В. И. Смирнов (987304), страница 19
Текст из файла (страница 19)
4.2 показано взаимное расположение «точечного» испарителя иподложки. Цифрами 1, 2 и 3 обозначены тигель с испаряемым веществом, кожух испарителя и подложка.Примером «точечного» испарителяможет служить капля расплава, образующаяРис. 4.2. Схема расположения «точечного» испарителя и подложкися в результате воздействия сфокусированного электронного луча на распыляемоймишени. Другой пример – испарение из тигля через круглую диафрагму малыхразмеров в крышке испарителя (ячейка Кнудсена).По мере испарения вещества интенсивность потока и диаграмма направленности для большинства типов испарителей постепенно меняются.
В этих условиях последовательная обработка неподвижных подложек приводит к разбросу в значениях параметров пленки в пределах партии, обработанной за одинвакуумный цикл. Для повышения воспроизводимости подложки устанавливаются на вращающийся диск-карусель. При вращении карусели подложки поочередно и многократно проходят над испарителем, за счет чего нивелируютсяусловия осаждения для каждой подложки и устраняется влияние временной нестабильности испарителя.Влияние плотности потока и температуры подложкина структуру и свойства осаждаемых пленокТретьей стадией процесса напыления тонких пленок является стадия конденсации атомов и молекул вещества на поверхности подложки.
Эту стадиюусловно можно разбить на два этапа: начальный этап – от момента адсорбциипервых атомов (молекул) на подложку до момента образования сплошного покрытия, и завершающий этап, на котором происходит гомогенный рост пленкидо заданной толщины.Условия, в которых протекает начальный этап, имеют определяющее значение для структуры полученной пленки, прочности ее сцепления с подложкой,времени формирования пленки. Поэтому изучение явлений, происходящих наподложке в начальный период, имеет большое практическое значение. Поскольку математическое описание явлений, сопровождающих начальный этапформирования пленки, носит приближенный и неполный характер, рассмотримлишь качественную картину этих явлений.Атомы испаренного вещества подлетают к подложке с довольно большойскоростью порядка сотен и тысяч метров в секунду. При столкновении77с подложкой атом передает ей часть энергии, причем доля этой энергиитем меньше, чем выше температура подложки.
Обладая некоторым избыткомэнергии, атом вещества некоторое время мигрирует по поверхности подложки,теряя постепенно энергию и стремясь к тепловому равновесию с подложкой,то есть переходит в адсорбированное состояние.При отсутствии химического взаимодействия атомов веществас материалом подложки (физическая адсорбция) энергия связи определяетсясилами Ван-дер-Ваальса и имеет значение порядка 0,01 − 0,1 эВ. В зависимостиот потенциального рельефа, образованного поверхностными атомами подложки, адсорбированный атом может, потеряв значительную часть избыточнойэнергии, закрепиться на подложке (сконденсироваться).
Однако вероятностьтакого процесса для одиночного атома очень невелика. Значительный избытокэнергии адсорбированного атома и длительная миграция по подложке приводятк тому, что он с большой вероятностью десорбируется (реиспарится), то естьпокинет поверхность подложки. Если подложка нагрета, а плотность атомногопотока небольшая, практически исключающая взаимодействие атомов веществана подложке, то наступает равновесное состояние, при котором поток падающих на поверхность атомов равен потоку десорбированных атомов. Конденсации вещества на подложке при этом практически не происходит.Конденсация вещества может начаться при пересыщении парана подложке. Если плотность потока высока или температура подложки низка,то вероятность вторичного испарения уменьшается, а вероятность встречи атомов друг с другом на подложке увеличивается.
При этом образуются атомныегруппы, более устойчивые к повторному испарению, так как кинетическаяэнергия адсорбированных атомов частично переходит в потенциальную энергию их взаимодействия. Такая группа может стать зародышем пленки, если ееразмер превышает некоторый критический, при котором вероятность конденсации (окончательного закрепления на подложке) превышает вероятность распада группы на отдельные атомы. Схематически этот процесс показан нарис. 4.3.Рис. 4.3. Схема процесса начального образования пленки на подложке:а) при низкой плотности потока атомов; б) при высокой плотности потокаДальнейший рост зародышей происходит за счет присоединения к нимвновь адсорбированных атомов, а также за счет непосредственного осажденияатомов на поверхность зародыша.
Разрастаясь, отдельные островки-зародышисливаются, постепенно образуя сплошную пленку. На завершающем этапе, когда сформирована сплошная пленка, ее рост носит гомогенный характер. Влия78ние подложки при этом отсутствует, а характер связи (металлическая, ковалентная) падающих на поверхность атомов определяется веществом пленки.Таким образом, структура полученной пленки определяется размерамизародышей, образовавшихся на начальном этапе конденсации. При высокихтемпературах подложки размеры критических зародышей больше и пленка получается крупнозернистой.
При низких температурах подложки пленка получается мелкозернистой. На структуру пленки также влияет и плотность потокаатомов. При увеличении плотности потока размеры критических зародышейуменьшаются, количество центров зародышеобразования увеличивается, в результате пленка получается мелкозернистой. Уменьшение плотности потокаприводит к увеличению зернистости пленки. При фиксированной плотностипотока существует критическая температура подложки, выше которой пленкана поверхности подложки не образуется. И, наоборот, при фиксированной температуре подложки существует критическая плотность потока атомов, ниже которой пленка не образуется.Какая из структур (крупнозернистая или мелкозернистая) лучше − определяется конкретным назначением пленки.
Если, например, она предназначена для формирования пленочных резисторов, то лучше крупнозернистаяструктура, поскольку она более стабильна при колебаниях температуры в процессе эксплуатации данных резисторов. Мелкозернистая структура при повышенных температурах эксплуатации резисторов подвержена влиянию процессов рекристаллизации, приводящих к изменению электрофизических свойствпленки. Если, например, требуется получить высококачественные зеркала, то вэтом случае желательно формировать мелкозернистую пленку.4.2. Ионно-плазменные методы получения тонких пленокИонно-плазменные методы получили широкое распространение в технологии электронных средств благодаря своей универсальности и ряду преимуществ по сравнению с другими технологическими методами.
Универсальностьопределяется тем, что с их помощью можно осуществлять различные технологические операции: формировать тонкие пленки на поверхности подложки,травить поверхность подложки с целью создания на ней заданного рисунка интегральной микросхемы, осуществлять очистку поверхности. К преимуществуионно-плазменных методов относится высокая управляемость процессом; возможность получения пленок тугоплавких материалов, а также химических соединений и сплавов заданного состава; лучшая адгезия пленок к поверхности итак далее.Суть методов ионно-плазменного напыления тонких пленок заключаетсяв обработке поверхности мишени из нужного вещества ионами и выбиванииатомов (молекул) из мишени. Энергия ионов при этом составляет величину порядка сотен и тысяч электрон-вольт.
Образующийся атомный поток направляется на подложку, где происходит конденсация вещества и формируется пленка. Различают ионно-лучевое распыление, осуществляемое бомбардировкой79мишени пучком ускоренных ионов, сформированным в автономном ионном источнике, и собственно ионно-плазменное распыление, при котором мишень является одним из электродов в газоразрядной камере и ее бомбардировка осуществляется ионами, образующимися в результате газового разряда.Для распыления мишени используются ионы инертных газов (обычно аргон высокой чистоты).
Источником ионов служит либо самостоятельныйтлеющий разряд, либо плазма несамостоятельного разряда (дугового или высокочастотного). В настоящее время в производстве применяют различные процессы распыления, отличающиеся:− характером питающего напряжения (постоянное, переменное, высокочастотное);− способом возбуждения и поддержания разряда (автоэлектронная эмиссия, термоэмиссия, магнитное поле, электрическое высокочастотное поле);− количеством электродов в газоразрядной камере (двухэлектродные,трехэлектродные и многоэлектродные системы).Рассмотрим наиболее широко используемые ионно-плазменные методыполучения тонких пленок.Катодное распылениеКонструкция установки для катодного распыления, изображеннойна рис.
4.4, состоит из газоразрядной камеры 1, в которую вводится рабочий газ(обычно аргон) под давлением 1 − 10 Па; катода 2, выполняющего функциюраспыляемой мишени; анода 3 и закрепленной на ней подложки 4. Между анодом и катодом подается постоянное напряжение величиной несколько киловольт, обеспечивающее создание в межэлектродном пространстве электрического поля напряженностью порядка 0,5 кВ/см. Анод заземлен, а отрицательноенапряжение к катоду подается через изолятор 5. Чтобы исключить загрязнениестеклянного колпака камеры, вблизи катода закрепляют экран 6.Электрическое поле, существующее между катодом и анодом, ускоряетэлектроны, образующиеся в межэлектродном пространстве в результате фотоэмиссии из катода, автоэлектронной (полевой) эмиссии, воздействиякосмического излучения или других причин.
Еслиэнергия электронов превышает энергию ионизации молекул рабочего газа, то в результате столкновения электронов с молекулами газа возникаетгазовый разряд, то есть образуется газоразряднаяплазма. Для того чтобы электрон мог набрать необходимую для ионизации газа энергию, ему требуется обеспечить минимально необходимуюдлину свободного пробега. Только при этом услоРис.4.4. Схема установки для вии электрон, двигаясь без столкновений, способен увеличить свою энергию до нужной величины.катодного распыления80Однако, если длина свободного пробега электронов становится сравнимойс расстоянием между катодом и анодом, то основная часть электронов будетпролетать межэлектродное пространство без столкновений с молекулами рабочего газа.
Газоразрядная плазма погаснет. Эти два фактора и определяют нижний и верхний пределы давлений газа в камере.Образующаяся в результате газового разряда плазма состоитиз электронов, ионов и нейтральных молекул рабочего газа. Ионыпод воздействием электрического поля ускоряются и бомбардируют катодмишень. Если энергия ионов превышает энергию связи атомов мишени,то происходит ее распыление. Кроме выбивания атомов с поверхности мишени,ионы способны выбить из нее вторичные электроны (вторичная электроннаяэмиссия). Эти вторичные электроны ускоряются и ионизируют молекулы рабочего газа; образующиеся при этом ионы бомбардируют мишень, вызывая вторичную электронную эмиссию, и процесс повторяется.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
