Данилин Б.С. - Вакуумное нанесение тонких плёнок, страница 4

При вращении электронных прожекторов относительно центральной оси взаимное перекрытие электронных пучков дает одинаковые плотности электронного тока на равных расстояниях от осп, обеспечивая тем самым постоянную скорость полимеризацин по всей площади подложки. Обработка пленок с помощью оптических квантовых генераторов Обработка пленок с помощью оптических квантовых генераторов [ОКГ) возможна благодаря следующим свойствам луча: точная фокусировка светового пятна (до размеров порядка длины волны света) с помощью несложных оптических систем; получение высокой плотности энергии в луче (1Ов — 10" дск/сл'), достаточной для 1а испарения любого непрозрачного материала; точная дозировка энергии излучения, позволяющая осуществлять самые различные процессы: от термической обработки поверхности до испарения материалов, и кратковременность воздействия (1О-з сек), которая обеспечивает локальность зоны нагрева и постоянные свойства прилегающих участков обрабатываемого материала.

В настоящее время в пленочной электронике в основном применяются твердотельные ОКГ с энергией излучения в несколько джоулей в импульсе н частотой следования импульсов в несколько герц. С их помощью выполняют сварку, испарение прн вакуумном напылении тонких пленок и прецизионную подгонку номиналов тонкопленочных резисторов. Сварка прн помощи ОКГ производится прп плотности энергии в луче 10' — 10' вт)~м'. Локализация зоны нагрева и кратковременность воздействия излучения не позволяют развиваться окнслительным процессам, что очень важно при сварке тонких пленок, проволоки и фольги. Сварка производится а самой различной среде (в камере высокого давления, наполненной прозрачным инертным газом, в вакууме и в других условиях).

Использование ОКГ для сварки ограничивается тем, что значительная часть материала в зоне сварки испаряется и распыляется. Характер испарения и количество нспаряемого материала зависят от теплопроводности и отражательной способности поверхности данного материала. Так, например, медь, алюминий и ряд сплавов вследствие низкого давления паров и высокой теплопроводности довольно легко свариваются с помощью ОКГ, а титан и бериллий — плохо. Металлы группы железа занимают промежуточное положение. Основным преимуществом использования ОКГ для нагрева веществ с целью их испарения и последующего осаждения является краткозремениость нагрева. Так, например, при интенсивности излучения 1О' вт/сл' поверхность материала нагревается до температуры кипения за время 10-з — 10-' сек.

В связи с этим различные компоненты сложного соединения испаряются практически одновременно, несмотря на значительное разли~ие температуры кипения каждого компонента. Скорость разлета частиц, испаренпых с помощью луча ОКГ, до* стигаег нескольких километров в секунду. Это обеспечивает практически одновременное осаждение паров разя~ 19 личных компонентов на подложку и их последующее взаимодействие, в результате которого образуется исходное сложное соединение того же самого стехиометрического состава. Прецизионная подгонка пленочных резисторов с помощью ОКГ путем испарения лишней части проводящей металлической пленки позволяет получить номинал сопротивления с точностью 0,057„в то время как различные механические приспособления в лучшем случае обеспечивают точность О,О 7о . 1-3, КАТОДНОЕ РАСПЫЛЕНИЕ Для нанесения тонких металлических пленок методом катодного распыления используется явление разрушения катода в результате его бомбардировки нонизированнымн молекулами разреженного газа.

Прннципиальная схема такой установки показана на рнс. 1-5. Подложки для получения пленок того или иного материала помещают на металлическую (обычно алю- 8 миниевую) пластинку. Ка- тодом служит пластина, сет- 8 ка илн решетка, изготовленные из материала, подвергаемого распылению. Подложки помещают на определенном (в зависимости от условий распыления) расстояния от катода.

Из объ. м ема установки откачивают 18 9 ~ 12 воздух. Напыление пленки производят при давлении Рнс. !.о. Установка лла по- 10 ~ 10-' лтм рт. ст. в осталученпя тонких пленок путеы катопного распыления. точноЙ атмосфере воздуха т — колпы: у — базовая плитз; НЛИ В ИНЕртНОМ ГаЗЕ, ЧащЕ 5 — катол, т — заземленный зкоаг', всего В аргоне.

Т(ззя зажига- 5 — заземленный знол 5 — под- ложки; 7 — резистивиый нагрева- Ния тЛЕЮщЕГО разряда мЕж- телз подпои.ек;  — заслонка; р— манометр сопротивления; м- ду катОдоМ И аНОдсм ЧЕРЕЗ ионизационный маггометр, 11 — пол- ОграничителЬНЫЙ резиСТор вод инертного газа; Гд — подвод реантявиаго газа; М вЂ” фланец вы- ПодаЕТСя ВЫСОКОЕ Нанряжв соковакуумного затвора; М вЂ” вра- щаыгцяйся ввод. ние от 1 до 20 кв. 20 Для получения оптимальных условий распыления подбирают соответствующее соотношение между тремя величинами: расстоянием между катодом н анодом, приложенным напряжением и давлением газа. Преимущество катодного распыления перед термическим испарением в вакууме заключается в том, что с его помощью можно получить большую поверхность и равномерность толщины полученных пленок.

Это связано с тем, что при катодном распылении материал напыляется на подложку не с точечного источника, а с плоской поверхности катода, размеры которого могут значительно превышать расстояние от катода до подложки. Не менее важным достоинством данного способа распыления является постояянь1й химический состав распыляемого материала, в то время как прн термическом испарении материала его компоненты испаряются с различной скоростью, вследствие чего состав пленки сильно отличается от состава исходного материала. 1Путем катодного распыления удается получать пленки тугоплавких металлов. Для получения нитридов тугоплавких металлов применяется разряд в смеси аргона с азотом, для получения карбидов — смесь аргона с метаном или аргона с окисью углерода.

Поскольку такие металлы, как титан, тантал, цирконий и ниобий, являются хорошими газопоглотителями, то даже при распылении в атмосфере аргона без специальной добавки реактивного газа образуются пленки, удельное электрическое сопротивление которых больше, чем удельное сопротивление распыляемого металла. Эти пленки имеют такую же структуру, как и сам распыляемый металл, а растворенные в них атомы газов, не вытесняя атомов металла из кристаллической решетки, располагаются в промежутках между ее узлами.

При распылении тантала небольшая добавка азота к аргону приводит к образовагшю в пленке между узлами кристаллической решетки азота. При увеличении примеси азота образуются нитрнды тантала. Добавление к основному газу небольшой порции реактивного газа (азота, кислорода, окиси углерода или метана) резко меняет электрические свойства напыляемых пленок, На рис. 1-6 показаны зависимости удельного сопротивления пленок, полученных катодным распылением тантала в атмосфере аргона (давление 1,5 10 — ' млг рт.

Ст.) в зависимости от парциального давления реактивного газа. 21 3 г 1 аг Рис. 1-а. Зависимость удельного сопротивления пленок, полученных казенным распылением тантала в аргоие, ог парииальиого давления кислорода, азота, акаси углерода и метана. Как и в случае азота, первоначальное изменение электрических свойств танталовых пленок объясняется растворением кислорода между узлами кристаллической решетки. Резкое возрастание удельного сопротивления и падение температурного коэффициента сопротивления при высоких давлениях кислорода происходят вследствие образования изоляционных слоев пятиокиси тантала, которые обволакивают отдельные частицы тантала.

В результате по мере окисления пленки ее сопротивление резко возрастает, и она приобретает свойства пятиокиси тантала !изолятора). 22 Температурный коэффициент сопротивления чистой танталовой пленки первоначально имеет положительную величину. По мере образования нитридов он уменьшается. Прп парциальном давлении азота 3.

10-' мм рг. сг. ааа он становится отрицательным и при дальнейшем увеличении парциального давления азота практически не изменяется. Добавка азота к инерте ааа ному газу значительно повышает стабильность пленочньах сопротивлеч заа ний. Например, после 100 ч работы танталовая Таг за' газ 1 ос! оирииорыое оозоееие р.о иа. протнвление на !в ого газо,.и.иргз ооз а пленка нз ингрида тантала — лишь на 0,О!в 0,05агы Вще ббльшее влияние на изменение электрических свойств пленок оказывает кислород. Зависимость удельного сопротивления от парциального давления кислорода имеет экспоненциальный характер (рис. 1-6).