Тонкие пленки

 

Введение

 

 

Тонкие  пленки – это слои вещества толщиной от долей нанометра до

нескольких  микрометров, обладающие рядом особенностей атомно-

кристаллической структуры, магнитных, электрических и других физических свойств.

Один  из современных способов модификаций  изделий машиностроения и приборостроения - уменьшение геометрических размеров их элементов. Многие из них включают в себя тонкопленочные покрытия, характеристики которых можно менять, варьируя их толщину. По функциональному назначению такие покрытия связаны практически  со всеми разделами физики: механикой, электричеством, магнетизмом, оптикой, а в качестве материалов для них  используется большинство элементов  Периодической системы.

В отраслях промышленности, производящих электронные, в том числе микроэлектронные устройства, используют разнообразные  технологические процессы, в которых  исходные материалы и полуфабрикаты  преобразуются в сложные изделия, выполняющие различные радио-, опто- или акустоэлектрические функции. При изготовлении всех видов полупроводниковых приборов и ИМС в том или ином объеме используется технологический процесс нанесения тонких пленок в вакууме – тонкопленочная технология.

В данной работе представлены основные методы получения тонких пленок, их схемы  работы, а так же достоинства и  недостатки этих методов.

 

 

1 Физические вакуумные методы

 

 

1. .Термовакуумное напыление

 

Термовакуумный метод получения тонких пленок основан на нагреве в вакууме вещества до его активного испарения и конденсации испаренных атомов на поверхности подложки. К достоинствам метода осаждения тонких пленок термическим испарением относятся высокая чистота осаждаемого материала (процесс проводится при высоком и сверхвысоком вакууме), универсальность (наносят пленки металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков) и относительная простота реализации. Ограничениями метода являются нерегулируемая скорость осаждения, низкая, непостоянная и нерегулируемая энергия осаждаемых частиц.

Сущность  метода термовакуумного напыления можно пояснить с помощью упрощенной схемы установки, представленной на рис.1.1.

 

Рис. 1.1. Схема установки термовакуумного испарения

 

Вещество, подлежащее напылению, помещают в устройство нагрева (испаритель) 1, где оно при  достаточно высокой температуре  интенсивно испаряется. В вакууме, который  создается внутри камеры специальными насосами, молекулы испаренного вещества свободно и быстро распространяются в окружающее пространство, достигая, в частности, поверхности подложки 2. Если температура подложки не превышает  критического значения, происходит конденсация  вещества на подложке, то есть рост пленки. На начальном этапе испарения  во избежание загрязнения пленки за счет примесей, адсорбированных  поверхностью испаряемого вещества, а также для вывода испарителя на рабочую температуру используется заслонка 4, временно перекрывающая  поток вещества на подложку. В зависимости от функционального назначения пленки в процессе осаждения контролируется время напыления, толщина, электрическое сопротивления или какой-либо другой параметр. По достижении заданного значения параметра заслонка вновь перекрывает поток вещества и процесс роста пленки прекращается. Нагрев подложки с помощью нагревателя 3 перед напылением способствует десорбции адсорбированных на ее поверхности атомов, а в процессе осаждения создает условия для улучшения структуры растущей пленки. Непрерывно работающая система откачки поддерживает вакуум порядка 10^-4 Па.

Разогрев  испаряемого вещества до температур, при которых оно интенсивно испаряется, осуществляют электронным или лазерным лучом, СВЧ-излучением, с помощью  резистивных подогревателей (путем  непосредственного пропускания  электрического тока через образец  из нужного вещества или теплопередачей от нагретой спирали). В целом метод  отличается большим разнообразием как по способам разогрева испаряемого вещества, так и по конструкциям испарителей.[1]

Если  требуется получить пленку из многокомпонентного вещества, то используют несколько  испарителей. Поскольку скорости испарения  у различных компонентов разные, то обеспечить воспроизводимость химического состава получаемых многокомпонентных пленок довольно сложно. Поэтому метод термовакуумного напыления используют в основном для чистых металлов.

Весь  процесс термовакуумного напыления можно разбить на три стадии: испарение атомов вещества, перенос их к подложке и конденсация. Испарение вещества с поверхности имеет место, вообще говоря, при любой температуре, отличной от абсолютного нуля. Если допустить, что процесс испарения молекул (атомов) вещества протекает в камере, стенки которой достаточно сильно нагреты и не конденсируют пар (отражают молекулы), то процесс испарения становится равновесным, то есть число молекул, покидающих поверхность вещества, равно числу молекул, возвращающихся в вещество. Давление пара, соответствующее равновесному состоянию системы, называется давлением насыщенного пара, или его упругостью.

Практика  показывает, что процесс осаждения  пленок на подложку происходит с приемлемой для производства скоростью, если давление насыщенного пара примерно равно 1,3 Па. Температура вещества, при которой  р_и = 1,3 Па (р_и – давление насыщенного пара при температуре испарения), называют условной температурой Т_усл. Для некоторых веществ условная температура выше температуры плавления Т_пл, для некоторых – ниже. Если Т_усл < Т_пл, то это вещество можно интенсивно испарять из твердой фазы (возгонкой). В противном случае испарение осуществляют из жидкой фазы. Зависимости давления насыщенного пара от температуры для всех веществ, используемых для напыления тонких пленок, представлены в различных справочниках в форме подробных таблиц или графиков.

Вторая  стадия процесса напыления тонких пленок – перенос молекул вещества от испарителя к подложке. Если обеспечить прямолинейное и направленное движение молекул к подложке, то можно получить высокий коэффициент использования  материала, что особенно важно при  осаждении дорогостоящих материалов. При прочих равных условиях это повышает также и скорость роста пленки на подложке.

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 один вакуумный цикл. Для повышения воспроизводимости подложки устанавливаются на вращающийся диск-карусель. При вращении карусели подложки поочередно и многократно проходят над испарителем, за счет чего нивелируются условия осаждения для каждой подложки и устраняется влияние временной нестабильности испарителя. Третьей стадией процесса напыления тонких пленок является стадия конденсации атомов и молекул вещества на поверхности подложки. Эту стадию условно можно разбить на два этапа: начальный этап – от момента адсорбции первых атомов (молекул) на подложку до момента образования сплошного покрытия, и завершающий этап, на котором происходит гомогенный рост пленки до заданной толщины.

 

1.2. Ионно-плазменные методы получения тонких пленок

 

Ионно-плазменные методы получили широкое распространение  в технологии электронных средств благодаря своей универсальности и ряду преимуществ по сравнению с другими технологическими методами. Универсальность определяется 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 преимуществу ионно-плазменных методов относится высокая управляемость процессом; возможность получения пленок тугоплавких материалов, а также химических соединений и сплавов заданного состава; лучшая адгезия пленок к поверхности и так далее.

Суть  методов ионно-плазменного напыления  тонких пленок заключается в обработке  поверхности мишени из нужного вещества ионами и выбивании атомов (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 бомбардировкой мишени 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.[2]

Для распыления мишени используются ионы инертных газов (обычно аргон высокой чистоты). Источником ионов служит либо самостоятельный  тлеющий 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 методы получения тонких пленок.

 

1.2.1. Катодное распыление

Конструкция установки для катодного распыления, изображенной на рис.1. 2. состоит из газоразрядной камеры 1, в которую вводится рабочий газ (обычно аргон) под давлением 1 - 10 Па; катода 2, выполняющего функцию распыляемой 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 отрицательное напряжение к катоду подается через изолятор 5. Чтобы исключить загрязнение стеклянного колпака камеры, вблизи катода закрепляют экран 6.

 

Рис. 1.2. Схема установки для катодного распыления

 

Электрическое поле, существующее между катодом  и анодом, ускоряет электроны, образующиеся в межэлектродном пространстве в  результате фотоэмиссии из катода, автоэлектронной (полевой) эмиссии, воздействия космического излучения или других причин. Если энергия электронов превышает энергию ионизации молекул рабочего газа, то в результате столкновения электронов с молекулами газа возникает газовый разряд, то есть образуется газоразрядная плазма. Для того чтобы электрон мог набрать необходимую для ионизации газа энергию, ему требуется обеспечить минимально необходимую длину свободного пробега. Только при этом условии электрон, двигаясь без столкновений, способен увеличить свою энергию до нужной величины.

Однако, если длина свободного пробега электронов становится сравнимой с расстоянием между катодом и анодом, то основная часть электронов будет пролетать межэлектродное пространство без столкновений с молекулами рабочего газа. Газоразрядная плазма погаснет. Эти два фактора и определяют нижний и верхний пределы давлений газа в камере.[1]

Образующаяся  в результате газового разряда плазма состоит из электронов, ионов и  нейтральных молекул рабочего газа. Ионы под воздействием электрического поля ускоряются и бомбардируют катод-мишень. 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 электронная  эмиссия). Эти вторичные электроны  ускоряются и ионизируют молекулы рабочего газа; образующиеся при этом ионы бомбардируют мишень, вызывая вторичную электронную  эмиссию, и процесс повторяется. Таким образом, газовый разряд поддерживает сам себя и поэтому называется самостоятельным тлеющим разрядом.

С повышением тока, протекающего через газоразрядную  плазму, увеличивается плотность  ионного потока и интенсивность  распыления мишени. При некоторой  плотности потока, зависящей от условий  охлаждения мишени, начинает проявляться  термоэлектронная эмиссия. Ток в  разряде возрастает, а сам разряд становится несамостоятельным, приобретая характер дугового разряда.

Для предотвращения перехода самостоятельного тлеющего разряда  в дуговой высоковольтный источник питания должен иметь ограничения  по мощности, а мишень интенсивно охлаждаться.

Для описания процессов катодного распыления мишени используют модели, основанные на двух механизмах. Согласно первому  механизму распыленные атомы  возникают в результате сильного локального разогрева поверхности  мишени самим падающим ионом (модель "горячего пятна") или быстрой вторичной частицей (модель "теплового клина"). Второй механизм состоит в передаче импульса падающего иона атомам решетки материала мишени, которые, в свою очередь, могут передать импульс другим атомам решетки, вызвав тем самым каскад столкновений (модель столкновений).

Основной  характеристикой эффективности  процесса распыления является коэффициент  распыления К_р, определяемый отношением количества выбитых атомов N_ат к количеству бомбардирующих мишень ионов N_ион:

(1.1) 

 

По существу коэффициент распыления представляет собой среднее число атомов мишени, выбитых одним ионом. Коэффициент  распыления зависит от энергии ионов Е_и, его массы (рода рабочего газа), материала мишени и в некоторой степени от ее температуры и состояния поверхности, угла бомбардировки, давления газа (при условии, что давление не выходит за пределы, при которых газоразрядная плазма гаснет).

 

1.2.2. Трехэлектродная система распыления

Для повышения  чистоты получаемой на подложке пленки процесс ионно-плазменного распыления необходимо проводить при как  можно меньшем давлении рабочего газа. Однако, как уже отмечалось ранее, понижение давления приводит к тому, что при большой длине  свободного пробега электронов вероятность  их столкновения с атомами рабочего газа становится ничтожно малой, и газовый  разряд гаснет. Поэтому для поддержания  разряда в камере и обеспечения  распыления мишени при низких давлениях  необходимы специальные меры.

Одним из вариантов решения проблемы является применение трехэлектродной системы распыления, изображенной на рис.1. 3. Цифрами на рисунке обозначены: 1 – термокатод; 2 – анод; 3 – мишень; 4 – подложка; 5 – подложкодержатель. Таким образом, в данной системе имеются три независимо управляемых электрода: термокатод, анод и распыляемая мишень, потенциал которой относительно термокатода составляет несколько киловольт.