Ушаков_ТПЭВМ (562162), страница 31

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 31)

Рис. 15.10. Магнетронное распыление:

а - магнетрон с плоским катодом; б - схема бомбардировки катода; 1 - подложка;

2 - ней­тральный атом; 3 - электрон: 4 - ион; 5 - плаз­ма; 6 - темное анодное пространство;

7 - анод; 8 - темное катодное пространство

Магнетронное рас­пыление (рис. 15.10, а) является вариантом «диод­ных» систем распыления. Все конструктивные элемен­ты монтируются в корпу­се 1, который присоединяет­ся к вакуумной камере (на рис. 15.10 камера не пока­зана) через изолирующее юльцо 2, 14 и фланец 15. Дискообразный катод-ми­шень 3 охлаждается прогочной водой, поступающей по трубкам 5 и 8. Под катодом расположен магнитный блок, состоящий из центральных 7 и периферийных 9 магнитов, закрепленных на основании 4. На ка­тод через клемму 6 подается высокое напряжение (300...700 В). Магнитный блок создает над поверхностью катода дугообразное неоднородное поле. Область распыления обозначена 10 и 12, а силовые линии магнитного поля - 11. Над катодом расположены кольцевой анод 13 и диск, на котором установлены подложки. Такое расположение анода обеспечивает образование электрического поля с составляющей, перпендикулярной плоскости катода. Высокие скорости осаждения достигаются при давлении 0,1...0,5 Па. При подаче отрицательного потенциала на катод в прикатодной области возникает неоднородное электрическое поле, силовые ли­нии которого скрещиваются с силовыми линиями магнитного по­ля 11, замыкающими магнитную систему. На вылетающие с по­верхности катода электроны действуют эти пересекающиеся поля, которые удерживают электроны в темном катодном пространстве (рис. 15.10, б). Покинуть это пространство электроны не могут: с одной стороны этому препятствует магнитное поле, возвращаю­щее электроны на катод, с другой стороны - поверхность мише­ни, отталкивающая электроны. В результате осцилляции элек­тронов возникает интенсивная ионизация рабочего газа в непо­средственной близости от катода. При этом возрастают интен­сивность бомбардировки катода, скорость его распыления и осаж­дения материала на подложку. Потери энергии приводят к тому, что электроны покидают темное катодное пространство и при дви­жении к аноду описывают сжимающиеся спирали. Это повышает эффективность ионизации и существенно уменьшает энергию, рас­сеиваемую электронами на аноде. Основным источником нагрева подложек становится энергия, выделяемая при торможении и кон­денсации осаждаемых атомов вещества. Температура подложки при этом не превышает 100...200°С. Высокие скорости роста пле­нок в магнетронных системах обеспечиваются также сравнительно низким давлением у подложки, что снижает потери энергии рас­пыленных атомов при достижении- поверхности подложки. Этим в основном определяется высокая адгезия пленок к подложке при использовании магнетронных распылительных систем, что позво­ляет получать пленки из тугоплавких металлов и многокомпонент­ных сплавов без адгезионного подслоя.

Распыление ионной бомбардировкой имеет следующие преиму­щества:

1) обеспечивается высокая адгезия пленки к подложке, что объясняется высокой энергией распыленных атомов;

2) сохраняется состав материала пленки вследствие низкой тем­пературы распыления;

3) отсутствует перегрев вакуумной камеры при получении пле­нок из тугоплавких металлов;

4) обеспечивается малая инерционность процесса, так как рас­пыление прекращается при снятии напряжения;

5) вследствие большой площади распыляемой пластины (ми­шени) получаются равномерные по толщине пленки на подлож­ках больших размеров, что обеспечивает эффективную реализа­цию группового метода напыления;

6) мишень является длительно не изменяемым источником распыляемого материала, что облегчает автоматизацию процесса и обеспечивает однородность получаемых пленок.

Большинство промышленных установок основаны на использо­вании трехэлектродных систем распыления.

15.4. Контроль толщины тонких пленок

Для определения толщины тонких пленок применяют такие методы: резистивный, микровзвешивания, оптический, интерференционный, радиочастотный и др.

Многие из них позволяют про­изводить измерение толщины пленки в процессе термическо­го напыления в вакууме и уп­равлять режимами технологического процесса.

Резистивный метод. Дан­ный метод основан на измере­нии сопротивления контроль­ного образца, напыляемого од­новременно с основной плен­кой (рис. 15.11).

Рис. 15.11. Измерение толщины пленки резистивным методом

В вакуумной камере устанавливаются подложки 3 и 4, на которые напыляется пленка. На подложке 4 формируется контрольное сопротивление R_х, определя­емое параметрами моста:

R_x=R₁R₃/R₂. (15.14)

С моста сигнал поступает на усилитель 5. Достижение баланса моста соответствует заданной толщине пленки. При этом срабаты­вает электронный ключ 6, который включает блок управления приводом 7. Заслонка 2 с помощью электромеханического устрой­ства 8 перекрывает поток напыляемого вещества с резистивного испарителя 1,

Точность измерения толщины пленки резистивным методом со­ставляет 5...10%. Этот метод применим только к проводящим пленкам. Он не пригоден для измерения пленок с малым сопро­тивлением (≤1 Ом/), так как переходные сопротивления соиз­меримы с сопротивлением пленки.

Резистивный метод позволяет контролировать скорость осаж­дения пленки и прекращать напыление по достижении заданной толщины путем включения заслонки.

Метод микровзвешивания. Он основан на определении толщины пленки по количеству осажденного вещества. Толщина пленки

H = G/(Fγ), (15.15)

где G - разность массы подложки до и после осаждения пленки; F - площадь, покрытая слоем пленки; у - плотность вещества пленки.

За толщину пленки принимают толщину такого слоя, при кото­ром образующий его металл равномерно распределен по всей по­верхности с плотностью сплошного материала. При измерении ма­лых масс требуется очень чувствительная система, что является недостатком метода. Для измерения толщины пленки при ее осаж­дении в вакууме применяют весы. Коромыслом весов служит стек­лянный капилляр, на концах которого приклеиваются тонкие квар­цевые нити. На одном конце коромысла помещают подложку, на другом - противовес. Массу пленки определяют по величине тока, необходимого для компенсации отклонения коромысла. Тариров­кой весов установлено, что существует линейная зависимость меж­ду массой пленки и компенсационным током.

Оптический интерференционный метод. Этот метод основан на использовании эффектов, возникающих в системе «пленка - под­ложка» при изменении толщины пленки. Они состоят в том, что по мере утолщения пленки интенсивность отраженного света уменьшается и достигает минимума в тот момент, когда толщина пленки становится равной ¹/₄ длины волны падающего света. При дальнейшем увеличении толщины пленки отражение усиливается и достигает максимума при толщине, равной половине длины вол­ны. Практически можно производить наблюдения до 10...20 экст­ремумов в зависимости от оптических свойств наносимого веще­ства. Положительным свойством метода является возможность измерять толщину в процессе напыления пленки.

Радиочастотный метод или метод кварцевого резонатора. Ме­тод основан на измерении отклонения частоты колебаний кварце­вого кристалла при осаждении на нем напыляемого материала. При изменении массы т кварцевого кристалла на величину Δт частота его колебаний f меняется пропорционально изменению массы на величину Δf

Δf / f =Δт / т. (15.16)

Объем напыленной планки v = Sh = Δт / γ, (S - площадь кварцевого кристалла; /h - толщина пленки; γ - плотность пленки), от­куда толщина пленки

h = Δт/(γ S) или h = т Δf / (f γ S). (15.17)

Обозначая все постоянные параметры через с, получим

h = сΔf , (15.18)

где с - коэффициент пропорциональности.

Приборы с кварцевым резонатором имеют удовлетворительную точность, высокую чувствительность и малую инерционность.

Выпускаемый отечественной промышленностью кварцевый из­меритель (КИТ) позволяет проверить толщину пленок в пределах 0,01... 5 мкм с точностью ±10%. Он подает сигнал окончания про­цесса после получения пленки нужной толщины, который управ­ляет перемещением заслонки.

Недостатком метода является уход частоты, связанный с не­стабильностью температуры кристалла, неточным выполнением его среза и с паразитными колебаниями, возникающими при плохом креплении.

Для контроля скорости осаждения приме­няют ионизационный, емкостный и другие ме­тоды.

Ионизационный метод. Этот метод основан на ионизации паров испаряемого вещества электронами катода. Скорость испарения из­меряют путем определения ионного тока па­ров этого вещества специальным манометром, установленным над испарителем. Ионизаци­онный метод является универсальным, имеет широкие пределы измерения с точностью до 1 % и может быть использован для стабилизации процесса напы­ления.

Рис. 15.12. Гребен­чатый конденсатор

Емкостный метод. Его применяют для измерения скорости осаждения только диэлектрических пленок. В основу метода по­ложено измерение малых приращений емкости плоского гребенча­того конденсатора (рис. 15.12) при осаждении на него пленки ди­электрика. Гребенчатый плоский конденсатор представляет собой чередующиеся проводящие полоски 1, нанесенные на изолирующую подложку и соединенные с контактами. При напылении сверху ди­электрической пленки 2 и заполнении ее каналов между обкладками емкость С возрастает вследствие изменения диэлектрической проницаемости. При малых толщинах диэлектрических пленок из­менение емкости ΔС от толщины диэлектрика практически имеет линейный характер. Приращения емкости измеряют с помощью из­мерительного моста.

Для измерения остаточного давления в вакуумных установках применяют в основном термоэлектрические и ионизационные при­боры.

В термоэлектрических приборах в качестве задаю­щей величины используется зависимость теплопроводности от дав­ления, а в ионизационных приборах — ионный ток. На­иболее совершенным методом исследования тонких пленок явля­ется растровая электронная микроскопия.

15.5. Основные этапы технологического процесса

изготовления тонкопленочных интегральных микросхем

Основными этапами технологического процесса изготовления тонкопленочных микросхем являются составление топологии схе­мы, изготовление оригинала интегральной микросхемы, фотошаб­лона и масок, напыление элементов схемы.

Составление топологии схемы. Этап заключается в определе­нии конфигурации, геометрических размеров и рационального раз­мещения на подложке пленочных и навесных элементов, а также порядка их соединения.

Рис. 15.13. Последовательность разработки тополо­гии тонкопленочной

интегральной микросхемы

При разработке топологии необходимо иметь принципиальную электрическую схему с перечнем элементов и их параметров. То­пология для самостоятельных функциональных схем разрабаты­вается в такой последовательности:

1. разрабатывается коммутационная схема взаимного размеще­ния элементов;

2. выбирается форма и рассчитываются размеры пленочных элементов;

3. размещаются пленочные элементы на подложке;

4. соединяются пленочные и навесные элементы;

5. определяются размеры подложки.

Заданная электрическая схема (рис. 15.13, а) должна быть упо­рядочена в соответствии с особенностями пленочной технологии. Количество пересечений проводников сводится к минимуму (рис. 15.13, б). Топология микросхемы показана на рис. 15.13, в. Кон­тактные площадки 1 - 7 входов и выходов должны быть максимально удалены друг от друга и расположены по периметру платы.

Отношение максимального и минимального значений номина­лов резисторов в схеме не должно превышать 50.

В общем случае топологическая задача допускает весьма боль­шое количество решений. Однако при этом можно выделить общие положения, которые необходимо учитывать при проектировании. Пленочные элементы располагают на расстоянии не менее 0,6... 1,0 мм от края подложки; расстояние до края подложки берут не менее 0,3 ...0,5 мм; минимальное расстояние между двумя соседни­ми элементами одного слоя составляет 0,3 мм; расстояние от на­весного элемента до контактной площадки должно быть не более 3 мм и не менее 0,5 мм; минимальные размеры тонкопленочных резисторов принимают по ширине 0,2 мм, по длине 0,4 мм. Для осуществления надежного контакта минимальное перекрытие токопроводящих полосок должно составлять 0,3 мм. Ширину соеди­нительных проводников выбирают по возможности максимальными (не менее 30 мкм). Элементы соединяют по кратчайшему пути, что определяет конфигурацию проводников.

Характеристики

Список файлов книги