла и образование неровных краев в процессе химического травления обычно не превышает половины толщины. При толщине пленки 0,5 мк глубина подтравлнваиия составляет 0,2 мк. Таким образом, как разрешающая способность фоторезистов, так и размерные ограничения не лимитируют плотность компоновки, поскольку шины не бывают уже 15 — 20 мк. Фотошаблоны изготовляют путем уменьшения фотографическим способом чертежа, который выполнен с таким увеличением, что его дефекты становятся несущественными в уменьшенной копии.

Трудности в изготовлении фотошаблона возникают только тогда, когда максимальные размеры рисунка в 1000 раз превышают его минимальные размеры. Однако сверхпроводящие устройства состоят из повторяющихся с высокой точностью структур, которые равномерно распределены по площади подложки. Это позволяет делать чертеж только для повторяющейся части структуры, после чего можно размножить ее изображение и получить полный рисунок фотошаблона.

Передача рисунка с фотошаблона на фоторезистивное покрытие обычно производится контактной печатью, при которой фотошаблон непосредственно накладывается на подложку, покрытую слоем фоторезнста. Таким путем удается получать минимальные размеры в 10— 15 мк. При более мелких размерах малое расстояние между фотошаблоном и подложкой может привести к нежелательным дпфракционным эффектам в процессе 58 обработки фоторезиста.

Для устранения этих дефектов применяется проекционная печать, при которой исполь- зуютс я высококачественные линзы и источники света с оптическими фильтрами. Т 1 об азом,:при изготовлении тонкопленочных ия по- схем с применением избирательного фототравлени г ширину шин и, следовательно, плотность компо- лучаюг ш, стп ваку,м- новки, значительно превосходящие возможности ного напыления с использованием механических масок.

Д гим важным преимуществом этого метода являет- ся свобода выбора изолирующего матерна.. р . ругим ла. П н обыч- ном вакуумном напылении криотронов с использованием механических масок в качестве изолирующего мате- рна нала применяется моноокнсь кремния. римененне моо ноокиси крем ния объясняется тем, что она относительн легко н наносится путем термического испарения в ва- кууме, не взаимодействует с подавляющим о. ством материалов н, кроме того, процесс ее наны.тения может быть легко механизирован. Однако мопоокнсь к„емн ремння отнюдь не является идеальным изолятором.