Ушаков_ТПЭВМ (562162), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Рис. 15.4. Модель начальной стадии роста тонкой пленки
В резистивных испарителях тепловая энергия получается за счет выделения теплоты при прохождении тока через нагреватель или непосредственно через испаряемый материал. Наиболее часто используют испарители с косвенным подогревом. В этом случае предусматривают специальные подогреватели, при помощи которых испаряемое вещество нагревается до требуемой температуры. Материалом испарителя обычно служит вольфрам, тантал, молибден и др.
Выбор материала подогревателя определяется следующими требованиями: испаряемый материал в расплавленном состоянии должен хорошо смачивать подогреватель, образуя хороший тепловой контакт, и не должен вступать в химические реакции с материалом подогревателя, которые могут привести к его загрязнению и разрушению. В основном применяют подогреватели из вольфрама, цолибдена, тантала.
Конструкция испарителей с косвенным подогревом показана на рис. 15.5, а - в. При небольших количествах испаряемого металла применяют V-образные, W-образные, волнообразные и спиральные испарители. Испаряемый металл в виде загнутых кусочков проволоки или полосок листового материала насаживается на подогреватель при пропускании тока кусочки испаряемого материала расплавляются и смачивают подогреватель; смачивание и поверхностное натяжение удерживают расплавленный металл на поверхности подогревателя.
Рис. 15.5. Проволочные испарители с косвенным подогревом:
а – V-образные; б - W-образные; в – волнообразные
Резистивные испарители не обеспечивают требуемого состава щенок при испарении сплавов. Вследствие различия в упругости паров различных компонентов состав пленки значительно отличатся от исходного материала. Например, напыляемый сплав нихром (80% Ni и 20% Сr) образует на подложке пленку, имеющую состав 60% Ni и 40% Сr. Для получения пленок требуемого состава из многокомпонентных сплавов (например, МЛТ и др.) применяют метод микродозирования или взрывного испарения. При этом методе на ленточный испаритель, нагретый до температуры, превышающей на 200...300°С температуру испарения наиболее тугоплавкого компонента, подается микродоза порошка испаряемого сплава с размерами частиц 100 ...200 мкм. Испарение микродозы происходит практически мгновенно.
В электронных испарителях кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию. Испаряемый материал используется в виде сплошной проволоки, на свободный конец которой воздействует электронный луч (рис. 15.6). В связи с кратковременностью нагрева (10-8... 10-9 с) различные компоненты сложного соединения испаряются и осаждаются на подложку практически одновременно. Электронно-лучевой нагрев дает возможность испарять тугоплавкие металлы и их сплавы.
Для повышения стабильности параметров тонкие металлические пленки подвергают термической обработке путем нагревания до t=300 ...400° С. При этом происходит укрупнение кристаллов, связь между ними усиливается, пленка получается более плотной и компактной, а удельное электрическое сопротивление уменьшается.
Кроме того, такие пленки отличаются большой твердостью, механической прочностью и стабильностью параметров.
Прочность сцепления пленки с подложкой во многом зависит от наличия оксидного слоя, который может возникнуть между пленкой и подложкой. На образование оксидов большое влияние оказывает состав остаточных газов в рабочем объеме установки, особенно наличие паров воды.
Загрязнения подложки значительно влияют на электрофизические свойства пленок. Поэтому перед напылением необходимо тщательно очищать подложки, а также предохранять их от появления масляных пленок, возникающих в результате проникновения паров рабочих жидкостей из насосов.
Рис. 15.6. Схема электронно-лучевого испарителя:
1 - катод; 2 - фокусирующая катушка; 3 - поток электронов; 4 - отклоняющая система;
5 - подложка; 6 - поток пара материала; 7 - охлаждаемый держатель;
8 - испаряемый материал
Вакуумная установка должна иметь достаточно высокую скорость откачки для быстрого удаления газов, выделенных источником испарения и другими деталями установки во время напыления. Медленная откачка может привести к загрязнению получаемых пленок и ухудшению их качества. При этом необходимо принимать меры для уменьшения количества паров, попадающих в камеру напыления от насосов, так как конденсированные молекулы масла или продукты их разложения также могут загрязнять покрываемую поверхность и искажать структуру наносимой пленки. Для улавливания паров между откачиваемым объемом и насосами устанавливают конденсационные или сорбционные ловушки.
Шероховатость поверхности подложки существенно влияет па структуру пленки. Для устранения микроперовностей на подложку иногда напыляют слой диоксида кремния. Структура и свойства тонких пленок в значительной мере определяются условиями их конденсации и зависят от природы испаряемого вещества и соответствия его структуре подложки, материала подложки, температуре поверхности, степени вакуума, скорости испарения вещества и толщине пленки.
Пленки, наносимые с большой скоростью, обычно имеют мелкозернистую структуру. Скорость напыления зависит от давления паров испаряемого вещества и остаточных газов. В процессе осаждения пленочных элементов подложку подогревают, что позволяет повысить адгезию пленки, снизить внутренние напряжения и улучшить ее свойства. Последние зависят от температуры нагрева подложки. Например пленки, осаждаемые при температуре подложки 300°С, химически устойчивы и механически прочны, а пленки, осаждаемые при температуре до 160°С, имеют низкие механические свойства. Тонкопленочные элементы защищают от коррозии путем нанесения оксида кремния, пленка которого при соответствующих условиях напыления получается плотной и негигроскопичной.
Вакуумное напыление широко применяют для получения резис-тивных пленок, проводников из меди, алюминия и некоторых других сплавов, диэлектрических покрытий из оксида кремния и др. Основными преимуществами процесса являются высокая чистота получаемой пленки, удобство контроля ее толщины в процессе напыления, простота выполнения.
|
Рис. 15.7. Установка для катодного распыления: 1 - нагреватель; 2 - держатель подложки; 3 - подложка (анод); 4 – колпак; 5 - мишень (катод); 6 - герметизирующая прокладка; 7 – плита; 8 - подвод аргона; 9 – присоединение к вакуумному насосу; 10 – ион аргона; 11 - атом металла | Рис. 15.8. Тлеющий разряд и распределение потенциала напряжения в его областях: 1 - темное астоново пространство; 2 – первое катодное свечение; 3 – темное катодное пространство; 4 – отрицательное тлеющее свечение; 5 –темное фарадеево пространство; 6 – положительный столб; 7 - анодное свечение; 8 – темное анодное пространство |
Наиболее существенные недостатки процесса - изменение процентного соотношения составляющих при испарении веществ сложного состава; малая равномерность пленки по толщине при осаждении на большую площадь из точечных источников; трудность испарения тугоплавких материалов; высокая инерционность процесса при использовании резистивных испарителей; сравнительно невысокая прочность сцепления пленки с подложкой.
Ионное распыление. Оно основано на явлении разрушения твердых материалов при бомбардировке их поверхности ионизированными молекулами разряженного газа. Процесс не связан с высокими температурами и позволяет получать пленки тугоплавких металлов и сплавов. Различают следующие виды ионного распыления: катодное, ионно-плазменное и магнетронное.
Катодное распыление («диодная» система) (рис. 15.7) производится в вакуумной камере, где расположены два плоскопараллельных электрода. Один электрод (катод) изготовлен из распыляемого материала и является мишенью для бомбардировки. Другой электрод (анод) служит подложкой, на которой осаждается пленка. В вакуумной камере создается низкое давление (10-3...10-4 Па), после чего заполняется инертным газом (обычно аргоном) при давлении 1...10 Па. При подаче высокого напряжения (1...3 кВ) между электродами возникает самостоятельный тлеющий газовый разряд, возбуждаемый электронной эмиссией. Характерным признаком тлеющего разряда является определенное распределение потенциала U в разреженном газе, обусловленное расстоянием между электродами (рис. 15.8). Основная часть приложенного напряжения падает на темном катодном пространстве. В этой области ионы достигают наибольших скоростей, приобретая максимальные энергии для бомбардировки катода. Катод является источником электронов, необходимых для поддержания тлеющего разряда. Электроны движутся к аноду и при столкновении с молекулами нейтрального газа выбивают новые электроны, что приводит к резкому нарастанию потока электронов. Молекула инертного газа при этом превращается из нейтральной в положительный ион, обладающий по сравнению с электроном большей массой. Так происходит ионизация газа, который с большим или равным количеством электронов и ионов называют плазмой. Электроны перемещаются к аноду и нейтрализуются. Положительные ионы движутся к другой границе плазмы и ускоряются в темном катодном пространстве, приобретая большие энергии для распыления мишени (катода). Атомы материала мишени с высокой энергией осаждаются на поверхности подложки, которая располагается достаточно близко к катоду. Обычно это расстояние составляет полторы-две длины темного катодного пространства.
Катодное реактивное распыление осуществляется в смеси инертного и активного газов. Оно позволяет получать различные по составу пленки. Разряд в смеси газов «аргон - кислород» применяют для получения оксидов. Реактивное распыление тантала в среде аргона с добавлением кислорода, азота и углерода позволяет получить ряд соединений с самыми различными свойствами.
Ионно-плазменное распыление (трехэлектродная система) осуществляется при более низких давлениях (рис. 15.9).
В камере создается давление 10-3 Па и включается накал катода. Затем она заполняется инертным газом при давлении 10-1 Па. Создание газоразрядной плазмы обеспечивается дуговым разрядом, возникающим между анодом и катодом при напряжении в 150 ...250 В. Источником электронов служит термокатод.
Рис. 15.9. Установка для ионноплазменного распыления:
1 - нагреватель: 2 - держатель подложки: 3 - подложка: 4 - анод; 5 - колпак;
6 - плита; 7 - присоединение к вакуумному насосу; 8 - подвод аргона;
9 - токопровод; 10 - катод (мишень); 11 - ион аргона; 12 - атом металла;
13 - термокатод
Распыляемый материал (мишень) вводится в газовый разряд в качестве независимого электрода, не связанного с поддержанием разряда. Имитируемые термокатодом электроны ускоряются по направлению к аноду и ионизируют по пути молекулы остаточного газа. Плотность образующейся плазмы более, чем на порядок превышает плотность плазмы тлеющего разряда. Катод-мишень и подложку помещают на противоположных границах активного плазменного пространства. Распыление начинается с того момента, когда к мишени прикладывают отрицательный по отношению к аноду потенциал в 200... 1000 В. Этот потенциал отталкивает электроны и притягивает ионы из плазменного пространства. Ионы бомбардируют, мишень так же, как в рассмотренном «диодном» варианте. Распыляемые атомы, двигаясь преимущественно в направлении, перпендикулярном поверхности, осаждаются на подложке. Распыление при низких давлениях дает возможность по-. лучить высокую адгезию пленки с подложкой за счет большей энергии распыляемых частиц. Так как при этом давлении длина свободного пробега молекул составляет несколько сантиметров, то распыляемые атомы на своем пути от мишени до подложки почти не соударяются с молекулами и ионами инертного газа и газовых примесей, что существенно уменьшает степень загрязненности пленки посторонними газовыми включениями. Возможность сокращения расстояния между мишенью и подложками связана с тем, что в триодной системе распыления образование электронов и ионов происходит автономно от мишени.
Недостатками триодной системы являются малый срок службы проволочного катода и разная скорость распыления на отдельных участках плоской мишени.
Высокочастотное ионное распыление применяют для распыления диэлектриков и полупроводниковых материалов. В процессе обычного распыления проводящих материалов, ударяющихся о катод-мишень, ион нейтрального рабочего газа получает с мишени электрон и разряжается, превращаясь на некоторое время в нейтральную молекулу. Если распыляемый материал мишени - диэлектрик, то нейтрализации ионов на мишени не будет и она быстро покрывается слоем положительных зарядов, препятствующих распылению мишени.
Влияние положительного заряда можно исключить подавая к металлическому электполу на котором закреплен напыляемый диэлектрик, переменное напряжение. В период, когда напряжение па мишени отрицательно, происходит ее распыление, сопровождаемое накоплением положительного заряда. При смене полярности положительный заряд компенсируется электронами, вытягиваемыми из плазмы. Диэлектрические материалы можно распылять на любой частоте. Однако на низких частотах оно малоэффективно. Вследствие большого различия в подвижности электронов и ионов существенно меньшее число ионов попадает на мишень за период отрицательного напряжения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
