Для студентов МГТУ им. Н.Э.Баумана по предмету Физико-химические основы нанотехнологий (ФХОНТ)Нанесение пленок в вакуумеНанесение пленок в вакууме 2018-01-09СтудИзба

Книга: Нанесение пленок в вакууме

Описание

Описание файла отсутствует

Характеристики книги

Учебное заведение
Семестр
Просмотров
229
Скачиваний
10
Размер
94,43 Mb

Список файлов

Стр. 10-11

Распознанный текст из изображения:

12 13 1Ф

2)

Рис. 5. Структуры элементов полупроводниковой ИМС:

а — транзистора, б — диода, в — резистора, г — конденсатора; 1 — тон-.

копленочный контакт, 2 — слой диэлектрика, 3 — змиттер„4 — база, Я --'

коллектор, б — катод, 7 — анод, 8 — изолирующий слой; 9 — резистяя',.

ный слой, 10 — изолирующий слой, 11 — пластина, 12, 14 — верхний и

нижний электроды конденсатора, 13 — слой диэлектрика

В качестве подложек полупроводниковых ИМС служат круглые пластины кремния, германия или арсенида гаплня, имеющие диаметр 60 — 150 мм и толщину 0,2 — 0,4 мм.

Полупроводниковая подложка является групповой заготовкой (рис. 4), на которой одновременно изготовляют большое количество ИМС, После завершения основных технологических операций ее разрезают на части — кристаллы 2, называемые также чипами. Размеры сторон кристаллов могут быль от 3 до 10 мм. Базовый срез 1 пластины служит для ее ориента« цни при различных технологических процессах.

Структуры элементов полупроводниковой ИМС вЂ” транзистора, диода, резистора и конденсатора, изготовляемых соответ- .'', ствующим легированием локальных участков полупроводника методами планарной технологии, показаны на рис. 5, а-г. Планарная технология характеризуется тем, что все выводы элементов ИМС располагаются в одной плоскости на повеухности

2 5 Ф Х б 7.;::„:8:-:: — У Ш

Рис. 6. СтРУктУРа савв~,щ.'': ' '„...'-';..' — и

:,2, -:диод, 3 — пленочные внутри-

1 — пленка диоксида к~

схемные сеединеиим.,

единении, 4,: '.':;тойкоплФючиый резистор, 5,

верхний и нижн

нижний::.:ав~е.'..-.'-роды: ™опленочного конденсатора

и диэлектрик, 8 ~.:.тт1ЩоФ16й0чййе ' контакты„9 к

пластина, 16,--'ФуайФФФф';

и одновременно соединяются в электрическую схему тонкопленочными межсоединениями. При план арной технологии проводится групповая обработка, т. е. в течение одного технологического процесса на подложках получают большое количество ИМС, что обеспечивает высокие технологичность и экономичность, а также позволяет автоматизировать производство,

В совмещенных ИМС (рис. б), являющихся вариантом полупроводниковых, на кремниевой подложке создают полупроводниковые и тонкопленочные элементы. Достоинство этих схем состоит в том, что в твердом теле технологически трудно изготовлять резисторы заданного сопротивления, так как оно зависит не только от толщины легированного слоя полупроводника, но и от распределения удельного сопротивления по толщине, Доводка сопротивления до номинального значения после изготовления резистора также представляет значительные трудности. Полупроводниковые резисторы. обладают заметной температурной зависимостью, что осложняет разработку ИМС. Кроме того, в твердом теле также весьма трудно создавать конденсаторы.

Для расширения номинальных значений сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов полупроводниковых ИМС, а также улучшения их рабочих характеристик разработана основанная на технологии тонких пленок комибинированная технология, называемая технологией совмещенных схем,

В этом случае активные элементы ИМС (можно и некоторые некритичные по номинальному сопротивлению резисторы) изготовляют в теле кремниевого кристалла диффузионным методом, а затем вакуумным нанесением пленок (как в пленочных ИМС) формируют пассивные элементы — резисторы, конденсаторы и межсоединения.

Такая технология позволяет получать большие абсолютные значении сопротивлений резисторов и конденсаторов с малыми паразитнымн связями и низкими допусками, что увеличивает быстродействие и улучшает рабочие характеристики ИМС.

~ 2.НАНЕСЕНИЕ ПЛЕНОК В ВАКУУМЕ

Процесс нанесения тонких пленок в вакууме состоит в создании (генерации) потока частиц, направленного в сторону обрабатываемой подложки, и последующей их конденсации с образованием тонкопленочных слоев на покрываемой лове хности. (У

. (Условимся для краткости называть частицами отдель- ерхные атомы или молекулы вещества или газа и различие между ними подчеркивать только в необходимых случаях.)

2Ф 11

Стр. 14-15

Распознанный текст из изображения:

ти и конструкцию установок термического испарения„является способ нагрева испаряемых материалов: резистивный (омический) или электронно-лучевой.

М е т о д ионного распыления основанна бомбардировке мишени, изготовленной из осаждаемого материала, быстрыми частицами (обычно положительными ионами аргона) . Выбитые из мишени в результате бомбардировки ...1 частицы образуют поток наносимого материала, который осаждается в виде тонкой пленки на подложках, расположенных иа .4 некотором расстоянии от мишени.

Важным фактором, определяющим эксплуатационные особенности и конструкции установок ионного распыления, является способ генерации ионов, бомбардирующих мишень. В соответствии с этим установки ионного распылении. оснащают-: 'р., ся простой двухэлектродной или магнетронной системой.

Выбор того или иного метода нанесения пленки зависцт.

от многих факторов, основным из которых являются природа и сортамент используемого материала, вид и состояние обрабатываемых поверхностей, требования к чистоте и толщине. 3 пленки, производительность процесса.

Для понимания физических явлений, происходящих при нанесении тонких пленок в вакууме, необходимо знать, что процесс роста пленки на подложке состоит из двух этапов: начального и завершающего. Рассмотрим, как взаимодействуют наносимые часпщы в вакуумном пространстве и на подложке (рис. 9) .

Покинувшие поверхность источника частицы 1 вещества движутся через вакуумное (разреженное) пространство с большими скоростями (порядка сотен и даже тысяч 'метров в секуи) к подложке 6 и достигают ее поверхности, отдавая еи при столкновении часть своей энергии (например, частица 8). Доя передаваемой энергии тем меньше, чем выше температура подложки. Сохранив при этом некоторый избыток энергии, частиц~:.

Рис. 9. Взаимодействие .осМ~- даемых частиц с подлоябсой:: 1 — частицы в вакууййоМ

пространстве, 2 — дфФФХ' частиц в вакуумном иудей:, .'"' ранстве, 3 — центр кристаллизации, 4 — адсорбираван-

ный дуплет частиц, 5 — рост кристаллита за счет мигри. рующих частиц, 6 — подлож-

ка, 7,— поверхностная миг. рация частиц, 8 — адсорбированная частица

8 вещества способна перемещаться (мигрировать) по поверхности подложки, как это показано ломаными стрелками 7.

При миграции по поверхности частица постепенно теряет избыток своей энергии, стремясь к тепловому равновесию с подложкой, и при этом может произойти следующее. Если на пути движения частица потеряет избыток, своей энергии, она фиксируется на подложке (конденсируется). Встретив же на пути движения другую мигрирующую частицу (или группу частиц), она вступит с ней в сильную связь (металлическую), создав адсорбированный дуплет 4. При достаточно крупном объединении такие частицы полностью теряют способность мигрировать и фиксируются на подложке, становясь центром кристаллизации 3.

Вокруг отдельных центров кристаллизации происходит рост кристаллитов, которые впоследствии срастаются и образуют сплошную пленку. Рост кристаллитов происходит как за счет мигрирующих по поверхности частиц 5, так и.в результате непосредственного осаждения часпщ 1 на поверхность кристаллитов. Возможно также образование дуплетов 2 в вакуумном пространстве при столкновении двух частиц, которые в конечном итоге адсорбируются на подложке.

Различные загрязнения в виде пылинок и следов органических

веществ существенно искажают процесс роста пленок и ухудпюют их

качество.

Образованием сплошной пленки заканчивается начальный этап процесса. Так как с этого момента качество поверхности подложки перестает влиять на свойства наносимой пленки, начальный этап имеет решающее значение в их формировании. На завершающем этапе происходит рост пленки до необходимой толщины.

При прочих неизменных условиях рост температуры подложки увеличивает энергию, т. е. подвижность адсорбированных молекул, что повышает вероятность встречи мигрирующих молекул и приводит к формированию пленки крупнокристаллической структуры. Кроме того, при увеличении плотности падающего пучка повышается вероятность образования дуплетов и даже многоатомных групп. В то же время рост количества центров кристаллизации способствует образованию пленки мелкокристаллической структуры.

Эти факторы обусловливают необходимость стабильного поддержания температуры подложек и скорости испарения материала.

Стр. 20-21

Распознанный текст из изображения:

объема, сталкиваясь в основном со стенками сосуда. Ударившись о стенку сосуда и пробыв очень малое время в адсорбированном состоянии, молекулы отрываются и летят в случайных направлениях. Поэтому некоторые части стенок сосуда могут быть свободны от слоя адсорбированных молекул газа.

С р е д н и й в а к у у м характеризуется тем, что средняя длина свободного пути молекул Л приблизительно равна характерному размеру сосуда с(, т. е. Л = д (рис. 11, в). Причем - ';::.;;;;.:;::,::,:,,-,'" возможны траектории движения молекул, частично присущие условиям низкого, а частично высокого вакуума. ф 4, ВЛИЯНИЕ ВАКУУМА НА ЛРОЦЕСС НАНЕСЕНИЯ ПЛЕНОК Процессы, происходящие при нанесении тонких пленок, во многом определяются степенью вакуума в рабочих камерах, характеризуемой средней длиной свободного пути частиц осаждаемого вещества. Для анализа процессов, происходящих при нанесении тонких пленок, большое значение имеет соотношение Лвфип. При этом под Лв понимают длину свободного пути частиц потока наносимого вещества, вышедшего из источника, а под Иип — расстояние от источника до подложки.

Характер движения частиц наносимого вещества в условиях среднего и высокого вакуума можно пояснить следующим Рис. 12, Движение частиц наносимого вещества в условиях среднего (а) н высокого (б) вакуума: 1 — стеклянная камера, 2, 9 — частицы, осажденные на стенку камеры, 3 — частица, осажденная на обратную сторону подложки, 4 — подложка, 5, 10 — частицы, осажденные на лицевую сторону подложки без столкновений, 6 — частица, осажденная на лицевую сторону подложки после столкновения, 7 — источник потока частиц, 8 — тень от подложки (акрана) 20

опытом (рис. 12, а, б). В нижнюю часть стеклянной камеры 1, в которой поддерживается вакуум, помещают источник 7 потока частиц наносимого вещества, а в верхнюю часть устанавливают подложку 4.

При нанесении пленок в среднем вак у у м е (рис. 12, а) частицы осаждаемого вещества имеют различный характер движения. Часть из них при движении по направлению к подложке претерпевает большое количество столкновений с молекулами газа, и траектория их движения имеет вид ломаной линии. При этом полностью нарушается первоначальная ориентировка движения частиц. В результате некоторые частицы 6 после ряда столкновений попадают на подложку. Часть частиц 5 попадает на нее без столкновений. Некоторые частицы 2 не попадают на подложку, а конденсируются на стенках камеры 1, образуя равномерное пленочное покрытие. Соударение отдельных частиц 3 может привести даже к осаждению пленки на обратной стороне подложки 4.

При нане сепии пленок в высоком вак у у м е (рис. 12, б) частицы осаждаемого вещества летят независимо друг от друга по прямолинейным траекториям без взаимных столкновений и столкновений с молекулами газа, не изменяя своего направления, и конденсируются (частицы 9 и 10) на стенках камеры 1 и поверхности подложки 4.

Условия вакуума влияют на рост пленок следующим образом.

Во-первых, если вакуум не достаточно высокий, заметная часть частиц, летящих из источника потока, встречает молекулы остаточного газа и в результате столкновения с ними рассеивается, т. е. теряет первоначальное направление своего движения и не попадает на подложку. Это существенно снижает скорость нанесения пленки.

Во-вторых, остаточные газы в рабочей камере, поглащаемые растущей на подложке пленкой в процессе ее роста, вступают в химические реакции с наносимым веществом (хемосорбируются), что ухудшает электрофизические параметры пленки (повышается ее сопротивление, уменьшается адгезия, возникают внутренние напряжения и др.) .

Рассмотрим взаимодействие атомов и молекул осаждаемого вещества и остаточного газа на подложке в вакууме. На подложку падает два разных потока: полезный — атомы осаждаемого вещества и фоновый — молекулы остаточных газов. Процессы, протекающие при одновременном пребывании на подложке молекул газа и атомов осаждаемого вещества, обусловлены их физической адсорбцией и хемосорбцией. А)~- сорбция молекулы газа на подложке, замуровывание ее атомами

21

Стр. 24-25

Распознанный текст из изображения:

Рис. И. Совмещение подложкодержателя с маской-трафаретом 15 (и), столика с подложкой (6),

держатель столика (в), маска-тра» фарет (г) и подтрафаретник (д): подложка, 4 — прижимный винт, 5 — подтрафаретник, 6 — маскай трафарет, 7„8 — держатель и основание столика, 9, 1О, 14 — жесткий, подпружиненный и шариковый упоры, 11 — выступы держателя, 12, 16 — регулируемые винты, 13 — плоская пружина, 15 — штырь, 1'7, 18 — резьбовые и базирующее отверстия, 19 — рабочее поле, 20, 21, 22— отверстия, 23 — перегородки

ИМС показаны на

арета и границь

выми линиями

лик с по

на штыр

тник (ри

сткости

ны-решет

Лицам бу

фиксаци

СОВМЕЩ

ТОМ СЛУ

уют ко

вают в держатель и

рет и подтрафаретник для придания маске

виде относительно т

23 которой распоп

) групповой маски. 21 для закрепления

отверстиям 22. соответствующей м винты 16 и 12, к дварительно добив

длОжкон и 15 ма с, 14,д) и выпол ки, перег дущих

имеются ей по баз ения по жат регу нтргайка

уст аиавли

ску-графа

служит

няется в

ородки

ИМС (плат

отверстия

пру ющим

ДЛОЖКИ С

лируемые

ми 1, пре

ки-траф

штрихо

Сто дывают трафаре рету же пласти по тра перифер жателе с

Для граф яре

фиксир

24

рис. 14, г аскойоторые шись с,

помощью инструментального микроскопа правильного положения рисунка маски-трафарета относительно кромок подложки. Чтобы маска-трафарет при нагреве в процессе нанесения пленок не деформировалась, плотно затягивают только те винты 4 (рис. 14, а), которые расположены около базового угла, а остальные не доворачивают на 0,5 — 1 виток резьбы, что позволяет маске и подтрафаретнику свободно расширяться.

После этого сборкуустанавливают на рабочую позицию установки и наносят пленку. Следует отметить необходимость наиболее плотного прижатия маски-трафарета к подложке во избежание появления зоны размытости — подпыления (рис. 15), что приводит к нарушению геометрических размеров и соответственно параметров тонкопленочных элементов.

Достоинствами этого метода является то, что маска-трафарет может быль использована многократно, и конфигурацию пленочных элементов получают непосредственно в процессе нанесения пленок, так как поток наносимого вещества осаждается только на, местах подложки, не закрьпых маской-трафаретом. Маска-трафарет является многоразовым сьемным инструментом.

Недостаток метода состоит в том, что при многократном использовании маски-трафарета в ней зарастают прорези, которые приходится очищать от осаждаемого материала, т. е. восстанавливать их размеры. При этом чем тоньше прорези в масках-трафаретах, тем быстрее они зарастают при нанесении пленок и теряют свои размеры. Недостатком является и то, что этот метод не позволяет получать элементы ИМС замкнутой конфигурации.

Основное ограничение метода свободной маски — невысокая точность топологии элементов. Это объясняется погрешностями изготовления масок-трафаретов, неплотностью их прижатия к подложкам и температурными взаимодействиями в процессе осаждения пленки. Рис. 15. Подпыление при нанесении пленок с использованием свободной маски-трафарета:

5 6 7 1 — траектория. атомов, отраженных от подложки и осевших на тыльной стороне маски-трафарета, 2 — траектория атомов, отраженных от боковых стенок окна маски-трафарета, 3 — прямое осаждение атомов, 4 — траектория атомов, отраженных с тыльной стороны маски- трафарета, 5 — требуемая конфигурация осаждаемой пленки, 6 — подложка, 7 — зона размытости„8 — свободная маска-трафарет 521

Стр. 26-27

Распознанный текст из изображения:

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

ГЛАВА ВТОРАЯ НАНЕСЕНИЕ ПЛЕНОК МЕТОДОМ ТЕРМИЧЕСКОГО ИСПАРЕНИЯ

й 6. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Несмотря на недостатки, метод свободной маски во многих случаях незаменим в технологии тонкопленочных ИМС, так как исключается действие травильных растворов на пленки, что неизбежно при фотолитографии, и, кроме того, наиболее производителен и экономичен.

М е т о д ф о т о л и т о г р а ф и и позволяет получать точные размеры элементов и поэтому применяется в основном в производстве полупроводниковых Имс высокои степени интеграции, т. е. сложных тонкопленочных структур с большим количеством элементов.

При фотолитографии с помощью фотохимических процессов на поверхности подпожек по заданному рисунку получают конфигурацию тонких слоев, При этом на поверхность, подлежа-,'; ....',,."-,.- щую локальной обработке, наносят слой специального материа-' ла — фоторезиста, способного изменять свои свойства под .:::::.::,':,:;,'"'.,':.'',.'.:-",' воздействием светового облучения. Основным рабочим инструментом фотолитографии является фотошаблон, представляющий собой плоскую стеклянную пластину, на которую нанесен требуемый рисунок в виде прозрачных и непрозрачных участков. Слой фоторезиста обпучают через фотошаблон и химически обрабатывают — проявляют. В результате этого с отдельных участков поверхности фоторезист удаляется, а оставшийся используется как маска (фотомаска) .

Фотолитографическая обработка состоит в следующем. При изготовлении тонкопленочного резистора (рис. 16, а) на исходную подножку 5 вначале наносят сплошную резистивную пленку 4, а поверх нее — тонкий слой фоторезиста 3, который сушат для удаления растворителя, и экспонируют ультрафиолетовым изучением 1 через фотошаблон 2, который совмещают с подложкой 5. Затем фоторезист проявляют, и его незасвеченные участки вымываются до слоя резистивной пленки

Рнс. 16, Схема метода фотолитографии:

а — экспонирование, б — проявление позитивного фото-

резиста, в — травление резнстивной пленки и удаление

фотомаски; 1 — направление ультрафиолетового излу-

чения, 3 — фотошаблон, 3 — слой фоторезиста, 4 - ре-

зистнвная пленка, 5 — подложка

(рис. 16, б) . Далее проводят селективиое (избирательное) травление незащищенных фоторезистом мест резистивиой пленки (рис. 16, а)., в результате которого получают требуемый рельефный рисунок резистивной пленки 4. Последней операцией фотолитографии является удаление оставшегося слои фоторезиста с подложки и получение готового резистора.

Фотошаблоны выполняют из стекла, прозрачного для ультрафиолетового излучения с длиной волны 300 — 500 нм. Важной технологической операцией при изготовлении фотошаблонов является метаплизация заготовок фотошаблонов дпя создания непрозрачного тонкого сплошного слоя, обладающего высокой адгезией к поверхности стеклянной подложки, который не должен иметь точечных дефектов в виде проколов и должен быть стойким к истиранию при совмещении с подложкой ~выдерживать 50 — 200 операций совмещения) .

Этим требованиям удовлетворяют непрозрачные пленки хрома, а также пленки на основе оксида железа„полупрозрачные для видимого и непрозрачные для ультрафиолетового излучения. Фотошаблоны на основе оксида железа называют транспарантными При толщине металлизационной пленки 0,08 — 0,15 мкм обеспечивает малая плотность дефектов рабочих фото шаблонов. Тонкопленочные хромовые покрытия наносят на заготовки фотошаблонов термовакуумным методом, а пленки оксида железа как термовакуумным, так и пиролитнческим.

1. Какие типы ИМС н их тонкопленочные элементы вы знаете.

?

2. Какие материалы применяют для изготовления подложек для

пленочных, гибридных и полупроводниковых ИМС?

3. Каков принцип действия установок для нанесения тонких пленок.

?

4. Как происходит рост тонкой пленки на подложке?

5. Какими давлениями н средней длиной свободного пути молекул

газа характеризуются низкий, средний и высокий вакуум?

б. Как получают рисунки тонкопленочных слоев ИМС?

Все вещества в зависимости от температуры нагрева могут находиться в одном из трех фазовых (агрегатных) состояний: твердом, жидком нли газообразном 1парообразном). Испарение, т. е. переход вещества в парообразное состояние, проис-

3» 27

Стр. 28-29

Распознанный текст из изображения:

Т а б л и ц а 2. Температуры плавления и испарения элементов

Рекомендуемые материалы

испарителя

Элемент Атомная

г,СТ,С

У

масса

проволоки, тигля ленты

Мо, Та

%

%,Мо

%,Та

%, Мо„Та

%,Мо, Та

%, Мо„Та, Х1

%,Мо,Та

1047 1150 1465 1205 1273 1251 443 980 2533 1510 %

961 660 1063 1800 1083 959 651 1244 2622 1455

107,9 27

197 52 63,5 72,6 24,3 54,9 95,9 58,7

А8 А1 Ав Сг' Сп Се М8* Мп Мо~* И1 28

Мо,С С,ВХ Мо,С

Мо, С, А12О

%, С. А1203

ГеС

А120з

А1202, Ег02

ходит, когда с повышением температуры средняя колебательная энергия его частиц возрастает настолько, что становится выше энергии связи с другими частицами и они покидают поверхность (испаряются) и распространяются в свободном пространстве.

Условной, практически установленной температурой испарении считается температура, при которой давление насыщенного пара вещества . - ";::;::,::::,~Ф:- составляет приблизительно 1,3 Па.

Температуры плавления и испарения наиболее важных элементов приведены в табл. 2. Из этой таблицы видно, что условная температура испарения большинства элементов выше их температуры плавления, т. е. испарение происходит из жид кото состояния. Некоторые вещества имеют условную температуру испарения ниже температуры плавления, т. е. они достаточно интенсивно испаряются из твердого состояния. Процесс пере.- хода вещества из твердого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу, называют сублимацией ~или возгонкой>.

Скорость испарения, т. е. количество вещества (в граммах), покидающее 1 см свободной поверхности в 1 с при условной температуре Т, рассчитывают по формуле

и„= 6 10'~/М~т,, (4) где М вЂ” молекулярная масса, г/моль.

По этой формуле можно определить, например, какова скорость испарения алюминия, имеющего М = 27 и Ту = 1423;

Продолжение гибл. 2

1 2 3 4 5

Р1 81 Та** ТР %аа

195

28

181

47,9

183,9

1774 1415 2996

1725

3382

2090 % 1342

ЗО7О

1546 %, Та

ЗЗО9

2дО2

ВеО, Ег02

Испаряется иэ твердого состояния (сублимируется) .

Рекомендуется испарение электронно-лучевым нагревом или

распыление ионной бомбардировкой.

ри = б 10~~27/1423 =9 10 ~ г/(см с) .

Скорость испарения большинства элементов при Т составляет 10 г/(см с). Для получения приемлемых скоростей

4 2

у роста пленки, а также экономного расходований материала (нередко дорогостоящего) следует создавать условия движения частиц испаряемого вещества преимущественно по направлению к подложке. При этом необходим достаточно глубокий вакуум, при котором исключаются столкновения молекул остаточного газа с молекулами вещества и рассеивание их потока на пути к подложке.

Поток испаренного вещества, состоящий из молекул (атомов), не претерпевающих на своем пути столкновений и рассеяний и движущихся вследствие этого прямолинейно, называют молекулярным потоком. Для определения условий существования молекулярного потока удобнее характеризовать степень вакуума не давлением остаточного газа, а средней длиной свободного пробега его молекул.

Из формулы (3) следует, что уже при давлении р = 10 2 Па средняя длина свободного пробега молекул Х составляет 50 см, что превышает реальное расстояние от испарителя до подложки (обычно не более 30 см) . Таким образом, для создания прямолинейныхтраекторий движения молекул вещества в пространстве между испарителем и подложкой необходимо давление порядка 10 ' — 10 ~ Па.

Кроме того, необходимо обеспечивать равномерность распределения толщины пленки на подложке„что является одним из основных ее параметров. Толщина пленки в данной точке подложки определяется количеством частиц, достигающих ее в единицу времени. Если бы поток наносимых частиц был одинаков на всю поверхность подложки, пленка получалась бы одинаковой толщины. Однако площадь испарителей веществ

29

Стр. 32-33

Распознанный текст из изображения:

должна быть пренебрежимо малой. Для хорошего теплового контакта материал испарителя должен хорошо смачиваться расплавленным испаряемым веществом. Между материалом испарителя и испаряемым веществом не должны происходить никакие химические реакции, а также образовываться легкоиспаряемые сплавы, так как это приводит к загрязнению наносимых пленок и разрушению испарителей.

Для изготовления испарителей промышленных установок используют тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал, молибден) .

Следует особо отметить, что алюминий, применяемый для нанесения пленок, в расплавленном состоянии обладает высокой химической активностью и взаимодействует практичес-. ки с любыми металлами, из которых изготовляют испарители. Это значительно снижает их срок службы. Поэтому такие испарители являются одноразовыми и после каждого процесса испарения их заменяют.

В испарнтелях с непосредственным ни ревом ток в несколь:- ко десятков ампер проходит непосредственно через испаряе. мый материал. Такой метод испарения может быть применен только для сублимирующихся металлов, т. е. металлов, температура плавления которых выше температуры испарения (хром, титан и др. — см. Табл. 2) .

Основное достоинство этих испарителей — отсутствие теплового контакта между их нагретыми элементами и испаряемым металлом, что обеспечивает высокую чистоту наносимой пленки. Однако они обеспечивают низкую скорость испарения, дают возможность испарять малое количество материала, который может быть использован только в виде ленты или проволоки, а также не позволяют испарять диэлектрики и большинство металлов. Сечение таких испарителей должно быть одинаковым на всем протяжении, иначе в месте утонения возникает перегрев и они перегорают.

Испаритель с резистивным непосредственным нагревом показан на рис. 18. Испаряемый материал 3 в виде проволоки или ленты вставляют в изготавливаемые из титана или нержавеющей стали и закрепляемые винтами 2 массивные контактные зажимы 1, к которым подводится электропитание. Для снижения тепловых потерь за счет излучения, а также ограничения потока пара 4 в направлении к подложке 5 служит .::::,::,:;::-'',:;.':.'!=,',:;, многослойный экран б.

Испарители с косвенным нагревом, в которых испаряемое "'- '"'-";:+~"-" вещество нагревается за счет теплопередачи от нагревателя, бо- ':. лее универсальны, так как позволяют испарять проводящие и:::. непроводящие материалы в виде порошка„гранул, проволоки, .: ленты и др, Но при этом из-за контакта с нагретыми частями 32

Рис. 18. Испаритель с резистивным непосредственным нагревом: 1 — контактный зажим, 2 — винт, 3— испаряемый материал, 4 — поток пара, 5 — подложка, б— многослойный зкран испарителя, а также из-за испарения материала подогревателя осаждаются менее чистые пленки.

Поверхность резистивных испарителей предварительно очищают, промывая в растворителях. Часто их также отжигают в вакууме. Так как форма испарителя с косвенным нагревом зависит от агрегатного состояния, в котором находится испаряемый материал, их подразделяют на проволочные, ленточные и тигельные.

П р о в о л о ч н ы е и с п а р и т е л и применяют для испарения веществ, которые смачивают материал нагревателя. При этом расплавленное вещество силами поверхностного натяжения удерживается в виде капли на проволочном нагревателе. Проволочные испарители изготавливаются У- и %-образной формы, а также спирале- и волнообразной.

Проволочный испаритель простейшей конструкции (рис. 19, а) используют для нанесения пленок алюминия, который хорошо смачивает вольфрамовый проволочный нагреватель— цилиндрическую проволочную спираль 2. Испаряемое вещество в виде скобочек (гусариков) 3 навешивают на спираль, кото- Рис. 19. Проволочные испарители косвенного нагрева с цилиндрической (и) и конической Щ проволочной спиралью: 1 — отогнутый конец спирали, 2, 6 — цилиндрическая и коническая спирали, 3 — испаряемый материал (гусарик), 4 — зажимы токоподвода, 5, 7 — цилиндрический тепловой и ограничивающий экраны

33

Стр. 38-39

Распознанный текст из изображения:

й 3. ИСЛАРИТЕЛИ С 3ЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫМ НАГРЕВОМ

Принцип электронно-лучевого нагрева состоит в том, что кинетическая энергия потока ускоренных электронов при бомбардировке ими поверхности вещества превращается в тепловую энерппо, в результате чего оно нагревается до температуры испарения.

Для образования электронного луча необходим источник свободных, т. е. не связанных с другими частицами, электронов. Для того чтобы электрон вылетел из металла наружу, его скорость должна быть направлена в сторону поверхности металла и он должен преодолеть действие снл, стремящихся возвратить его обратно в металл,

Работу по преодолению электроном поверхностных сил, стремящихся удержать его в металле, называют работой выхода. При комнатной температуре количество электронов в металле, энергия которых превышает работу выхода, ничтожно мало. Однако их количество резко возрастает при росте температуры за счет увеличения интенсивности теплового хаотического движения.

Испускание электронов металлами, нагретыми до высокой температуры, называют термозлектронной эмиссией (рис. 25, а), а выполненные из металла элементы, используемые для получения свободных электронов, — гермоэлектронными катодами, или просто катодами. Материалом катодов обычно служит вольфрамовая проволока. Дпя накала катода, помещенного в вакуумную камеру, через него пропускают электрический ток.

~г 8) рис. 25. Эффект термоэмисси (а), ускорение электронов (б) и формирование электронного луча (в): 1 — эмиттированные электроны, 2 — термокатод, 3 — стенка вакуумной камеры, 4 — изоляторы, 5 — источник питания термокатода„7 — ускоренный электрон, 6, 8 — аноды, 9 — электронный луч

Спиральный термокатод 2 закрепляют на стенках 3 вакуумной камеры через изоляторы 4, При подаче тока накала от источника 5 происходит нагрев термокатода с испусканием электронов 1. Зти электроны обладают разной энергией и направление их движения от катода хаотично. Дпя ускорения (повышения энергии) и направленного движения электронов необходимо создать ускоряющее электрическое поле.

Рассматривая движение электронов в электрическом поле, предполагают, что они находятся в достаточно разреженном пространстве. При этом взаимодействием между молекулами оставшегося в объеме газа и движущимися электронами можно пренебречь.

Как известно из электротехники, на заряженную частицу— электрон, находящуюся в электрическом поле, действует сила, пропорциональная напряженности этого поля, в результате чего частица ускоряется. Скорость (км/с), которую приобретЕт ЭЛЕКтрОН ПОд дойетВИЕМ раЗНОСтИ ПОтсицнаЛОВ с1 МЕжду двумя точками поля, равна

в

(6)

П1)и этом кинетическая энергия (эВ) электрона

и~ =язв /2р (7)

где и, — масса электрона.

В устройстве для ускорения электронов (рис. 25, б) в нескольких сантиметрах от катода размещают анод 6, создающий электрическое поле Е, направление которого показано стрелкой. Между анодом 6 и катодом 2 образуется разность потенциалов от 5 до 1О кВ. Злектроны, эмиттируемые катодом 2, притягиваются анодом б и образуют направленный поток ускоренных электронов 7.

Для формирования электронного луча 9 (рис. 25, в) используют анод 8 с отверстием, через которое проходит значительная часть электронного потока.

Рассмотрим движение электрона в магнитном поле и силу, действующую на электрон, влетающий в магнитное поле между полюсами постоянного магнита перпендикулярно силовым линиям этого поля (рис. 26) .

Движущийся электрон можно представить как электрический ток, проходящий через проводник. Тогда по известному из электротехники правилу левой руки можно определить направление силы, действующей на электрон. Если расположить левую руку так, чтобы силовые линии магнитного поля упирались в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены в сторону, противоположную направлению скорости у электрона

39

Стр. 40-41

Распознанный текст из изображения:

Рис. 2б. Движение электронов

в магнитном поле

27. Электронно-лучевой нетель:

пол

тро

ый

Го

д»

8

тон

Рнс. пари 1— злек даем мый симо като тема 9— ка

юсный нак магнит, 3 тигель, 4 тернал, 5 материала, 7 — фоку

— элект кап пленка,

оне чин — водо

— поток 6

сирующая

ровный

10 — по

то отогнутый большой палец покажет

ствующей на летящий электрон. Эта

на напряженности магнитного поля и ск

Таким образом, сила 1, действу

пендикулярна направлениям скорое

вых линий магнитного поля. Поскольк

да перпендикулярно скорости движе

няет не скорость его, а только напр

этой силы траектория движения злек

няется, т. е. искривляется (как зто п

ховой линией). Следовательно, если

тронному лучу приложить магнитное по

вправление будет про сти злект ая на эле го движе ила 1'' дей электрона ение. По на непрер зано на р рпе вцику он откло

н сила оро

ющ

ти е ус ния авл тро ока пе ле,

силь

порци

рона.

ктрои

ния и

ствует

, она

д дейс

ывно

ис. 26

лярно

нится.

ет получать болын ой иове (

Фокусировка электронного луча позволя

концентрацию мощности на сравнительи

х 10 Вт/см ), а следовательно, исварять

а г

е

кие материалы с достаточно большой скоростью.

о мал

любые, даж

рхности

самые тугопл

(рис. 27) состоит из трех ки, отклоняющей системы

чена для формифрамового тер-

а предназна тоит из воль стемы 7. Э сирующую с в между кат онный луч 8.

лектроны, эмитистему, ускоря- одом и анодом

Электронно-лучевой испаритель

основных частей: электронной пуш

и водоохлаждаемого тигля.

Электронная пушк

рования потока электронов и сос

мокатода б и фокусирующей си

тируемые катодом, прходят фоку

ются за счет разности потенциало

(до 10 кВ) и формируются в электр

40

к,2

охлажиспарле

нанормо

::-:Ф':

вса- изме- элек-

О т к л о н я ю щ а я с и с т е м а предназначена для создания магнитного поля, перпендикулярного направлению скорости движения электронов, выходящих из фокусирующей системы пушки, и состоит из полюсных наконечников 1 и электромагнита 2. Между полюсными наконечниками расположены водоохлаждаемый тигель 3 и электронная пушка. Отклоняя электронный луч магнитным полем, его направляют в центральную часть водоохлаждаемого тигля 3. В месте падения луча создается локальная зона испарения вещества из жидкой фазы. Нагретый электронной бомбардировкой материал 4 испаряется, и поток паров 5 осаждается в виде тонкой пленки 9 на подложке 10. Изменяя ток в катушке электромагнита 2, можно сканировать лучом вдоль тигля, что предотвращает образование '*кратера*' в испаряемом материале.

М е д н ы е водоохл аждае мые тигли емкостью 50 см и более обеспечивают длительную непрерывную работу без добавки испаряемого материала, который, кроме того, не контактирует в расплавленном виде с медными стенками тигля ("автотигельное испарение*'), а значит, и исключается их взаимодействие.

Электронно-лучевые испарители могут быть одно-и многотигельной конструкции, с разворотом луча на 270 и 180 . При угле отклонения электронного луча до 270' исключается попадание испаряемого материала на катод и загрязнение наносимых пленок материалом катода, который во время работы также испаряется.

Недостатки этих испарителей — сложность аппаратуры питания и управления, трудность испарения металлов высокой теплопроводности (медь, алюминий, серебро, золото) из водоохлаждаемого тигля, необходимость частой замены и юстнровки катода, а также питание высоким напряжением, что требует соблюдения соответствующих правил техники безопасности,

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каковы методы повышения равномерности распределении толщины пленки по подложке?

2. Какие типы испарнтелей с резистнвным нагревом вы знаете? 3. Какие испарителн имеют косвенный н непосредственный нагрев? 4. Как устроены проволочные и ленточные испарители?

5. Каковы особенности дискретного (взрывного) метода испарения? б. Каков принцип действия тигельных испарителей?

7. Что такое термозмнссия?

8. Как происходит ускорение электронов?

9. Каковы устройства и принцип действия электронно-лучевого испарители?

Стр. 44-45

Распознанный текст из изображения:

ти, что

к элек- '=":::.:„-',~,;

поверхнос

ый прито

я разряда.

тлеющий

ионов,

ой бомбар

пыле ни

Ь С ПОЗИ

ВОЗДЕЙСТ

оверхност

го матер

явление с

ЫХ ОДИН П

ердого тел

3 ион 1

ю Очередь

ем самы

рис. 30.

м 2 распы

а связи с

, направле

олета это

льса.

ого распыления

жается числом

ихся на один бо

до нескольких

на, его массы, уг

ерхностн.

зации метода е распростр ис темах. Ди распыления.

Принцип действия диодной (двухэлектродной) системы ионного распыления показан на рис. 31. Два основных элемеита::::::,:,':::,:,-': системы — катод 4 и анод 9 — располагаются в рабочей вакуумной камере 2.

Катод 4 через высоковольтный ввод 1 подсоединяется к'-:...'..' отрицательному полюсу высоковольтного источника. ПОД- .':,::-"-: лежащий распылению материал в виде пластины 5 прикрепляет-', .".:,-'-",-:,':, 44

ют электроны с его + обеспечивает постоянн тронов для поддержани

Таким образом, является генератором димых для эффективн катода и его распылени

Ионное рас Рис. 30. Схема ион- 30) можно объяснит ного распыления: пульсного механизма

2 — "овср" коренных ионов на и постный атом, 3 — рас. пыляемое веще ство

атомном масштабе это с ударом двух бильярдных шаров, из котор ляет собой падающий ион, а другой — атом тв ченного ионом. При распылении вещества импульс энергии его атому, который, в сво передать импульс другим атомам, вызвав т столкновений, как зто показано стрелками на

В том случае, .когда поверхностный ато вещества 3 получит достаточный для разрыв шими соседними атомами импульс энергии поверхности, он покинет ее. Направление п соответствует направлению полученного импу

Показателем эффективности процесса ионн

ется коэффициент распыления, которь1й выра

ных частиц распыляемого вещества, приходящ

рующий нон, и обычно составляет от долей единиц

Коэффициент распыления зависит от энергии ио

ния, распыляемого материала и состояния его пов

Существуют различные варианты реали ного распыления, среди которых наиболе основанные на диодных и магнетронных е системы часто называют системами катодного

Й 10. ДИОДНЫЕ СИСТЕМЫ ИОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

разряд

необхо- ДИРОВКИ

е (рис, вия уса, встре'- передает

может - 'ф-'; м каскад ляемого ближайнный От -,;"::=.::;:;:,~!',;.";. го атома

явля-"':;,:;::;-',:;~";;,"-' Ион-

Рис. 31. Схема диодной ~двухэлсктродной) системы ионного распыления: 1 — высоковольтный ввод, 2 — вакуумная камера, 3 — экран, 4 — катод, 5 — пластина (мишень), б — темное катодное пространство, 7 — положительный столб, 8 — подложка, 9 — анод, 1О патрубок к вакуумной системе, 11 — осаждаемые частицы, 12 — ионы, 13— натекатель

ся к катоду. Эту пластину обычно называют мишенью. Анод 9, находящийся под потенциалом земли, располагается на расстоянии в несколько сантиметров от катода. Подложки 8, на которые наносят пленки, закрепляют на аноде. При подаче на катод напряжения порядка 3 — 5 кВ в камере возникает тлеющий разряд.

Как уже отмечалось, для тлеющего разряда характерно определенное распределение потенциала в пространстве между катодом и анодом. Причем в основном падение приложенного напряжения происходит на темном катодном пространстве б. Ионы 12, диффундирующие к границе положительного столба 7, попадают на границу темного катодного пространства и, ускоряясь в нем под действием электрического поля, бомбардируют мишень (катод). Выбиваемые из нее частицы 11 распыляемого вещества летят в направлении к аноду 9 и осаждаются на подложке 8 в виде тонкой пленки.

Скорость нанесения тонких пленок в диодных системах составляет около 0,$ нм/с.

Как катод, так и анод охлаждаются проточной водой, что предохраняет их от перегрева. Кроме того, с обратной стороны мишени на расстоянии 3 — 5 мм расположен экран 3, локализующий разряд только'на ее лицевой стороне. Поэтому задняя часть катода не подвергается ионному распылению.

Размером Ик темного катодного пространства определяется минимальное расстояние между мишенью и подложкой, которое обычно составляет от 3 до 5 см. Если это расстояние меньше, разряд гаснет, так как путь, проходимый электронами между катодом и анодом, слишком короток для создания достаточного количества ионов и электронов.

Для предварительной откачки до вакуума порядка 10 ~ Па

45

Стр. 46-47

Распознанный текст из изображения:

,„.4~,„ и последующего подцержания рабочего давления порядка.:.:.:",::,',-;!~<.:", 1 — 10 Па служит откачная система, подсоединяемая к патруб-:-:"':;„;:,."

у',~'. ку 10. Рабочий газ вводят в камеру через натекатель 13, одно-,":-':,"! ... временно продолжая откачку через патрубок 10. Это делают для того, чтобы через камеру проходил поток чистого, постоянно обновляемого газа. Обычно в качестве рабочего используют инертный газ — аргон очень высокой степени чистоты.

В рассмотренной системе диодного распыления мишень располагается вверху камеры, Однако мишени диодных систем могут иметь любое пространственное положение.

По сравнению с термовакуумным методом нанесения пленок метод диодного ионного распыления обладает рядом достоинств. 7

Большая площадь распыляемой мишени, выполняющей функции источника атомов осаждаемого вещества, позволяет осаждать равномерные по толщине пленки на подложках боль-, ших размеров, что обеспечивает эффективную реализацию группового метода обработки. Мишень представляет собой- источник длительного действия частиц наносимого материала, что облегчает автоматизацию и повышает однородность процесса. Большая энергия конденсирующихся атомов обеспечи- ', ':,:.;:,;„"'!;:;:: вает высокую адгезию пленки к подложке.

Основным недостатком этого метода является необходимость для поддержания разряда относительно высокого давления аргона, что повышает вероятность загрязнения пленки газо-:,-:.:;;,=,:.",;-':::-,-',:, выми включениями. Кроме. того, при высоком давлении длина:.:"'::;:::.':,.',;:,' свободного пробега частиц составляет несколько миллиметров, поэтому они теряют свою энергию и изменяют направление движения при соудареннях с молекулами остаточного газа. В .--'::::;-.:!-:-'=:;.::.-:, результате поток осаждаемых на поверхность подложки частиц является хаотическим, что затрудняет возможность испольэо-:- .,::,-',,"~.-„ вания при распылении свободных масок, дающих размытое изображение элементов из-за эффекта "подпыления".

При проведении процесса распыления в диодных системах необходимо достаточно стабильно поддерживать давление, так как увеличение его повышает вероятность столкновения распыленных атомов с молекулами рабочего газа. В результате этого часть атомов не осаждается на подложке, рассеивается: в объеме камеры или возвращается на мишень, а скорости распыления и осаждения падают, что может привести к невоспроизводимо сти толщины пленки.

В настоящее время диодные распылительные системы в основном используют при производстве гибридных ИМС. Объясняется это тем, что часть электронов может без столкно- ' '::,,:," вения пройти пространство катод — подложка и, будучи сильно 46

ускоренными, бомбардируют анод (подложку) . Это вызывает значительный нагрев подложек, а также может привести к повреждению полупроводниковых структур. ~ 11. МАГНЕТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ИОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ Магнетронные системы ионного распыления являются усовершенствованными диодными системами и отличаются от них наличием в прикатодной области электрического и кольцеообразного магнитного полей, направленных перпендикулярно друг к другу.

Прежде чем рассмотреть магнетронныв системы, необходимо ознакомиться с законами движения заряженных частиц в скрещенных (направленных под углом друг к другу) электрическом и магнитном полях. Раздельное воздействие электрического и магнитного полей на движение заряжейных частиц было рассмотрено в ~ 8 в связи с работой электронно-лучевых испарителей. Совершенно иначе ведут себя заряженные частицы при одновременном воздействии этих полей.

Остановимся на простейшем случае, когда эти поля однородны и направлены перпендикулярно друг к другу (рис. 32): электрическое Š— по вертикальной оси, а магнитное  — перпендикулярно плоскости рисунка ("от нас"); время т отсчитывается по горизонтальной оси.

Пусть в некоторый начальный момент времени заряженная частица (электрон) находится в точке 0 и ее скорость равна нулю. Под действием электрического поля электрон начинает ускоряться вдоль оси Е. По мере увеличения скорости сила, действующая со стороны магнитного поля, будет возрастать, так как она пропорциональна скорости, и движущийся электрон начнет отклоняться, т. е. траектория будет отклоняться (изгибаться) в сторону от оси Е.

Постепенный поворот траектории должен привести к тому, что электрон, начиная с некоторого момента времени т„которому соответствует точка 1, начнет двигаться к горизонтальной оси т. На участке траектории от точки 1 к точке 2 скорость электрона из-за торможения в электрическом поле уменьшается и обращается в нуль, когда он в момент времени тт достигает Рис. 32. Траектория движения электрона во взаимно перпендикулярных магнитном и электричеа. ком полях

Стр. 48-49

Распознанный текст из изображения:

а начнется процесс я и отклонением

пери

-подо б

остоит из ая арочно

ей на про

дной систе

эмиттир

м ионно

ны покид

аправле

столб, по

цесс и

ме раз

уе мыми

и бом

ают ка

нии элек

падают

наложи ое п

ять со

ействи к ан аются

му полю му магнитн представл дом под д м двигаться как оказыв ным полем. лько ионн чего газа, ученную о ктронов ра от катод ых ионов. овки като

зирующих

они п

т элек

сходу

а, где

В рез

да и

горизонтальной оси — точка 2. Затем снов

ускорения, сменяющийся фазой торможени

траектории от точки 3 до точки 4 и т.д.

Таким образом, траектория электрона с

чески повторяющихся одинаковых фаз. Так

кривая носит название циклоиды.

Рассмотрим влияние скрещенных пол

ного распыления, Напомним, что в дио

поддерживается вторичными электронами„

поверхности катода-мишени под действие

дировки. В этом случае (рис. 33, а) электро

ускоряются в перпендикулярном к нему н

ческим полем и, пройдя положительный

анод и захватываются им.

Если перпендикулярно зле ктрическо

параллельно катоду и очень близко к не

(рис. 33, б), траектории электронов будут

циклоиды. Злектроны, эмиттируемые като

ионной бомбардировки, не могут при это

в перпендикулярном направлении, так

своеобразной ловушке, создаваемой магнит

До тех пор пока не произойдет неско

столкновений электронов с атомами рабо

мешаются в ловушке, теряют энерп|ю, пол

ческого поля. Большая часть энергии эле

на ионизацию в непосредственной близости

дается высокая концентрация положительн

тате возрастают интенсивность бомбардир

рость его распыления.

Рис. 33. Влияние скрещенных полей на характер

ионного распыления в диолной (а) и магнетрон-

ной (б) системах

одиная

;.'е ';, оис

триоле

ем

триется

созль

ско-.. -'--::::.:;:,'::,;=;:,.:.',:;.

Скорость нанесения тонких пленок в магнетроиных системах

составляет 100 — 200 нм/с.

Так как применение магнитного поля увеличивает эффективность ионизации, тлеющий разряд в магнетронных системах поддерживается при более низких давлениях, чем в диодных. Магнетронные системы весьма эффективно работают при давлениях вплоть до 10 ~ Па и постоянном напряжении, что обеспечивает высокую чистоту наносимых пленок.

Подводя итоги, следует отметить, что источники магнетронного распыления, называемые магратрощми, позволили значительно повысить параметры и расширить технологические возможности диодных распылительных систем:

увеличить более чем на порядок скорость нанесения пленок, приблизив ее к скорости термовакуумного осаждения, и уменьшить на порядок рабочее давление, а значит, и вероятность попадания газовых включений в пленку;

исключить интенсивную бомбардировку подложек высокоэнергетичными электронами, т. е. снизить неконтролируемый нагрев подложек и повреждение полупроводниковых структур;

обеспечить нанесение пленок алюминия и его сплавов с большими скоростями распыления;

заменить высоковольтное оборудование низковольтным.

Кроме того, магратроны обеспечивают длительный ресурс работы и открывают возможность создания промышленных установок полунепрерывного и непрерывного действия. В настоящее время магратроны являются одним из основных усройств нанесения тонких пленок при производстве всех типов ИМС.

В оборудовании для нанесения тонкуи пленок используют плоские (планарные) магратроны с -кольцевой и овально-протяженной зонами эрозии, состоящие из следующих основных частей: водоохл аждае мог о катода, магнитного блока и анода.

В кольцевом планарном магратроне (рис. 34) все элементы смонтированы в корпусе 18, присоединяемом к рабочей камере через промежуточное изолирующее кольцо 2 и фланец 4 с вакуумными уплотнительными прокладками 1 и 3. Дискообразная мишень-катод 19 охлаждается проточной водой по трубкам 14 и 17. Напряжение, подаваемое на катод через зажим 16, равно ЗОΠ— 7ОО В.

Под катодом расположен магнитный блок, состоящий из центрального 15 и периферииных 12 постоянных магнитов, закрепленных на основании блока 13, изготовленного из

49

Стр. 50-51

Распознанный текст из изображения:

анарный магратро ые прокладки, 2 камеры, 5, 8— а, 7 — тонкая пле ое поля, 1У вЂ” анод Ф магниты, 13 7 — трубки пода рпус, 19 — мишень

Рис. 34. Кольцевой пл 1, 3 — уплотнительн кольцо, 4 — фланец эрозии, 6 — подложк трическое и магнитн рийные н центральнь нитного блока, 14, 1 16 — зажим, 18 — ко

н:

— изолирующее зоны плазмы и нка, 9, 11 — элек- , 12, 15 — перифе— основание магчи н слива воды,

ла. Магнитный блок

е поле 11 (порядк

параллельна плоско

над катодом и

земли, либо под н

да и обеспечивает о

яющая этого пол

ельного потенциала на катод в прикается зона скрещенных магнитного и Находящиеся там электроны под дайршают сложные движения, ионизируя ает разряд и над поверхностью катода ная (торообразная) зона плазмы 5 ный столб. При этом положительные равлении катода, бомбардируя и расв зоне 8, называемой зоной эрозии. кидающие мишень, осаждаются в вида , а также частично рассеиваются молеов и осаждаются на стенках рабочей

магнитомягкого матерна

хностью катода магнитно

Составляющая этого поля

Анод 10 расположен

либо под потенциалом

100 В относительно като

рического поля 9 Составл

на плоскости катода.

При подаче отрицат

тодной области образу

электрического полей.

ствиам этих полей сове

газ. В результата возник

образуется кольцеобраз

светящийся положитель

ионы ускоряются в нап

пыляя его поверхность

Частицы материала, по

пленки 7 на подложке 6

кулами остаточных газ

50

создает над повара 0,02 — 0,05 Тл).

сти катода.

может находиться апряжением 30 = бразование злектя перпендикуляр-

'": 1'ь

Рис. 35. Протяженный планарный магратрон:

1 — корпус, 2 — магнитный блок, 3 — мишень,

4 — экран, 5 — магнитное поле, 6 — зона эрозии,

7 — траектория электронов

камеры и поверхностях технологической внутрикамерной оснастки.

О в ал ь н о»протяженный плана рный магр а т р о н (рис. 35) устроен аналогично и отличается лишь тем, что его магнитный блок имеет вытянутую конфигурацию, а зона эрозии представляет собой как бы два параллельных источника распыления, Сверху над полюсами магнита магнитного блока 2, имеющего Ш-образное сечение и размещенного в корпусе 1, располагается распыляемая мишень 3, а по периферии — заземленный экран 4.

ф т2. ВысОкОчАстОтный и РеАктиВный метОды

ИОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ

Для высокочастотного и реактивного ионного распыления используют как обычные диодные, так и магнетронныа системы.

В ы с о к о ч а с т о т н о е р а с п ы л е н и е начали применять, когда потребовалось наносить диэлектрические пленки. В предыдущей главе предполагалось, что распыляемое вещество — металл. При этом ударяющийся о мишень ион рабочего газа нейтрализуется на най и возвращается в вакуумный объем рабочей камеры.

Бсли же распыляемый материал — диэлектрик, то положительные ионы не нейтрализуются и за короткий промежуток времени после подачи отрицательного потенциала покрывают слоем мишень, создавая на ае поверхности положительный заряд. Поле этого заряда компенсирует первоначальное поле мишени, находящейся под отрицательным потенциалом, и

51

Стр. 52-53

Распознанный текст из изображения:

дальнейшее распыление становится невозможным, так как

ионы нз разряда не притягиваются к мишени.

Для того чтобы обеспечить распыление диэлектрической

мишени, приходится нейтрализовать положительный заряд. -'

на ее поверхности подачей высокочастотного (ВЧ) переменного потенциала. При этом в системе распыления, которая

представляет собой диодную систему (рис. 36, а, б) с катодом

2, окруженным экраном 1 (анодом может служить вакуумная

камера), происходят следующие процессы.

Так как в плазме положительного столба 4 содержатся

равные количества ионов и электронов, при переменной по-

ляриэации мишени во время отрицательного полупериода (рис. 36, а) она притягивает ионы 3. Ускоренные ионы бом-

менно передавая ей свой заряд. При этом мишень накапливает положительньй заряд и интенсивность распыления начинает снижаться. Во время положительного полупериода (рис. 36, б) мишень притягивает электроны 5, которые нейтрализуют

заряд ионов, превращая их в молекулы б. В следующие отрицательный и положительный полупериоды процессы повторяются и тд.

В промышленных установках ВЧ распыление ведется

на единственной разрешенной частоте 13,56 МГц, которая находится в диапазоне радиосвязи. Поэтому иногда ВЧ распыление называют радиочастотным.

Р е а к т и в н о е р а с п ы л е н и е применяют для на-

несения пленок химических соединений (оксидов, нитридов) . Требуемое химическое соединение получают, подбирая материал распыляемой мишени и рабочий газ.

При этом методе в рабочую камеру в процессе распыления вводят дозированноеное количество так называемых реактивных (химически активных) газов, Причем дпя нанесения пленок оксидов И нитридов в рабочий газ аргон — добавляют соответ- . ' ственно кислород и азот. Основными условиями при получении требуемых соедиие .. ний является тщательная

Рис. 36. Схемы высокочастотного распылсния при отрицатсльном (а) и положительном (б) полу- периодах напряжения:

'1 — экран, 2 — катод, 3 — ионы, 4 — плазма, 5 — электроны, б— молекулы

52

очистка реагентов и отсутствие натекания, а также газовыделения в камере.

Недостаток реактивного распыления — возможность осаждения соединений на катоде, что существенно уменьшает скорость роста пленки.

При реактивном распылении реакции могут протекать как на мишени, так и в растущей пленке, что зависит от соотношений реактивного газа и аргона. В отсутствие аргона реакции происходят на мишени. При этом разряд протекает вяло, так как большинство атомов реактивного газа расходуется на образование на поверхности мишени соединений, которые препятствуют распыпению. Чтобы реактивные процессы проход~ли на подложке, количество реактивного газа не должно превышать 1О %; . остальное составляет аргон.

При реактивном распылении кремния напускаемьй в рабочую камеру кислород взаимодействует с конденсирующими на поверхности подложки атомами кремния, в результате чего образуется пленка ЯОз.

При нанесении реактивным распылением диэлектрических ппенок нитрида кремния Б1зЫ~ происходит аналогичный процесс. В рабочую камеру напускают тщательно осушенньй и очищенный от киспорода аргон с добавкой азота. Ионы этих газов, бомбардируя кремниевый катод, выбивают из него атомы кремния и на подложке вследствие большой химической активности ионизированных атомов азота образуется пленка иитрида кремния ЯзИ~, отличающаяся высокой химической стойкостью.

Так как условия реакции при нанесении диэлектрических пленок существенно зависят от постоянства в рабочем газе процентного содержания напускаемого реактивного газа, необходимо строго следить за его подачей. Напуск газов в рабочую камеру обычно производят двумя способами:

вводят оба газа (аргон и реактивный) из магистралей или баллонов, контролируя расход реактивного газа микрорасходомером и поддерживая постоянное давление;

вводят заранее подготовленную определенного состава рабочую смесь газов из резервуара.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как происходит ионизация и возникает тлеющий разряд?

2, Каков механизм ионного распыления веществ?

3. Каков принцип действия диодиой распылительиой системы?

4. Каковы особенности магнотроияого распыления?

5. Как устроен и работает кольцовой планарный магратрон?

53

Стр. 6-7

Распознанный текст из изображения:

С являетс личеством э ологически ые, гибридн тоды не явл

я степень интеграции, которая характеризулементов, входящих в интегральную схему.

м методам изготовления ИМС делятся на .,:в ые и полупроводниковые (монолитные) .

яются конкурирующими, а дополняют друг

С все элементы (резисторы, конденсато1е соединения выполняются в виде пленок.

ают послойным нанесением тонких пленок ов на общее основание — диэлектрическую чных элементах, как правило, выполняются;.:::-.:;:,:, о-емкостные схемы фС-схемы) .

очный резистор (рис.2,а,б)— ы, размещенный на диэлектрической подй оказывать сопротивление электрическому ух контактных выводОВ 1 и резистиВной и зигзагообразной конфигурации.

еночных резисторов определяют по сопровадрат) квадрата тонкопленочного материаум противоположным сторонам которого ые выводы:

НОСТИ

ется

По

плен

Эти

дру

пленочных ИМ межэлементнь чные ИМС созд чных материал жку. На плено

~е резистивн онкоплен нт микросхем 3 и способны состоит из дв 2 линейной ил противление пл нию Яп (Ом/к лщиной с~п, к дв дены контактн

ры)

Плен

раэли

подл

различнь

элеме

ложк

току,

пленки

ТИЗЛ

ла то

ПОДИ

6

ИМ

ко

техн

ОЧН

ме

га.

В

о

о

Т

е

Со

е

Рис. 1. Структура планарного

транзистора:

1 — тонкопленочные контак-

ты, 2 — оксидный слой, 3

змиттер, 4 — база, 5 — коллектор

Рис. 2. Структура тонкопленоч-

ных резисторов (а, б) и конден-

сатора ~в) ..

1 — контактные выводы, 2—

резистивиая пленка, 3 — диэ-

лектрическая подложка, 4, б—

нижний и верхний металлические

пленочные электроды, 5 — пле-

ночный диэлектрик

где р — удельное объемное сопротивление пленки.

Таким образом, сопротивление пленочного резистора не зависит от размера стороны квадрата и равно его поверхностному сопротивлению.

Для изготовления тонкопленочных резисторов используют сплавы, сопротивление которых во много раз больше сопротивления чистых металлов (например, нихром„МЛТ, нитрид тантала, смесь хрома и оксида кремния, металлокерамические смеси-керметы).

Т о н к 0 и л е и О ч н ы Й к О н д е н с а т о р (рис. 2, е)— это элемент микросхемы, способный накапливать электрический заряд и представляющий собой плоскую трехслойную структуру, состоящую из слоя диэлектрика, расположенного между двумя металлическими слоями — электродами (обкладками) . Удельная емкость (Ф/м~) плоского пленочного кОнденсатОра

С= 8,85 10 е~Й (2) где Ид — толщина слоя диэлектрика, е — диэлектрическая проницаемость.

Желательно„чтобы удельная емкость пленочного конденсатора была как можно больше. Поэтому выбирают диэлектрик, обладающий большой диэлектрической проницаемостью е, и стремятся уменьшить толщину д пленки из него. Однако

д

эти параметры нельзя изменять в широких пределах. Большинство используемых в тонкопленочной технологии диэлектриков имеют е от 3 до 1000. При этом толщина получаемых диэлектрических пленок составляет не менее 0,3 мкм. Основной технологической задачей при изготовлении пленочных конденсаторов является получение достаточно тонких диэлектрических пленок минимальной пористости.

Номиналы тонкопленочных конденсаторов определяются точностью, с которой может быть сформирован диэлектрический слой. Допускаемая толщина диэлектрических пленок ограничивается их электрической прочностью, которая снижается вследствие сквозных пор и других дефектов.

Наиболее часто в качестве диэлектрика в тонкопленочных конденсаторах используют пленки оксидов кремния ЯО и тантала Та, Оз, а в качестве обкладок — пленки металлов высокой проводимости. Однако пленки золота, серебра и меди для этих целей неприемлемы, так как атомы этих металлов обладают высокой подвижностью и, проникая в диэлектрическую пленку, приводят к отказам в работе конденсаторов.

7

Стр. 8-9

Распознанный текст из изображения:

Наиболее часто обкладки конденсаторов выполняют из пленок

алюминия. При этом верхние обкладки танталовых конденсаторов изготовляют из пленок алюминия с подслоем ванадия.

Контактные площадки пленочных ИМС

обычно являются продолжением соединительных проводниковых линий (межсоединений) и служат для припайки или привар.

ки внешних выводов корпуса.

П о д л о ж к а м и п л е н о ч н ы х ИМС служат плоские.

прямоугольные пластины диэлектрика, имеющие размерьь .- 48х60, 60х96, 96х120 и толщину от 0,6 до 1,6 мм. Обычно

на одну подложку одновременно наносят несколько пленочных

микросхем, а затем ее разрезают. Предварительно подложки

тщательно шлифуют и полируют, так как царапины и микрт»- трещины на их поверхности вызывают нестабильность тонко

пленочных микросхем.

Материалы, из которых изготовляют подложки, должны

обладать высокими электрическим сопротивлением и теплопроводностью, термостойкостью до 500 — 600' С, малой диэлектрической проницаемостью, достаточной механической прочностью и стабильностью размеров, возможностью обработки

поверхности цо

ти о К О 1 — тс О 5 отсутствием тазовыделения

в условиях вакуума и повышенной температуры, химической

инертностью к материалам пленок и их растворителям. Кроме

того, их температурный коэффициент линейного расширения

(ТКЛР) должен быль близок к ТКЛР материала пленок. Наиболее широкое распространение для изготовления подложек

получили ситаллы, алюмокерамика и стекло. Ситаллы представляют собой продукт кристаллизации стекла с очень мелкими (до 0,01 мкм) и равномерно распределенными по объему

кристаллами.

Одним из важных факторов, влияющих на воспроизводимость электрофизических параметров наносимых в вакууме

тонких пленок, является степень чистоты поверхности поди»зжки. На практике идеально чистые поверхности получить.':.йеВозможно, так как оии чрезвычаино активны.:6"

и ф-'Фтаиз:.'ти»крываются наход»пцимися в окружающеи среде гаэаФФ;,

,::,влагой; п~л~ю

веацйф~тФми, ~овские

и р

и азличными поверхностно-активными веит

ть. Очищаю"Ф:::;Водложки разслои которых крайне трудно удалить. Очюайатв

личными физико-химическими стк»Мбвваи

т И айео1»ьчрованные моле-

П едварительно молекулы во)т»4 4~ ЖФФ

ре

е хиости, ийодйожвк перед нанесением

купы Газов удаляют с поверхноста:,,

ак ой камауе".ёхи:зем~Ррвтуре С в

пленок в вакуумиои к

— 3 мин. ЗаверФФюФМ~ бачат

бомба он кой . в вакуузФМФ

'~ж ..1И®ь эиеР~тяп»~' ' роц сс очистки протека-

тить в зону ионов:-6611Ъ

8

рис 3, Структура пленочной гибридной ИМС»

нижний и верхний алек троды конденсатора, ч дизлектрика, 4 — проволочная соединительная шина, 5 — навесной транзистор, б — пленочный резистор, 7 — контактный вывод, 8 — дизлектрическая подложка рис. 4. Групповая кремниевая пластина; 1 — базовый срез, 2 — отдельные кристаллы (чипы) ет в тлеющем разряде и молекулярные слои воды, газов, оксидов, а также других соединений удаляются за несколько минут.

Кроме того, необходимо знать, что возможно повторное загрязнение подложек при транспортировке их в вакуумной камере, Опасность повторных загрязнений состоит в том, что их химический состав неизвестен и не всегда одинаков. Поэтому такие загрязнения приводят к неожиданным последствиям, особенно в условиях промышленного производства.

Гибридные ИМС вЂ” это тонкопленочные микросхемы, состоящие из пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, контактных площадок) и дискретных активных элементов (диодов, транзисторов). Гибридная ИМС, показанная на рис. 3, представляет собой диэлектрическую подложку с нанесенными на нее пленочными конденсаторами и резисторами и присоединенным навесным транзистором, база которого соединена с верхней обкладкой конденсатора шиной в виде очень тонкой проволочки.

В полупроводниковых ИМС все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности кристалла полупроводника. Полупроводниковые ИМС представляют собой плоский кристалл полупроводника (подложка), в поверхностном слое которого различными технологическими приемами сформированы эквивалентные элементам электрической схемы локальные области (диоды, транзисторы, конденсаторы, резисторы и др,), объединенные по поверхности пленочными металлическими соединениями (межсоединеииями) . З-бзй

Картинка-подпись
Хочешь зарабатывать на СтудИзбе больше 10к рублей в месяц? Научу бесплатно!
Начать зарабатывать

Комментарии

Поделитесь ссылкой:
Рейтинг-
0
0
0
0
0
Поделитесь ссылкой:
Сопутствующие материалы
Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Нашёл ошибку?
Или хочешь предложить что-то улучшить на этой странице? Напиши об этом и получи бонус!
Бонус рассчитывается индивидуально в каждом случае и может быть в виде баллов или бесплатной услуги от студизбы.
Предложить исправление
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
5075
Авторов
на СтудИзбе
455
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее