Способы нанесения тонких пленок (курсовая). Методы нанесения тонких пленок
Способы нанесения тонких пленок
Электрохимическое осаждение
Это метод получения пленок отличается от предыдущих тем, что рабочей средой является жидкость. Однако характер процессов сходен с ионно-плазменным напылением, поскольку и плазма, и электролит представляют собой квазинейтральную смесь ионов и неионизированных молекул или атомов. А главное, осаждение происходит также постепенно (послойно) как и напыление, т.е. обеспечивает возможность получения тонких пленок.
Электрохимическое осаждение исторически развилось значительно раньше других рассмотренных методов – еще в XIX веке. Уже десятки лет назад оно широко использовалось в машиностроении для разного рода гальванических покрытий (никелирование, хромирование и т. п.). В микроэлектронике электрохимическое осаждение не является альтернативой термическому и ионно-плазменному напылению; оно дополняет их и сочетается с ними.
В основе электрохимического осаждения лежит электролиз раствора, содержащего ионы необходимых примесей. Например, если требуется осадить медь, используется раствор медного купороса, а если золото или никель – растворы соответствующих солей.
Ионы металлов дают в растворе положительный заряд. Поэтому, чтобы осадить металлическую пленку, подложку следует использовать как катод. Если подложка является диэлектриком или имеет низкую проводимость, на нее предварительно наносят тонкий металлический подслой, который и служит катодом. Подслой можно нанести методом термического или ионно-плазменного напыления.
Чтобы осуществить электрохимическое анодирование, окисляемую пленку металла следует использовать как анод, а электролит должен содержать ионы кислорода.
Большое преимущество электрохимического осаждения перед напылением состоит в гораздо большей скорости процесса, которая легко регулируется изменением тока. Поэтому основная область применения электролиза в микроэлектронике – это получение сравнительно толстых пленок (10 – 20 мкм и более). Качество (структура) таких пленок хуже, чем при напылении, но для ряда применений они оказываются вполне приемлемыми.
Термическое (вакуумное) напыление
Схема этого метода показана на рис. 6.15. Металлический или стеклянный колпак 1 расположен на опорной плите 2. Между ними находится прокладка 3, обеспечивающая поддержание вакуума после откачки подколпачного пространства. Подложка 4, на которую проводится напыление, закреплена на держателе 5. К держателю примыкает нагреватель 6 (напыление проводится на нагретую подложку). Испаритель 7 включает в себя нагреватель и источник напыляемого вещества. Поворотная заслонка 8 перекрывает поток паров от испарителя к подложке: напыление длится в течение времени, когда заслонка открыта.
Нагреватель обычно представляет собой нить или спираль из тугоплавкого металла ( вольфрам, молибден и др.), через которую пропускается достаточно большой ток. Источник напыляемого вещества связывается с нагревателем по-разному: в виде скобок («гусариков»), навешиваемых на нить накала; в виде небольших стержней, охватываемых спиралью, в виде порошка, засыпанного в тигель, нагреваемый спиралью, и т. п. Вместо нитей накала в последнее время используют нагрев с помощью электронного луча или луча лазера.
На подложке создаются наиболее благоприятные условия для конденсации паров, хотя частично конденсация паров и на стенках колпака. Слишком низкая температура подложки препятствует равномерному распределению адсорбируемых атомов: они группируются в «островки» разной толщины, часто не связанные друг с другом. Наоборот, слишком высокая температура подложки приводит к отрыву только что осевших атомов, к их «реиспарению». Поэтому для получения качественной пленки температура подложки должна лежать в некоторых оптимальных пределах (обычно 200-400 0С). Скорость роста пленок в зависимости от ряда факторов (температура нагревателя, температура подложки, расстояние от испарителя до подложки, тип напыляемого материала и др.) лежит в пределах от десяти долей до десятков нанометров в секунду.
Прочность связи – сцепление пленки с подложкой или другой пленкой – называется адгезией. Некоторые распространенные материалы (например, золото) имеют плохую адгезию с типичными подложками, в том числе с кремнием. В таких случаях на подложку сначала наносят так называемый подслой, характерный хорошей адгезией, а затем на него напыляют основной материал, у которого адгезия с подслоем тоже хорошая. Например, для золота подслоем могут быть никель или титан.
Способы нанесения тонких пленок (курсовая)
Ивановский Государственный Энергетический Университет
Способы нанесения тонких пленок
Выполнил: Кузнецов Ю. М.
Проверил: Терехов А. И.
Иваново 2000 г.
Тонкие пленки не только являются основой тонкопленочных ГИС, но широко используются и в полупроводниковых интегральных схемах. Поэтому методы получения тонких пленок относится к общим вопросам технологии микроэлектроники.
Существует три основных метода нанесения тонких пленок на подложку и друг на друга: термическое (вакуумное) напыление, ионно-плазменное напыление и электрохимическое осаждение. Ионно-плазменное напыление имеет две разновидности: катодное напыление и собственно ионно-плазменное.
Термическое (вакуумное) напыление
Схема этого метода показана на рис. 6.15. Металлический или стеклянный колпак 1 расположен на опорной плите 2. Между ними находится прокладка 3, обеспечивающая поддержание вакуума после откачки подколпачного пространства. Подложка 4, на которую проводится напыление, закреплена на держателе 5. К держателю примыкает нагреватель 6 (напыление проводится на нагретую подложку). Испаритель 7 включает в себя нагреватель и источник напыляемого вещества. Поворотная заслонка 8 перекрывает поток паров от испарителя к подложке: напыление длится в течение времени, когда заслонка открыта.
Нагреватель обычно представляет собой нить или спираль из тугоплавкого металла ( вольфрам, молибден и др.), через которую пропускается достаточно большой ток. Источник напыляемого вещества связывается с нагревателем по-разному: в виде скобок («гусариков»), навешиваемых на нить накала; в виде небольших стержней, охватываемых спиралью, в виде порошка, засыпанного в тигель, нагреваемый спиралью, и т. п. Вместо нитей накала в последнее время используют нагрев с помощью электронного луча или луча лазера.
На подложке создаются наиболее благоприятные условия для конденсации паров, хотя частично конденсация паров и на стенках колпака. Слишком низкая температура подложки препятствует равномерному распределению адсорбируемых атомов: они группируются в «островки» разной толщины, часто не связанные друг с другом. Наоборот, слишком высокая температура подложки приводит к отрыву только что осевших атомов, к их «реиспарению». Поэтому для получения качественной пленки температура подложки должна лежать в некоторых оптимальных пределах (обычно 200-400 0С). Скорость роста пленок в зависимости от ряда факторов (температура нагревателя, температура подложки, расстояние от испарителя до подложки, тип напыляемого материала и др.) лежит в пределах от десяти долей до десятков нанометров в секунду.
Прочность связи – сцепление пленки с подложкой или другой пленкой – называется адгезией. Некоторые распространенные материалы (например, золото) имеют плохую адгезию с типичными подложками, в том числе с кремнием. В таких случаях на подложку сначала наносят так называемый подслой, характерный хорошей адгезией, а затем на него напыляют основной материал, у которого адгезия с подслоем тоже хорошая. Например, для золота подслоем могут быть никель или титан.
Для того, чтобы атома газа, летящие от испарителя к подложке, испытали минимальное количество столкновений с атомами остального газа и тем самым минимальное рассеяние, в подколпачном пространстве нужно обеспечивать достаточно высокий вакуум. Критерием необходимого вакуума может служить условие, чтобы средняя длина свободного пробега в несколько раз превышала расстояние между испарителем и подложкой. Однако этого условия часто недостаточно, так как любо количество остаточного газа чревато загрязнением напыляемой пленки и изменением ее свойств. Поэтому в принципе вакуум в установках термического напыления должен быть как можно более высоким. В настоящее время вакуум ниже 10-6 мм рт. ст. считается неприемлемым, а в ряде первоклассных напылительных установок он доведен до 10-11 мм рт. ст.
Главными достоинствами рассмотренного метода являются его простота и возможность получения исключительно чистых пленок (при высоком вакууме). Однако у него есть и серьезные недостатки: трудность напыления тугоплавких материалов и трудность (а иногда невозможность) воспроизведения на подложке химического состава испаряемого вещества. Последнее объясняется тем, что при высокой температуре химические соединения диссоциируют, а их составляющие конденсируются на подложке раздельно. Естественно, имеется вероятность того, что новая комбинация атомов на подложке не будет соответствовать структуре исходной молекулы.
Катодное напыление
Схема этого метода показана на рис. 6.16. Здесь большинство компонентов те же, что и на рис. 6.15. Однако отсутствует испаритель; его место по расположению (и по функциям) занимает катод 6, который либо состоит из напыляемого вещества, либо электрически контактирует с ним. Роль анода выполняет подложка вместе с держателем.
Подколпачное пространство сначала откачивают до 10-5 – 10-6 мм рт. ст., а затем в него через штуцер 8 вводят некоторое количество очищенного нейтрального газа (чаще всего аргона), так что создается давление 10-1 – 10-2 ммрт. ст. При подаче высокого (2 – 3 кВ) напряжения на катод (анод заземлен из соображений электробезопасности) в пространстве анод-катод возникает аномальный тлеющий разряд, сопровождающийся образованием квазинейтральной электронно – ионной плазмы.
Специфика аномального тлеющего разряда состоит в том, что в прикатодном пространстве образуется настолько сильное электрическое поле, что положительные ионы газа, ускоряемые этим полем и бомбардирующие катод, выбивают из него не только электроны (необходимые для поддержания разряда), но и нейтральные атомы. Тем самым катод постепенно разрушается. В обычных газоразрядных приборах разрушение катода не допустимо (поэтому в них используется нормальный тлеющий разряд), но в данном случае выбивание атомов из катода является полезным процессом, аналогичным испарению.
Важным преимуществом катодного напыления по сравнению с термическим является то, что распыление катода не связано с высокой температурой. Соответственно отпадают трудности при напылении тугоплавких материалов и химических соединений.
Однако в данном методе катод (т. е. напыляемый материал), будучи элементом газоразрядной цепи, должен обладать высокой электропроводностью. Такое требование ограничивает ассортимент напыляемых материалов. В частности, оказывается невозможным напыление диэлектриков, в том числе многих окислов и других химических соединений, распространенных в технологии полупроводниковых приборов.
Это ограничение в значительной мере устраняется при использовании так называемого реактивного (или химического) катодного напыления, особенность которого состоит в добавлении к основной массе инертного газа небольшого количества активных газов, способных образовывать необходимые химические соединения с распыляемым материалом катода. Например, примешивая к аргону кислород, можно вырастить на подложке пленку окисла. Примешивая азот или моноокись углерода, можно нитриды или карбиды соответствующих металлов. В зависимости от парциального давления активного газа химическая реакция может происходить либо на катоде (и тогда на подложке осаждается уже готовое соединение), либо на подложке – аноде.
Недостатками катодного напыления в целом являются некоторая загрязненность пленок (из-
ukrreferat.com
Способы нанесения тонких пленок
Читайте данную работу прямо на сайте или скачайте
Тонкие пленки не только являются основой тонкопленочных ГИС, но широко используются и в полупроводниковых интегральных схемах. Поэтому методы получения тонких пленок относится к общим вопросам технологии микроэлектроники.
Существует три основных метода нанесения тонких пленок на подложку и друг на друга: термическое (вакуумное) напыление, ионно-плазменное напыление и электрохимическое осаждение. Ионно-плазменное напыление имеет две разновидности: катодное напыление и собственно ионно-плазменное.
Термическое (вакуумное) напыление
Схема этого метода показана на рис. 6.15. Металлический или стеклянный колпак 1 расположен на опорной плите 2. Между ними находится прокладка 3, обеспечивающая поддержание вакуума после откачки подколпачного пространства. Подложка 4, на которую проводится напыление, закреплена на держателе 5. К держателю примыкает нагреватель 6 (напыление проводится на нагретую подложку). Испаритель 7 включает в себя нагреватель и источник напыляемого вещества. Поворотная заслонка 8 перекрывает поток паров от испарителя к подложке: напыление длится в течение времени, когда заслонка открыта.
Нагреватель обычно представляет собой нить или спираль из тугоплавкого металла ( вольфрам, молибден и др.), через которую пропускается достаточно большой ток. Источник напыляемого вещества связывается с нагревателем по-разному: в виде скобок (лгусариков), навешиваемых на нить накала; в виде небольших стержней, охватываемых спиралью, в виде порошка, засыпанного в тигель, нагреваемый спиралью, и т. п. Вместо нитейа накала в последнее время используют нагрев с помощью электронного луча или луча лазера.
На подложке создаются наиболее благоприятные словия для конденсации паров, хотя частично конденсация паров и на стенках колпака. Слишком низкая температура подложки препятствует равномерному распределению адсорбируемых атомов: они группируются в лостровки разной толщины, часто не связанные друг с другом. Наоборот, слишком высокая температура подложки приводит к отрыву только что осевших атомов, к их лреиспарению. Поэтому для получения качественной пленки температура подложки должна лежать в некоторых оптимальных пределах (обычно 200-400 0С). Скорость роста пленок в зависимости от ряда факторов (температура нагревателя, температура подложки, расстояние от испарителя до подложки, тип напыляемого материала и др.) лежит в пределах от десяти долей до десятков нанометров в секунду.
Прочность связи - сцепление пленки с подложкой или другой пленкой - называется адгезией. Некоторые распространенные материалы (например, золото) имеют плохую адгезию с типичными подложками, в том числе с кремнием. В таких случаях на подложку сначала наносят так называемый подслой, характерный хорошей адгезией, затем на него напыляют основной материал, у которого адгезия с подслоем тоже хорошая. Например, для золот подслоем могут быть никель или титан.
Для того, чтобы атома газа, летящие от испарителя к подложке, испытали минимальное количество столкновений с атомами остального газа и тем самым минимальное рассеяние, в подколпачном пространстве нужно обеспечивать достаточно высокий вакуум. Критерием необходимого вакуума может служить словие, чтобы средняя длина свободного пробега в несколько раз превышала расстояние между испарителем и подложкой. Однако этого словия часто недостаточно, так как любо количество остаточного газа чревато загрязнением напыляемой пленки и изменением ее свойств. Поэтому в принципе вакуум в установках термического напыления должен быть как можно более высоким. В настоящее время вакуум ниже 10-6 мм рт. ст. считается неприемлемым, в ряде первоклассных напылительных установок он доведен до 10-11 мм рт. ст.
Главными достоинствами рассмотренного метода являются его простот и возможность получения исключительно чистых пленок (при высоком вакууме). Однако у него есть и серьезные недостатки: трудность напыления тугоплавких материалов и трудность (а иногда невозможность) воспроизведения на подложке химического состава испаряемого вещества. Последнее объясняется тем, что при высокой температуре химические соединения диссоциируют, их составляющие конденсируются на подложке раздельно. Естественно, имеется вероятность того, что новая комбинация атомов на подложке не будет соответствовать структуре исходной молекулы.
Катодное напыление
Схема этого метода показана на рис. 6.16. Здесь большинство компонентов те же, что и на рис. 6.15. Однако отсутствует испаритель; его место по расположению (и по функциям) занимает катод 6, который либо состоит из напыляемого вещества, либо электрически контактирует с ним. Роль анода выполняет подложка вместе с держателем.
Подколпачное пространство сначала откачивают до 10-5 Ц 10-6 мм рт. ст., затем в него через штуцер 8 вводят некоторое количество очищенного нейтрального газа (чаще всего аргона), так что создается давление 10-1 - 10-2 мм рт. ст. При подаче высокого (2 - 3 кВ) напряжения на катод (анод заземлен из соображений электробезопасности) в пространстве анод-катод возникает аномальный тлеющий разряд, сопровождающийся образованием квазинейтральной электронно - ионной плазмы.
Специфика аномального тлеющего разряда состоит в том, что в прикатодном пространстве образуется настолько сильное электрическое поле, что положительные ионы газа, скоряемые этим полем и бомбардирующие катод, выбивают из него не только электроны (необходимые для поддержания разряда), но и нейтральные атомы. Тем самым катод постепенно разрушается. В обычных газоразрядных приборах разрушение катода не допустимо (поэтому в них используется нормальный тлеющий разряд), но в данном случае выбивание атомов из катода является полезным процессом, аналогичным испарению.
Важным преимуществом катодного напыления по сравнению с термическим является то, что распыление катода не связано с высокой температурой. Соответственно отпадают трудности при напылении тугоплавких материалов и химических соединений.
Однако в данном методе катод (т. е. напыляемый материал), будучи элементом газоразрядной цепи, должен обладать высокой электропроводностью. Такое требование ограничивает ассортимент напыляемых материалов. В частности, оказывается невозможным напыление диэлектриков, в том числе многих окислов и других химических соединений, распространенных в технологии полупроводниковых приборов.
Это ограничение в значительной мере страняется при использовании так называемого реактивного (или химического) катодного напыления, особенность которого состоит в добавлении к основной массе инертного газа небольшого количества активных газов, способных образовывать необходимые химические соединения с распыляемым материалом катода. Например, примешивая к аргону кислород, можно вырастить на подложке пленку окисла. Примешивая азот или моноокись углерода, можно нитриды или карбиды соответствующих металлов. В зависимости от парциального давления активного газа химическая реакция может происходить либо на катоде (и тогда на подложке осаждается же готовое соединение), либо на подложке - аноде.
Недостатками катодного напыления в целом являются некоторая загрязненность пленок (из-за использования сравнительно низкого вакуума), меньшая по сравнению с термическим методом скорость напыления (по той же причине), а также сложность контроля процессов.
Ионно-плазменное напыление
Схема этого метода показана на рис. 6.17. Главная его особенность по сравнению с методом катодного напыления состоит в том, что в промежутке между электродом 9 - мишенью (с нанесенным на нее напыляемым материалом) и подложкой 4 действует независимый, дежурный газовый разряд. Разряд имеет место между электродами 6 и 7, причем тип разряда - несамостоятельный дуговой. Для этого типа разряда характерны: наличие специального источника электронов в виде накаливаемого катода (6), низкие рабочие напряжения (десятки вольт) и большая плотность электронно-ионной плазмы. Подколпачное пространство, как и при катодном напылении, заполнено нейтральным газом, но при более низком давлении (10-3 - 10-4 мм рт. ст.).
Процесс напыления состоит в следующем. На мишень относительно плазмы (практически - относительно заземленного анода 7) подается отрицатеьный потенциал (2-3 кВ), достаточный для возникновения аномального тлеющего разряда и интенсивной бомбардировки положительными ионами плазмы. Выбиваемые атомы мишени попадают на подложку и осаждаются на ней. Таким образом, принципиальныха различий между процессами катодного и ионно-плазменного напыления нет. Различают лишь конструкции установок: их называют соответственно 2х и 3х электродными.
Начало и конец процесса напыления определяются подачей и отключением напряжения на мишени. Если предусмотреть механическую заслонку (см. рис. 6.15), то ее наличие позволяет реализовать важную дополнительную возможность: если до начала напыления закрыть заслонку и подать потенциал на мишень, то будет иметь место ионная очистка мишени. Она полезна для повышения качества напыляемой пленки. Аналогичную очистку можно проводить на подложке, подавая на нее (до напыления пленки) отрицательный потенциал.
При напылении диэлектрических пленок возникает затруднение, связанное с накоплением на мишени положительного заряда, препятствующего дальнейшей ионной бомбардировке. Это затруднение преодолевается путем использования так называемого высокочастотного ионно-плазменного напыления. В этом случае на мишень на ряду с постоянныма отрицательным напряжением подается переменное напряжение высокой частоты (около 15 Гц) с амплитудой, несколько превышающей постоянное напряжение. Тогда во время большей части периода результирующее напряжение отрицательно; при этом происходит обычный процесс распыления мишени и на ней накапливается положительный заряд. Однако во время во время небольшой части периода результирующее напряжение положительно; при этом мишень бомбардируется электронами из плазы, т. е. распыления не происходит, но зато компенсируется накопленный положительный заряд.
Вариант реактивного (химического) ионно-плазменного напыления открывает те же возможности получения окислов, нитридов и других соединений, что и реактивное катодное напыление.
Преимущества собственно ионно-плазменного метода по сравнению с катодным состоят в большей скорости напыления и большей гибкости процесса (возможность ионной очистки, возможность отключения рабочей цепи без прерывания разряда и др.). Кроме того, на качестве пленок сказывается более высокий вакуум.
нодирование
Один из вариантов химического ионно-плазменного напыления называют анодированием. Этот процесс состоит в окислении поверхности металлической пленкиа (находящейся под положительным потенциалом) отрицательными ионами кислорода, поступающими из плазмы газового разряда. Для этого к инертному газу (как и при чисто химическом напылении) следует добавить кислород. Т. о., анодирование осуществляется не нейтральными атомами, ионами.
Химическое напыление и анодирование проходят совместно, т.к. в газоразрядной плазме (если она содержит кислород) сосуществуют нейтральные атомы и ионы кислорода. Для того чтобы анодирование превалировало над чисто химическим напылением, подложку располагают лицом (т.е. металлической пленкой) в сторону, противоположную катоду, с тем, чтобы на нее не попадали нейтральные атомы.
По мере нарастания окисного слоя ток в анодной цепи падает, т. к. окисел является диэлектриком. Для поддержания тока нужно повышать питающее напряжение. Поскольку часть этого напряжения падает на пленке, процесс анодирования протекает в словиях большой напряженности поля в окисной пленке. В результате и в дальнейшем она обладает повышенной электрической прочностью.
К числу других преимуществ анодирования относятся большая скорость окисления и возможность правления процессом путем изменения тока в цепи разряда. Качество оксидных пленок, получаемых данным методом, выше, чем при использовании других методов.
Электрохимическое осаждение
Это метод получения пленок отличается от предыдущих тем, что рабочей средой является жидкость. Однако характер процессов сходен с ионно-плазменным напылением, поскольку и плазма, и электролит представляют собой квазинейтральную смесь ионов и неионизированных молекул или атомов. А главное, осаждение происходит также постепенно (послойно) как и напыление, т.е. обеспечивает возможность получения тонких пленок.
Электрохимическое осаждение исторически развилось значительно раньше других рассмотренных методов - еще в XIX веке. же десятки лет назад оно широко использовалось в машиностроении для разного рода гальванических покрытий (никелирование, хромирование и т. п.). В микроэлектронике электрохимическое осаждение не является альтернативой термическому и ионно-плазменному напылению; оно дополняет их и сочетается с ними.
В основе электрохимического осаждения лежит электролиз раствора, содержащего ионы необходимых примесей. Например, если требуется осадить медь, используется раствор медного купороса, если золото или никель - растворы соответствующих солей.
Ионы металлов дают в растворе положительный заряд. Поэтому, чтобы осадить металлическую пленку, подложку следует использовать как катод. Если подложка является диэлектриком или имеет низкую проводимость, на нее предварительно наносят тонкий металлический подслой, который и служит катодом. Подслой можно нанести методом термического или ионно-плазменного напыления.
Чтобы осуществить электрохимическое анодирование, окисляемую пленку металла следует использовать как анод, электролит должен содержать ионы кислорода.
Большое преимущество электрохимического осаждения перед напылением состоит в гораздо большей скорости процесса, которая легко регулируется изменением тока. Поэтому основная область применения электролиза в микроэлектронике - это получение сравнительно толстых пленок (10 - 20 мкм и более). Качество (структура) таких пленок хуже, чем при напылении, но для ряда применений они оказываются вполне приемлемыми.
geum.ru
Способы нанесения тонких пленок
Дисциплина: Технические Тип работы: Курсовая Тема: Способы нанесения тонких пленокТонкие пленки не только являются основой тонкопленочных ГИС, но широко используются и в полупроводниковых интегральных схемах. Поэтому методы получения тонких пленок относится к общим вопросам технологии микроэлектроники. Существует три основных метода нанесения тонких пленок на подложку и друг на друга: термическое (вакуумное) напыление, ионно-плазменное напыление и электрохимическое осаждение. Ионно-плазменное напыление имеет две разновидности: катодное напыление и собственно ионно-плазменное. Термическое (вакуумное) напыление Схема этого метода показана на рис. 6.15. Металлический или стеклянный колпак 1 расположен на опорной плите 2. Между ними находится прокладка 3, обеспечивающая поддержание вакуума после откачки подколпачного пространства. Подложка 4, на которую проводится напыление, закреплена на держателе 5. К держателю примыкает нагреватель 6 (напыление проводится на нагретую подложку). Испаритель 7 включает в себя нагреватель и источник напыляемого вещества. Поворотная заслонка 8 перекрывает поток паров от испарителя к подложке: напыление длится в течение времени, когда заслонка открыта. Нагреватель обычно представляет собой нить или спираль из тугоплавкого металла ( вольфрам, молибден и др.), через которую пропускается достаточно большой ток. Источник напыляемого вещества связывается с нагревателем по-разному: в виде скобок (« гусариков»), навешиваемых на нить накала; в виде небольших стержней, охватываемых спиралью, в виде порошка, засыпанного в тигель, нагреваемый спиралью, и т. п. Вместо нитей накала в последнее время используют нагрев с помощью электронного луча или луча лазера. На подложке создаются наиболее благоприятные условия для конденсации паров, хотя частично конденсация паров и на стенках колпака. Слишком низкая температура подложки препятствует равномерному распределению адсорбируемых атомов: они группируются в «островки» разной толщины, часто не связанные друг с другом. Наоборот, слишком высокая температура подложки приводит к отрыву только что осевших атомов, к их « реиспарению». Поэтому для получения качественной пленки температура подложки должна лежать в некоторых оптимальных пределах (обычно 200-400 0С). Скорость роста пленок в зависимости от ряда факторов (температура нагревателя, температура подложки, расстояние от испарителя до подложки, тип напыляемого материала и др.) лежит в пределах от десяти долей до десятков нанометров в секунду. Прочность связи – сцепление пленки с подложкой или другой пленкой – называется адгезией. Некоторые распространенные материалы (например, золото) имеют плохую адгезию с типичными подложками, в том числе с кремнием. В таких случаях на подложку сначала наносят так называемый подслой, характерный хорошей адгезией, а затем на него напыляют основной материал, у которого адгезия с подслоем тоже хорошая. Например, для золота подслоем могут быть никель или титан. Для того, чтобы атома газа, летящие от испарителя к подложке, испытали минимальное количество столкновений с атомами остального газа и тем самым минимальное рассеяние, в подколпачном пространстве нужно обеспечивать достаточно высокий вакуум. Критерием необходимого вакуума может служить условие, чтобы средняя длина свободного пробега в несколько раз превышала расстояние между испарителем и подложкой. Однако этого условия часто недостаточно, так как любо количество остаточного газа чревато загрязнением напыляемой пленки и изменением ее свойств. Поэтому в принципе вакуум в установках термического напыления должен быть как можно более высоким. В настоящее время вакуум ниже 10 мм рт. ст. считается неприемлемым, а в ряде первоклассных напылительных установок он доведен до 10-11 мм рт. ст. Главными достоинствами рассмотренного метода являются его простота и возможность получения исключительно чистых пленок (при высоком вакууме). Однако у него есть и серьезные недостатки: трудность напыления тугоплавких материалов и трудность (а иногда невозможность) воспроизведения на подложке химического состава испаряемого вещества. Последнее объясняется тем, что при высокой температуре химические соединения диссоциируют, а их составляющие конденсируются на подложке раздельно. Естественно, имеется вероятность того, что новая комбинация атомов на подложке не будет соответствовать структуре исходной молекулы. Катодное напыление Схема этого метода показана на рис. 6.16. Здесь большинство компонентов те же, что и на рис. 6.15. Однако отсутствует испаритель; его место по расположению (и по функциям) занимает катод 6, который либо состоит из напыляемого вещества, либо электрически контактирует с ним. Роль анода выполняет подложка вместе с держателем. Подколпачное пространство сначала откачивают до 10 -5 – 10 мм рт. ст., а затем в него через штуцер 8 вводят некоторое количество очищенного нейтрального газа (чаще всего аргона), так что создается давление 10-1 – 10 мм рт. ст. При подаче высокого (2 – 3 кВ) напряжения на катод (анод заземлен из соображений электробезопасности) в пространстве анод-катод возникает аномальный тлеющий разряд, сопровождающийся образованием квазинейтральной электронно – ионной плазмы. Специфика аномального тлеющего разряда состоит в том, что в прикатодном пространстве образуется настолько сильное электрическое поле, что положительные ионы газа, ускоряемые этим полем и бомбардирующие катод, выбивают из него не только электроны (необходимые для поддержания разряда), но и нейтральные атомы. Тем самым катод постепенно разрушается. В обычных газоразрядных приборах разрушение катода не допустимо (поэтому в них используется нормальный тлеющий разряд), но в данном случае выбивание атомов из катода является полезным процессом, аналогичным испарению. Важным преимуществом катодного напыления по сравнению с термическим является то, что распыление катода не связано с высокой температурой. Соответственно отпадают трудности при напылении тугоплавких материалов и химических соединений. Однако в данном методе катод (т. е. напыляемый материал), будучи элементом газоразрядной цепи, должен обладать высокой электропроводностью. Такое требование ограничивает ассортимент напыляемых материалов. В частности, оказывается невозможным напыление диэлектриков, в том числе многих окислов и других химических соединений, распространенных в технологии полупроводниковых приборов. Это ограничение в значительной мере устраняется при использовании так называемого реактивного (или химического) катодного напыления, особенность которого состоит в добавлении к основной массе инертного газа небольшого количества активных газов, способных образовывать необходимые химические соединения с распыляемым материалом катода. Например, примешивая к аргону кислород, можно вырастить на подложке пленку окисла. Примешивая азот или моноокись углерода, можно нитриды или карбиды соответствующих металлов. В зависимости от парциального давления активного газа химическая реакция может происходить либо на катоде (и тогда на подложке осаждается уже готовое ...
Забрать файлПохожие материалы:
www.refland.ru
23.Функции тонких металлических плёнок в технологии ииэ. Стадии процесса нанесения тонких плёнок. Классификация методов нанесения.
Функции тонких металлических плёнок в технологии ИИЭ. Стадии процесса нанесения тонких плёнок. Классификация методов нанесения
Тонкопленочные элементы ГИС осуществляются с помощью технологических методов, описанных в 6.8, т. е. путем локального (через маски) термического, катодного или ионно–плазменного напыления того или иного материала надиэлектрическую подложку. В качестве масок длительное время использовались накладныеметаллические трафареты. Такие трафареты представляли собой тонкую биметаллическую фольгу с отверстиями – окнами. Основу трафарета составлял слой бериллиевой бронзы толщиной 100–150 мкм, к которому прилегал слой электрохимически нанесенного никеля толщиной 10–20 мкм, Последний определял размеры окон, т. е. рисунок трафарета, а слой бериллиевой бронзы выполнял роль несущей конструкции. Серьезные недостатки металлических накладных трафаретов заключаются в том, что, во-первых, в процессе напыления пленок происходит напыление на сами трафареты, что меняет их толщину и постепенно приводит их негодность. Во-вторых, металлические трафареты мало пригодны при катодном и ионно-плазменном напылении, так как металл искажает электрическое поле и, следовательно, влияет на скорость напыления. Поэтому в последние годы от металлических накладных трафаретов практически отказались и используют для получения необходимого рисунка фотолитографию – метод заимствован из технологии полупроводниковых ИС.
Фотолитографию осуществляют следующим образом. На подложку наносят сплошные пленки необходимых материалов, например, резистивньй слой и поверх него – проводящий слой. Затем поверхность покрывают фоторезистом с помощью соответствующего фотошаблона создают в нем рисунок для проводящего слоя (например, для контактных площадок будущего резистора, 6.23, а). Через окна в фоторезистной маске проходит травление проводящего слоя, после чего фоторезист удаляют. В результате пока еще сплошной поверхности резистивного слоя получаются готовые контактные площадки (рис. 6.23, б). Снова наносят фоторезист и с помощью другого фотошаблона создают рисунок полоски резистора (рис. 6.23, в). Затем проводят травление, удаляют фоторезист и получают готовую конфигурацию резистора с контактными площадкам (рис. 6.23, г).
Конечно, важно, чтобы травитель, действующий на проводящий слой, не действовал на резистивный и наоборот. Имеется и еще ряд ограничений, которых мы не будем касаться. Заметим лишь, что с помощью фотолитографии не удается получать многослойные структуры типа конденсаторов. Однако это ограничение не очень существенно, так как в последнее время предпочитают использовать в ГИС навесные конденсаторы (ради экономии площади). Для резистивных пленок чаще всего используют хром, нихром (Ni− 80%,Cr − 20%) и кермет из смеси хрома и моноокиси кремния (1:1). Метод напыления для этих материалов – термический (вакуумный) Омические контакты к резистивным пленкам (полоскам) осуществляются так, как показано на рис. 6.23.
Для обкладок конденсаторов используют алюминий, причем до напыления нижней обкладки (прилегающей к подложке) приходится предварительно напылять тонкий подслой из сплава CrTi, так как адгезия алюминия непосредственно с подложкой оказывается недостаточной. Для диэлектрических слоев пленочных конденсаторов по совокупности требований (большая диэлектрическая проницаемость ξ, малый тангенс угла потерь tgδ , большая пробивная напряженность и др.) наибольшее распространение имеют моноокись кремния SiOи моноокись германия GeO. Особое место среди диэлектриков занимают окислы 2 5 Ta O и 2 3 Al O , которые получают не методом напыления, а методом анодирования нижних металлических обкладок (Taили Al). Для проводниковых пленок и омических контактов используют, как правило, либо золото с подслоем CrTi, либо медь с подслоем ванадия (назначение подслоев – улучшить адгезию с подложкой). Толщина проводящих пленок и контактных площадок обычно составляет 0,5–1 мкм. Размеры контактных площадок от 200 * 250 мкм и более.
Толщина наносимых пленок контролируется в процессе напыления. Для этого используется несколько методов. Один из них, пригодный только в случае резистивных пленок, состоит в использовании так называемого свидетеля. Свидетель представляет собой вспомогательный (не входящий в структуру ГИС) слой, напыляемый одновременно с рабочими слоями, но расположенный на периферии подложки и снабженный двумя заранее предусмотренными внешними выводами. Через эти выводы осуществляется контроль сопротивления свидетеля в процессе напыления. Геометрия свидетеля известна. Поэтому, когда его сопротивление достигает значения, соответствующего необходимой толщине, напыление прекращают (перекрывают заслонку). Толщина рабочих слоев будет такой же, как у свидетеля, так как они напылялись в одинаковых условиях. Другой способ контроля состоит в использовании в качестве свидетеля тонкой кварцевой пластины, которая через внешние выводы присоединена к колебательному контуру генератора колебаний. Как известно, кварцевая пластина обладает свойствами колебательного контура, причем резонансная частота однозначно связана с толщиной пластины. В процессе напыления толщина пластины меняется и меняется частота генератора. Изменения частоты легко измерить и остановить процесс напыления в нужный момент. Подложки тонкопленочных ГИС должны прежде всего обладать хорошими изолирующими свойствами. Кроме того, желательны малая диэлектрическая проницаемость, высокая теплопроводность, достаточная механическая прочность. Температурный коэффициент расширения должен быть близким к температурным коэффициентам расширения используемых пленок. Типичные параметры подложек следующие: ρ = 1014Ом * см; ε = 5 −15; tgδ = (2 − 20) *10−4; TKL = (5 − 7) *10−6 . В настоящее время наибольшее распространение в качестве подложек имеют ситалли керамика; стекло утратило свое первоначальное значение. Ситалл представляет собой кристаллическую разновидность стекла (обычной стекло аморфно), а керамика – смесь окислов в стекловидной и кристаллической фазах (главные составляющие 2 3 Al O и 2 SiO). Толщина подложек составляет 0,5–1 мм в зависимости от площади. Площадь подложек у ГИС значительно больше площади кристаллов у полупроводниковых ИС. Стандартные размеры подложек лежат в пределах от 12*10 до 48*30 мм. Требования к гладкости поверхности примерно такие же, как и в случае кремния: допустимая шероховатость не превышает 25*50 нм (класс шероховатости 12-14).
Обычно ГИС, как и полупроводниковые ИС, изготавливаются групповым методом на ситалловых или иных пластинах большой площади. По завершении основных технологических операций, связанных с получением пленочных пассивных элементов и металлической разводки, пластина разделяется на отдельные подложки. Это обычно осуществляют методом скрайбирования, как и в случае полупроводниковых ИС. После разделения подложек каждая из них снабжаетсянавесными компонентами и заключается в корпус
studfiles.net
Способы нанесения тонких пленок
Тонкие пленки не только являются основой тонкопленочных ГИС, но широко используются и в полупроводниковых интегральных схемах. Поэтому методы получения тонких пленок относится к общим вопросам технологии микроэлектроники.
Существует три основных метода нанесения тонких пленок на подложку и друг на друга: термическое (вакуумное) напыление, ионно-плазменное напыление и электрохимическое осаждение. Ионно-плазменное напыление имеет две разновидности: катодное напыление и собственно ионно-плазменное.
Термическое (вакуумное) напыление
Схема этого метода показана на рис. 6.15. Металлический или стеклянный колпак 1 расположен на опорной плите 2. Между ними находится прокладка 3, обеспечивающая поддержание вакуума после откачки подколпачного пространства. Подложка 4, на которую проводится напыление, закреплена на держателе 5. К держателю примыкает нагреватель 6 (напыление проводится на нагретую подложку). Испаритель 7 включает в себя нагреватель и источник напыляемого вещества. Поворотная заслонка 8 перекрывает поток паров от испарителя к подложке: напыление длится в течение времени, когда заслонка открыта.
Нагреватель обычно представляет собой нить или спираль из тугоплавкого металла ( вольфрам, молибден и др.), через которую пропускается достаточно большой ток. Источник напыляемого вещества связывается с нагревателем по-разному: в виде скобок (лгусариков), навешиваемых на нить накала; в виде небольших стержней, охватываемых спиралью, в виде порошка, засыпанного в тигель, нагреваемый спиралью, и т. п. Вместо нитейа накала в последнее время используют нагрев с помощью электронного луча или луча лазера.
На подложке создаются наиболее благоприятные словия для конденсации паров, хотя частично конденсация паров и на стенках колпака. Слишком низкая температура подложки препятствует равномерному распределению адсорбируемых атомов: они группируются в лостровки разной толщины, часто не связанные друг с другом. Наоборот, слишком высокая температура подложки приводит к отрыву только что осевших атомов, к их лреиспарению. Поэтому для получения качественной пленки температура подложки должна лежать в некоторых оптимальных пределах (обычно 200-400 0С). Скорость роста пленок в зависимости от ряда факторов (температура нагревателя, температура подложки, расстояние от испарителя до подложки, тип напыляемого материала и др.) лежит в пределах от десяти долей до десятков нанометров в секунду.
Прочность связи - сцепление пленки с подложкой или другой пленкой - называется адгезией. Некоторые распространенные материалы (например, золото) имеют плохую адгезию с типичными подложками, в том числе с кремнием. В таких случаях на подложку сначала наносят так называемый подслой, характерный хорошей адгезией, затем на него напыляют основной материал, у которого адгезия с подслоем тоже хорошая. Например, для золот подслоем могут быть никель или титан.
Для того, чтобы атома газа, летящие от испарителя к подложке, испытали минимальное количество столкновений с атомами остального газа и тем самым минимальное рассеяние, в подколпачном пространстве нужно обеспечивать достаточно высокий вакуум. Критерием необходимого вакуума может служить словие, чтобы средняя длина свободного пробега в несколько раз превышала расстояние между испарителем и подложкой. Однако этого словия часто недостаточно, так как любо количество остаточного газа чревато загрязнением напыляемой пленки и изменением ее свойств. Поэтому в принципе вакуум в установках термического напыления должен быть как можно более высоким. В настоящее время вакуум ниже 10-6 мм рт. ст. считается неприемлемым, в ряде первоклассных напылительных установок он доведен до 10
Главными достоинствами рассмотренного метода являются его простот и возможность получения исключительно чистых пленок (при высоком вакууме). Однако у него есть и серьезные недостатки: трудность напыления тугоплавких материалов и трудность (а иногда невозможность) воспроизведения на подложке химического состава испаряемого вещества. Последнее объясняется тем, что при высокой температуре химические соединения диссоциируют, их составляющие конденсируются на подложке раздельно. Естественно, имеется вероятность того, что новая комбинация атомов на подложке не будет соответствовать структуре исходной молекулы.
Катодное напыление
Схема этого метода показана на рис. 6.16. Здесь большинство компонентов те же, что и на рис. 6.15. Однако отсутствует испаритель; его место по расположению (и по функциям) занимает катод 6, который либо состоит из напыляемого вещества, либо электрически контактирует с ним. Роль анода выполняет подложка вместе с держателем.
Подколпачное пространство сначала откачивают до 10-5 Ц 10-6 мм рт. ст., затем в него через штуцер 8 вводят некоторое количество очищенного нейтрального газа (чаще всего аргона), так что создается давление 10 - 10-2 мм рт. ст. При подаче высокого (2 - 3 кВ) напряжения на катод (анод заземлен из соображений электробезопасности) в пространстве анод-катод возникает аномальный тлеющий разряд, сопровождающийся образованием квазинейтральной электронно - ионной плазмы.
Специфика аномального тлеющего разряда состоит в том, что в прикатодном пространстве образуется настолько сильное электрическое поле, что положительные ионы газа, скоряемые этим полем и бомбардирующие катод, выбивают из него не только электроны (необходимые для поддержания разряда), но и нейтральные атомы. Тем самым катод постепенно разрушается. В обычных газоразрядных приборах разрушение катода не допустимо (поэтому в них используется нормальный тлеющий разряд), но в данном случае выбивание атомов из катода является полезным процессом, аналогичным испарению.
Важным преимуществом катодного напыления по сравнению с термическим является то, что распыление катода не связано с высокой температурой. Соответственно отпадают трудности при напылении тугоплавких материалов и химических соединений.
Однако в данном методе катод (т. е. напыляемый материал), будучи элементом газоразрядной цепи, должен обладать высокой электропроводностью. Такое требование ограничивает ассортимент напыляемых материалов. В частности, оказывается невозможным напыление диэлектриков, в том числе многих окислов и других химических соединений, распространенных в технологии полупроводниковых приборов.
Это ограничение в значительной мере страняется при использовании так называемого реактивного (или химического) катодного напыления, особенность которого состоит в добавлении к основной массе инертного газа небольшого количества активных газов, способных образовывать необходимые химические соединения с распыляемым материалом катода. Например, примешивая к аргону кислород, можно вырастить на подложке пленку окисла. Примешивая азот или моноокись глерода, можно нитриды или карбиды соответствующих металлов. В зависимости от парциального давления активного газа химическая реакция может происходить либо на катоде (и тогда на подложке осаждается же готовое соединение), либо на подложке - аноде.
Недостатками катодного напыления в целом являются некоторая загрязненность пленок (из-за использования сравнительно низкого вакуума), меньшая по сравнению с термическим методом скорость напыления (по той же причине), а также сложность контроля процессов.
Ионно-плазменное напыление
Схема этого метода показана на рис. 6.17. Главная его особенность по сравнению с методом катодного напыления состоит в том, что в промежутке между электродом 9 - мишенью (с нанесенным на нее напыляемым материалом) и подложкой 4 действует независимый, дежурный газовый разряд. Разряд имеет место между электродами 6 и 7, причем тип разряда - несамостоятельный дуговой. Для этого типа разряда характерны: наличие специального источника электронов в виде накаливаемого катода (6), низкие рабочие напряжения (десятки вольт) и большая плотность электронно-ионной плазмы. Подколпачное пространство, как и при катодном напылении, заполнено нейтральным газом, но при более низком давлении (10-3 - 10-4 мм рт. ст.).
Процесс напыления состоит в следующем. На мишень относительно плазмы (практически - относительно заземленного анода 7) подается отрицатеьный потенциал (2-3 кВ), достаточный для возникновения аномального тлеющего разряда и интенсивной бомбардировки положительными ионами плазмы. Выбиваемые атомы мишени попадают на подложку и осаждаются на ней. Таким образом, принципиальныха различий между процессами катодного и ионно-плазменного напыления нет. Различают лишь конструкции установок: их называют соответственно 2х и 3х электродными.
Начало и конец процесса напыления определяются подачей и отключением напряжения на мишени. Если предусмотреть механическую заслонку (см. рис. 6.15), то ее наличие позволяет реализовать важную дополнительную возможность: если до начала напыления закрыть заслонку и подать потенциал на мишень, то будет иметь место ионная очистка мишени. Она полезна для повышения качества напыляемой пленки. Аналогичную очистку можно проводить на подложке, подавая на нее (до напыления пленки) отрицательный потенциал.
При напылении диэлектрических пленок возникает затруднение, связанное с накоплением на мишени положительного заряда, препятствующего дальнейшей ионной бомбардировке. Это затруднение преодолевается путем использования так называемого высокочастотного ионно-плазменного напыления. В этом случае на мишень на ряду с постоянныма отрицательным напряжением подается переменное напряжение высокой частоты (около 15 Гц) с амплитудой, несколько превышающей постоянное напряжение. Тогда во время большей части периода результирующее напряжение отрицательно; при этом происходит обычный процесс распыления мишени и на ней накапливается положительный заряд. Однако во время во время небольшой части периода результирующее напряжение положительно; при этом мишень бомбардируется электронами из плазы, т. е. распыления не происходит, но зато компенсируется накопленный положительный заряд.
Вариант реактивного (химического) ионно-плазменного напыления открывает те же возможности получения окислов, нитридов и других соединений, что и реактивное катодное напыление.
Преимущества собственно ионно-плазменного метода по сравнению с катодным состоят в большей скорости напыления и большей гибкости процесса (возможность ионной очистки, возможность отключения рабочей цепи без прерывания разряда и др.). Кроме того, на качестве пленок сказывается более высокий вакуум.
нодирование
Один из вариантов химического ионно-плазменного напыления называют анодированием. Этот процесс состоит в окислении поверхности металлической пленкиа (находящейся под положительным потенциалом) отрицательными ионами кислорода, поступающими из плазмы газового разряда. Для этого к инертному газу (как и при чисто химическом напылении) следует добавить кислород. Т. о., анодирование осуществляется не нейтральными атомами, ионами.
Химическое напыление и анодирование проходят совместно, т.к. в газоразрядной плазме (если она содержит кислород) сосуществуют нейтральные атомы и ионы кислорода. Для того чтобы анодирование превалировало над чисто химическим напылением, подложку располагают лицом (т.е. металлической пленкой) в сторону, противоположную катоду, с тем, чтобы на нее не попадали нейтральные атомы.
По мере нарастания окисного слоя ток в анодной цепи падает, т. к. окисел является диэлектриком. Для поддержания тока нужно повышать питающее напряжение. Поскольку часть этого напряжения падает на пленке, процесс анодирования протекает в словиях большой напряженности поля в окисной пленке. В результате и в дальнейшем она обладает повышенной электрической прочностью.
К числу других преимуществ анодирования относятся большая скорость окисления и возможность правления процессом путем изменения тока в цепи разряда. Качество оксидных пленок, получаемых данным методом, выше, чем при использовании других методов.
Электрохимическое осаждение
Это метод получения пленок отличается от предыдущих тем, что рабочей средой является жидкость. Однако характер процессов сходен с ионно-плазменным напылением, поскольку и плазма, и электролит представляют собой квазинейтральную смесь ионов и неионизированных молекул или атомов. А главное, осаждение происходит также постепенно (послойно) как и напыление, т.е. обеспечивает возможность получения тонких пленок.
Электрохимическое осаждение исторически развилось значительно раньше других рассмотренных методов - еще в XIX веке. же десятки лет назад оно широко использовалось в машиностроении для разного рода гальванических покрытий (никелирование, хромирование и т. п.). В микроэлектронике электрохимическое осаждение не является альтернативой термическому и ионно-плазменному напылению; оно дополняет их и сочетается с ними.
В основе электрохимического осаждения лежит электролиз раствора, содержащего ионы необходимых примесей. Например, если требуется осадить медь, используется раствор медного купороса, если золото или никель - растворы соответствующих солей.
Ионы металлов дают в растворе положительный заряд. Поэтому, чтобы осадить металлическую пленку, подложку следует использовать как катод. Если подложка является диэлектриком или имеет низкую проводимость, на нее предварительно наносят тонкий металлический подслой, который и служит катодом. Подслой можно нанести методом термического или ионно-плазменного напыления.
Чтобы осуществить электрохимическое анодирование, окисляемую пленку металла следует использовать как анод, электролит должен содержать ионы кислорода.
Большое преимущество электрохимического осаждения перед напылением состоит в гораздо большей скорости процесса, которая легко регулируется изменением тока. Поэтому основная область применения электролиза в микроэлектронике - это получение сравнительно толстых пленок (10 - 20 мкм и более). Качество (структура) таких пленок хуже, чем при напылении, но для ряда применений они оказываются вполне приемлемыми.
geum.ru
Доклад - Способы нанесения тонких пленок
Тонкие пленкине только являются основой тонкопленочных ГИС, но широко используются и вполупроводниковых интегральных схемах. Поэтому методы получения тонких пленокотносится к общим вопросам технологии микроэлектроники.
Существует триосновных метода нанесения тонких пленок на подложку и друг на друга:термическое (вакуумное) напыление, ионно-плазменное напыление иэлектрохимическое осаждение. Ионно-плазменное напыление имеет две разновидности:катодное напыление и собственно ионно-плазменное.
Термическое (вакуумное) напыление
<img src="/cache/referats/3890/image002.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1026"> Схема этого метода показана на рис. 6.15.Металлический или стеклянный колпак 1 расположен на опорной плите 2. Между ниминаходится прокладка 3, обеспечивающая поддержание вакуума после откачки подколпачного пространства. Подложка 4, на которуюпроводится напыление, закреплена на держателе 5. К держателю примыкаетнагреватель 6 (напыление проводится на нагретую подложку). Испаритель 7включает в себя нагреватель и источник напыляемого вещества. Поворотнаязаслонка 8 перекрывает поток паров от испарителя к подложке: напыление длится втечение времени, когда заслонка открыта.
Нагревательобычно представляет собой нить или спираль из тугоплавкого металла ( вольфрам,молибден и др.), через которую пропускается достаточно большой ток. Источникнапыляемого вещества связывается с нагревателем по-разному: в виде скобок («гусариков»), навешиваемых на нить накала; в виде небольшихстержней, охватываемых спиралью, в виде порошка, засыпанного в тигель,нагреваемый спиралью, и т. п. Вместо нитей накала в последнее время используют нагрев с помощью электронного лучаили луча лазера.
Наподложке создаются наиболее благоприятные условия для конденсации паров, хотячастично конденсация паров и на стенках колпака. Слишком низкая температураподложки препятствует равномерному распределению адсорбируемых атомов: онигруппируются в «островки» разной толщины, часто не связанные друг с другом.Наоборот, слишком высокая температура подложки приводит к отрыву только чтоосевших атомов, к их «реиспарению». Поэтому дляполучения качественной пленки температура подложки должна лежать в некоторыхоптимальных пределах (обычно 200-400 0С). Скорость роста пленок взависимости от ряда факторов (температура нагревателя, температура подложки,расстояние от испарителя до подложки, тип напыляемого материала и др.) лежит впределах от десяти долей до десятков нанометров в секунду.
Прочностьсвязи – сцепление пленки с подложкой или другой пленкой – называется адгезией.Некоторые распространенные материалы (например, золото) имеют плохую адгезию стипичными подложками, в том числе с кремнием. В таких случаях на подложкусначала наносят так называемый подслой, характерный хорошей адгезией, а затемна него напыляют основной материал, у которого адгезия с подслоем тоже хорошая.Например, для золота подслоем могут быть никель или титан.
Длятого, чтобы атома газа, летящие от испарителя к подложке, испытали минимальноеколичество столкновений с атомами остального газа и тем самым минимальноерассеяние, в подколпачном пространстве нужнообеспечивать достаточно высокий вакуум. Критерием необходимого вакуума можетслужить условие, чтобы средняя длина свободного пробега в несколько разпревышала расстояние между испарителем и подложкой. Однако этого условия частонедостаточно, так как любо количество остаточного газа чревато загрязнениемнапыляемой пленки и изменением ее свойств. Поэтому в принципе вакуум вустановках термического напыления должен быть как можно более высоким. Внастоящее время вакуум ниже 10-<st1:metricconverter ProductID=«6 мм» w:st=«on»>6мм</st1:metricconverter>рт. ст. считается неприемлемым, а в ряде первоклассных напылительныхустановок он доведен до 10-<st1:metricconverter ProductID=«11 мм» w:st=«on»>11мм</st1:metricconverter>рт. ст.
Главнымидостоинствами рассмотренного метода являются его простота и возможностьполучения исключительно чистых пленок (при высоком вакууме). Однако у него естьи серьезные недостатки: трудность напыления тугоплавких материалов и трудность(а иногда невозможность) воспроизведения на подложке химического составаиспаряемого вещества. Последнее объясняется тем, что при высокой температурехимические соединения диссоциируют, а их составляющиеконденсируются на подложке раздельно. Естественно, имеется вероятность того,что новая комбинация атомов на подложке не будет соответствовать структуреисходной молекулы.
Катодное напыление
<img src="/cache/referats/3890/image004.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1027"> Схема этого метода показана на рис. 6.16. Здесьбольшинство компонентов те же, что и на рис. 6.15. Однако отсутствуетиспаритель; его место по расположению (и по функциям) занимает катод 6, которыйлибо состоит из напыляемого вещества, либо электрически контактирует с ним.Роль анода выполняет подложка вместе с держателем.
Подколпачное пространство сначала откачивают до 10-5– 10-<st1:metricconverter ProductID=«6 мм» w:st=«on»>6мм</st1:metricconverter>рт. ст., а затем внего через штуцер 8 вводят некоторое количество очищенного нейтрального газа(чаще всего аргона), так что создается давление 10-1 – 10-<st1:metricconverter ProductID=«2 мм» w:st=«on»>2мм</st1:metricconverter>рт. ст. При подачевысокого (2 – 3 кВ) напряжения на катод (анод заземлен из соображений электробезопасности) в пространстве анод-катод возникаетаномальный тлеющий разряд, сопровождающийся образованием квазинейтральнойэлектронно – ионной плазмы.
Спецификааномального тлеющего разряда состоит в том, что в прикатодномпространстве образуется настолько сильное электрическое поле, что положительныеионы газа, ускоряемые этим полем и бомбардирующие катод, выбивают из него нетолько электроны (необходимые для поддержания разряда), но и нейтральные атомы.Тем самым катод постепенно разрушается. В обычных газоразрядных приборахразрушение катода не допустимо (поэтому в них используется нормальный тлеющийразряд), но в данном случае выбивание атомов из катода является полезнымпроцессом, аналогичным испарению.
Важнымпреимуществом катодного напыления по сравнению с термическим является то, чтораспыление катода не связано с высокой температурой. Соответственно отпадаюттрудности при напылении тугоплавких материалов и химических соединений.
Однаков данном методе катод (т. е. напыляемый материал), будучи элементомгазоразрядной цепи, должен обладать высокой электропроводностью. Такоетребование ограничивает ассортимент напыляемых материалов. В частности, оказываетсяневозможным напыление диэлектриков, в том числе многих окислов и другиххимических соединений, распространенных в технологии полупроводниковыхприборов.
Этоограничение в значительной мере устраняется при использовании так называемогореактивного (или химического) катодного напыления, особенность которого состоитв добавлении к основной массе инертного газа небольшого количества активныхгазов, способных образовывать необходимые химические соединения с распыляемымматериалом катода. Например, примешивая к аргону кислород, можно вырастить наподложке пленку окисла. Примешивая азот или моноокисьуглерода, можно нитриды или карбиды соответствующих металлов. В зависимости отпарциального давления активного газа химическая реакция может происходить либона катоде (и тогда на подложке осаждается уже готовое соединение), либо наподложке – аноде.
Недостаткамикатодного напыления в целом являются некоторая загрязненность пленок (из-заиспользования сравнительно низкого вакуума), меньшая по сравнению с термическимметодом скорость напыления (по той же причине), а также сложность контроля процессов.
Ионно-плазменное напыление
<img src="/cache/referats/3890/image006.gif" align=«left» hspace=«12» v:shapes="_x0000_s1028"> Схема этого метода показана на рис. 6.17. Главнаяего особенность по сравнению с методом катодного напыления состоит в том, что впромежутке между электродом 9 – мишенью (с нанесенным на нее напыляемымматериалом) и подложкой 4 действует независимый, «дежурный» газовый разряд.Разряд имеет место между электродами 6 и 7, причем тип разряда – несамостоятельныйдуговой. Для этого типа разряда характерны: наличие специального источникаэлектронов в виде накаливаемого катода (6), низкие рабочие напряжения (десяткивольт) и большая плотность электронно-ионной плазмы. Подколпачноепространство, как и при катодном напылении, заполнено нейтральным газом, но приболее низком давлении (10-3 – 10-<st1:metricconverter ProductID=«4 мм» w:st=«on»>4мм</st1:metricconverter>рт. ст.).
Процесснапыления состоит в следующем. На мишень относительно плазмы (практически –относительно заземленного анода 7) подается отрицатеьныйпотенциал (2-3 кВ), достаточный для возникновения аномального тлеющего разрядаи интенсивной бомбардировки положительными ионами плазмы. Выбиваемые атомымишени попадают на подложку и осаждаются на ней. Таким образом,принципиальных различий между процессамикатодного и ионно-плазменного напыления нет. Различают лишь конструкцииустановок: их называют соответственно 2х и 3хэлектродными.
Началои конец процесса напыления определяются подачей и отключением напряжения намишени. Если предусмотреть механическую заслонку (см. рис. 6.15), то ее наличиепозволяет реализовать важную дополнительную возможность: если до началанапыления закрыть заслонку и подать потенциал на мишень, то будет иметь местоионная очистка мишени. Она полезна для повышения качества напыляемой пленки. Аналогичнуюочистку можно проводить на подложке, подавая на нее (до напыления пленки)отрицательный потенциал.
Принапылении диэлектрических пленок возникает затруднение, связанное с накоплениемна мишени положительного заряда, препятствующего дальнейшей ионнойбомбардировке. Это затруднение преодолевается путем использования такназываемого высокочастотного ионно-плазменного напыления. В этом случае намишень на ряду с постоянным отрицательным напряжением подается переменное напряжение высокой частоты(около 15 МГц) с амплитудой, несколько превышающей постоянное напряжение. Тогдаво время большей части периода результирующее напряжение отрицательно; при этомпроисходит обычный процесс распыления мишени и на ней накапливаетсяположительный заряд. Однако во время во время небольшой части периодарезультирующее напряжение положительно; при этом мишень бомбардируетсяэлектронами из плазы, т. е. распыления не происходит, но зато компенсируетсянакопленный положительный заряд.
Вариантреактивного (химического) ионно-плазменного напыления открывает те жевозможности получения окислов, нитридов и других соединений, что и реактивное катодное напыление.
Преимуществасобственно ионно-плазменного метода по сравнению с катодным состоят в большейскорости напыления и большей гибкости процесса (возможность ионной очистки,возможность отключения рабочей цепи без прерывания разряда и др.). Кроме того,на качестве пленок сказывается более высокий вакуум.
Анодирование
Один из вариантов химическогоионно-плазменного напыления называют анодированием. Этот процесс состоит вокислении поверхности металлической пленки (находящейся под положительным потенциалом) отрицательными ионамикислорода, поступающими из плазмы газового разряда. Для этого к инертномугазу (как и при чисто химическомнапылении) следует добавить кислород. Т. о., анодирование осуществляется ненейтральными атомами, а ионами.
Химическоенапыление и анодирование проходят совместно, т.к. в газоразрядной плазме (еслиона содержит кислород) сосуществуют нейтральные атомы и ионы кислорода. Длятого чтобы анодирование превалировало над чисто химическим напылением, подложкурасполагают «лицом» (т.е. металлической пленкой) в сторону, противоположнуюкатоду, с тем, чтобы на нее не попадали нейтральные атомы.
Помере нарастания окисного слоя ток в анодной цепи падает, т. к. окисел являетсядиэлектриком. Для поддержания тока нужно повышать питающее напряжение.Поскольку часть этого напряжения падает на пленке, процесс анодированияпротекает в условиях большой напряженности поля в окисной пленке. В результатеи в дальнейшем она обладает повышенной электрической прочностью.
Кчислу других преимуществ анодирования относятся большая скорость окисления ивозможность управления процессом путем изменения тока в цепи разряда. Качествооксидных пленок, получаемых данным методом, выше, чем при использовании другихметодов.
Электрохимическое осаждение
Это метод получения пленокотличается от предыдущих тем, что рабочей средой является жидкость. Однакохарактер процессов сходен с ионно-плазменным напылением, поскольку и плазма, иэлектролит представляют собой квазинейтральную смесьионов и неионизированных молекул или атомов. А главное, осаждение происходиттакже постепенно (послойно) как инапыление, т.е. обеспечивает возможность получения тонких пленок.
Электрохимическоеосаждение исторически развилось значительно раньше других рассмотренных методов– еще в XIXвеке. Уже десятки лет назад оно широкоиспользовалось в машиностроении для разного рода гальванических покрытий (никелирование,хромирование и т. п.). В микроэлектронике электрохимическое осаждение неявляется альтернативой термическому и ионно-плазменному напылению; онодополняет их и сочетается с ними.
Воснове электрохимического осаждения лежит электролиз раствора, содержащего ионынеобходимых примесей. Например, если требуется осадить медь, используетсяраствор медного купороса, а если золото или никель – растворы соответствующихсолей.
Ионыметаллов дают в растворе положительный заряд. Поэтому, чтобы осадить металлическуюпленку, подложку следует использовать как катод. Если подложка являетсядиэлектриком или имеет низкую проводимость, на нее предварительно наносяттонкий металлический подслой, который и служит катодом. Подслой можно нанестиметодом термического или ионно-плазменного напыления.
Чтобыосуществить электрохимическое анодирование, окисляемую пленку металла следуетиспользовать как анод, а электролит должен содержать ионы кислорода.
Большоепреимущество электрохимического осаждения перед напылением состоит в гораздобольшей скорости процесса, которая легко регулируется изменением тока. Поэтомуосновная область применения электролиза в микроэлектронике – это получениесравнительно толстых пленок (10 – 20 мкм и более). Качество (структура) такихпленок хуже, чем при напылении, но для ряда применений они оказываются вполнеприемлемыми.
www.ronl.ru
