В. И. Смирнов (987304), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Газоразрядная камера отделена от камеры осаждения калиброванными отверстиями,благодаря чему обеспечивается перепад давлений, и давление в камере осаждения, где расположены мишень и подложка, составляет ~ 0,015 Па. Часть ионовпоступает через отверстия в камеру осаждения, ускоряется и распыляет мишень.
Такая конструкция позволяет увеличить скорость распыления мишени иповысить чистоту осаждаемых на подложке пленок.Высокочастотное распылениеРассмотренные выше методы получения тонких пленок используют постоянные напряжения, прикладываемые к электродам системы распыления85мишени. Это позволяет распылять мишени только из электропроводящих илиполупроводниковых материалов. Если мишень выполнена из диэлектрика,то при ее бомбардировке положительно заряженными ионами на ней очень быстро будет накапливаться положительный заряд. Этот заряд создаст электрическое поле, которое будет тормозить бомбардирующие мишень ионы. Распыление мишени очень быстро прекратится.Для распыления диэлектрической мишени необходимо между анодоми катодом-мишенью подавать переменное напряжение. В этом случае мишеньпоочередно будет обрабатываться потоками электронов и положительно заряженных ионов.
При отрицательном потенциале на мишени будет происходитьее распыление ионами, а при положительном потенциале –нейтрализация заряда потоком электронов. Это в принципе позволяет распылять мишени из диэлектрических материалов, однако эффективность такого метода распылениябудет невысокой.Эффективность распыления можно значительно повысить, если междуанодом и катодом-мишенью подать переменное напряжение частотой порядка10 МГц (обычно используют частоту 13,56 МГц, разрешенную для технологических установок, работающих в этом частотном диапазоне).
Повышение эффективности при высокочастотном распылении объясняется следующим образом. Масса электронов значительно меньше массы ионов. Поэтому, обладаязначительно большей подвижностью, электроны успевают следовать за быстроменяющимся полем, переходя с одного электрода на другой. Ионы, будучигораздо менее подвижными, не успевают заметно перемещаться в межэлектродном пространстве, в результате чего там образуется объемный положительный заряд ионов.
Кроме того, количество электронов, поступающих намишень за полпериода, значительно превышает то количество, которое необходимо для нейтрализации заряда ионов на мишени. В результате на диэлектрической мишени скапливается отрицательный заряд электронов. Все это приводит к появлению в межэлектродном пространстве дополнительного электрического поля, которое способно ускорить часть ионов до больших энергий, что иувеличивает эффективность распыления мишени.Следует отметить еще одно важное обстоятельство.
В условиях высокочастотного разряда заряженные частицы (электроны и ионы) совершают колебательное движение с амплитудой А, равнойµЕ0,ωгде µ − подвижность частицы, зависящая от давления газа; Е0 – амплитуда напряженности переменного электрического поля; ω − циклическая частота питающего напряжения.Если расстояние между электродами превышает амплитуду А, тона электроды поступают только те частицы, которые находятся от электродана расстоянии, не превышающем А. При этом существенно, что в средней частиА=86разряда электроны совершают осциллирующие движения, эффективно ионизируя газ, поэтому высокочастотный разряд может существовать при более низких давлениях, и надобность в сложной трехэлектродной системы отпадает.Благодаря пониженному давлению в газоразрядной камере, высокочастотныесистемы с успехом используют для распыления не только диэлектрическихмишеней, но и мишеней из металлов и полупроводников.Реактивное распылениеПри реактивном распылении в газоразрядную камеру наряду с рабочимгазом (обычно аргоном) добавляется небольшое количество реакционного активного газа (кислорода, азота и др.), в результате чего на подложке образуетсяпленка из химического соединения, образованного атомами мишени и активного газа.
Если, например, мишень изготовлена из алюминия, а в качестве активного газа используется кислород, то на подложке получается пленка из оксидаалюминия, если же в камеру добавляется азот, то получится пленка из нитридаалюминия.Кроме оксидных и нитридных пленок, данным способом можно получатькарбидные и сульфидные пленки, добавляя в камеру соответственно метан СН4или пары серы. Для получения химического соединения необходимо строго определенное парциальное давление активного газа, зависящее от материала мишени. Поэтому чаще получаются не химические соединения, а твердые растворы. На основе одной мишени из какого-либо металла и различных активных газов можно получать широкую гамму свойств осаждаемых пленок – от проводящих и низкоомных резистивных до высокоомных резистивныхи диэлектрических.Использовать реактивное распыление взамен непосредственного распыления мишени из химического соединения целесообразно тогда, когда коэффициент распыления данного химического соединения (оксида, нитрида и так далее) низкий, либо тогда, когда технологически трудно изготовить массивнуюмишень из этого соединения.
Кроме того, реактивное распыление создает условия для гибкого управления свойствами пленок при создании многослойныхструктур (например, пленочных конденсаторов).В общем случае процесс осаждения пленок при реактивном распыленииобусловлен тремя механизмами, действующими параллельно:- образование химического соединения на поверхности мишени и егораспыление;- образование химического соединения в пролетном пространстве «мишень − подложка» и осаждение его на подложку;- взаимодействие осажденных на подложке атомов мишени с атомами активного газа.В условиях невысокого давления газа в камере вероятность второго механизма весьма мала и его вклад в общий процесс формирования пленкина подложке незначителен.
Что касается соотношения вкладов первого87и второго механизмов, то это зависит от условий распыления, а именно, от родаматериала мишени и от рода активного газа, от общего давления газовой смесив камере и от парциального давления активного газа; от расстояния между мишенью и подложкой. На практике часто уменьшение давления парциальногогаза при прочих равных условиях увеличивает вероятность образования соединения непосредственно на подложке.
В большинстве случаев необходимые реакции полностью протекают при содержании активного газа в газовой смеси(аргон + активный газ) порядка единиц процентов.Магнетронное распылениеСтремление снизить давление рабочего газа в камере и увеличить скорость распыления мишеней привело к созданию метода магнетронного распыления.
Один из возможных вариантов схем магнетронного распылителя представлен на рис. 4.9. Цифрами обозначены: 1 – мишень, одновременно являющаяся катодом распылительной системы; 2 – постоянный магнит, создающиймагнитное поле, силовые линии которого параллельны поверхности мишени;3 – кольцевой анод. Выше анода располагается подложка (на рисунке не показана), на которой формируется пленка из материала мишени.Отличительной особенностью магнетронного распылителя является наличие двух скрещенных полей – электрического и магнитного.Если из мишени-катода будет испускаться электрон (за счет вторичной электронной эмиссии),то траектория его движения будет определятьсядействием на него этих полей.
Под воздействиемэлектрического поля электрон начнет двигаться каноду. Действие магнитного поля на движущийсязаряд приведет к возникновению силы Лоренца,Рис. 4.9.Схема установки длянаправленной перпендикулярно скорости. Суммагнетронного распылениямарное действие этих сил приведет к тому, что врезультате электрон будет двигаться параллельно поверхности мишени посложной замкнутой траектории, близкой к циклоиде.Важным здесь является то, что траектория движения замкнутая. Электронбудут двигаться по ней до тех пор, пока не произойдет несколько столкновенийего с атомами рабочего газа, в результате которых произойдет их ионизация,а сам электрон, потеряв скорость, переместиться за счет диффузии к аноду. Таким образом, замкнутый характер траектории движения электрона резко увеличивает вероятность его столкновения с атомами рабочего газа.
Это означает,что газоразрядная плазма может образовываться при значительно более низкихдавлениях, чем в методе катодного распыления. Значит и пленки, полученныеметодом магнетронного распыления, будут более чистыми.Другое важное преимущество магнетронных систем обусловлено тем, чтоионизация газа происходит непосредственно вблизи поверхности мишени.
Га88зоразрядная плазма локализована вблизи мишени, а не «размазана»в межэлектродном пространстве, как в методе катодного распыления.В результате резко возрастает интенсивность бомбардировки мишени ионамирабочего газа, тем самым увеличивается скорость распыления мишени и,как следствие, скорость роста пленки на подложке (скорость достигает несколько десятков нм/с).Наличие магнитного поля не дает электронам, обладающим высокой скоростью, долететь до подложки, не столкнувшись с атомами рабочего газа.
Поэтому подложка не нагревается вследствие бомбардировки ее вторичнымиэлектронами. Основным источником нагрева подложки является энергия, выделяемая при торможении и конденсации осаждаемых атомов вещества мишени,в результате чего температура подложки не превышает 100 − 200 °С. Это даетвозможность напылять пленки на подложки из материалов с малой термостойкостью (пластики, полимеры, оргстекло и так далее).4.3. Технология толстопленочных ГИССущность технологического процессаТехнология производства толстопленочных гибридных интегральныхмикросхем базируется на формировании на поверхности диэлектрической подложки «толстых» (толщиной более десяти микрометров) слоев различных материалов, которые выполняют функции проводящих дорожек, контактныхплощадок, резисторов, конденсаторов и так далее.
Слои наносят в виде пастразличного состава через специальные трафареты. После нанесения слоев производится термическая обработка (сушка и вжигание) для придания им заданных электрофизических и механических свойств. Обычно на подложке требуется формировать различные элементы ГИС (проводники, резисторы, конденсаторы), поэтому совокупность операций, включающая в себя нанесение слоя через трафарет и его термическую обработку, многократно повторяется. При этомдля каждого топологического слоя требуется свой трафарет и своя паста.Поскольку температура вжигания для электропроводящих, резистивныхи диэлектрических паст различна, то последовательность нанесения слоевдолжна быть вполне определенной. Сначала наносится электропроводящая паста, образующая проводники, контактные площадки и нижние обкладки конденсаторов, затем паста для диэлектриков конденсаторов и изоляции возможныхпересечений проводников.
Третьим слоем наносятся верхние обкладки конденсаторов и пересекающиеся проводники. Наконец, наносятся резистивные пасты, причем вначале наносятся пасты, имеющие наибольшую температуру вжигания, а в конце – пасты с наименьшей температурой вжигания. Разумеется, последовательность операций может быть и иной, но важно, чтобы термическаяобработка каждого последующего слоя не влияла на свойства уже нанесенныхна подложку слоев.89Качество толстопленочных элементов ГИС в основном хуже, чему тонкопленочных элементов, полученных термовакуумным испарением илиионно-плазменными методами. Это касается, в первую очередь, величиныТКС резисторовиТКЕконденсаторов,временнойстабильностии технологического разброса параметров.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
