Содержание
Введение
1 Физические вакуумные методы
1.1 Термовакуумное напыление
1.2 Ионно-плазменныеметоды получения тонких пленок
1.2.1 Катодное распыление
1.2.2 Трехэлектродная система распыления
1.2.3 Высокочастотное распыление
1.2.4 Реактивное распыление
1.2.5 Магнетронное распыление
1.3 Ионно-лучевые методы получения тонких пленок
1.4 Молекулярно-лучеваяэпитаксия
1.5 Лазерное распыление
2 Химические вакуумные методы
2.1 Реактивное катодное распыление
2.2 Газофазная МОС-гидридная эпитаксия с использованиемметаллоорганических соединений
2.3 Жидкофазная эпитаксия
3 Химические вневакуумные методы
3.1 Электрохимическое осаждение покрытий
3.2 Химическая металлизация
Заключение
Список литературы
Введение
Один из современныхспособов модификаций изделий машиностроения и приборостроения — уменьшениегеометрических размеров их элементов. Многие из них включают в себятонкопленочные покрытия, характеристики которых можно менять, варьируя ихтолщину. По функциональному назначению такие покрытия связаны практически совсеми разделами физики: механикой, электричеством, магнетизмом, оптикой, а вкачестве материалов для них используется большинство элементов Периодическойсистемы.
В отрасляхпромышленности, производящих электронные, в том числе микроэлектронныеустройства, используют разнообразные технологические процессы, в которыхисходные материалы и полуфабрикаты преобразуются в сложные изделия, выполняющиеразличные радио-, опто- или акустоэлектрические функции. При изготовлении всехвидов полупроводниковых приборов и ИМС в том или ином объеме используетсятехнологический процесс нанесения тонких пленок в вакууме – тонкопленочнаятехнология.
В данной работепредставлены основные методы получения тонких пленок, их схемы работы, а так жедостоинства и недостатки этих методов.
1 Физические вакуумныеметоды
Физические методыосаждения различных материалов хорошо известны и достаточно подробнообсуждаются в научной литературе. Можно сказать, что все эти технологиивозможны для получения оксидных пленок. Ниже приведен краткий обзор этихметодов получения пленок в вакууме.
1.1 Термовакуумноенапыление
Термовакуумный методполучения тонких пленок основан на нагреве в вакууме вещества до его активногоиспарения и конденсации испаренных атомов на поверхности подложки. К достоинствам метода осаждения тонкихпленок термическим испарением относятся высокая чистота осаждаемого материала(процесс проводится при высоком и сверхвысоком вакууме), универсальность(наносят пленки металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков) иотносительная простота реализации. Ограничениями метода являются нерегулируемаяскорость осаждения, низкая, непостоянная и нерегулируемая энергия осаждаемыхчастиц.
Сущность методатермовакуумного напыления можно пояснить с помощью упрощенной схемы установки,представленной на рис.1.
/>
Рис. 1 Схема установкитермовакуумного испарения
Вещество, подлежащеенапылению, помещают в устройство нагрева (испаритель) 1, где оно при достаточновысокой температуре интенсивно испаряется. В вакууме, который создается внутрикамеры специальными насосами, молекулы испаренного вещества свободно и быстрораспространяются в окружающее пространство, достигая, в частности, поверхностиподложки 2. Если температура подложки не превышает критического значения,происходит конденсация вещества на подложке, то есть рост пленки. На начальномэтапе испарения во избежание загрязнения пленки за счет примесей,адсорбированных поверхностью испаряемого вещества, а также для выводаиспарителя на рабочую температуру используется заслонка 4, временноперекрывающая поток вещества на подложку. В зависимости от функциональногоназначения пленки в процессе осаждения контролируется время напыления, толщина,электрическое сопротивления или какой-либо другой параметр. По достижении заданногозначения параметра заслонка вновь перекрывает поток вещества и процесс ростапленки прекращается. Нагрев подложки с помощью нагревателя 3 перед напылениемспособствует десорбции адсорбированных на ее поверхности атомов, а в процессеосаждения создает условия для улучшения структуры растущей пленки. Непрерывноработающая система откачки поддерживает вакуум порядка 10-4 Па.
Разогрев испаряемоговещества до температур, при которых оно интенсивно испаряется, осуществляютэлектронным или лазерным лучом, СВЧ-излучением, с помощью резистивных подогревателей(путем непосредственного пропускания электрического тока через образец изнужного вещества или теплопередачей от нагретой спирали). В целом методотличается большим разнообразием как по способам разогрева испаряемоговещества, так и по конструкциям испарителей.
Если требуется получитьпленку из многокомпонентного вещества, то используют несколько испарителей.Поскольку скорости испарения у различных компонентов разные, то обеспечитьвоспроизводимость химического состава получаемых многокомпонентных пленокдовольно сложно. Поэтому метод термовакуумного напыления используют в основномдля чистых металлов.
Весь процесстермовакуумного напыления можно разбить на три стадии: испарение атомов вещества,перенос их к подложке и конденсация. Испарение вещества с поверхности имеетместо, вообще говоря, при любой температуре, отличной от абсолютного нуля. Еслидопустить, что процесс испарения молекул (атомов) вещества протекает в камере,стенки которой достаточно сильно нагреты и не конденсируют пар (отражаютмолекулы), то процесс испарения становится равновесным, то есть число молекул,покидающих поверхность вещества, равно числу молекул, возвращающихся ввещество. Давление пара, соответствующее равновесному состоянию системы,называется давлением насыщенного пара, или его упругостью.
Практика показывает, чтопроцесс осаждения пленок на подложку происходит с приемлемой для производстваскоростью, если давление насыщенного пара примерно равно 1,3 Па. Температуравещества, при которой ри = 1,3 Па (ри – давлениенасыщенного пара при температуре испарения), называют условной температурой Тусл.Для некоторых веществ условная температура выше температуры плавления Тпл,для некоторых – ниже. Если Тусл
Вторая стадия процессанапыления тонких пленок – перенос молекул вещества от испарителя к подложке.Если обеспечить прямолинейное и направленное движение молекул к подложке, томожно получить высокий коэффициент использования материала, что особенно важнопри осаждении дорогостоящих материалов. При прочих равных условиях это повышаеттакже и скорость роста пленки на подложке.
По мере испарениявещества интенсивность потока и диаграмма направленности для большинства типовиспарителей постепенно меняются. В этих условиях последовательная обработканеподвижных подложек приводит к разбросу в значениях параметров пленки впределах партии, обработанной за один вакуумный цикл. Для повышения воспроизводимостиподложки устанавливаются на вращающийся диск-карусель. При вращении каруселиподложки поочередно и многократно проходят над испарителем, за счет чегонивелируются условия осаждения для каждой подложки и устраняется влияниевременной нестабильности испарителя. Третьей стадией процесса напыления тонкихпленок является стадия конденсации атомов и молекул вещества на поверхностиподложки. Эту стадию условно можно разбить на два этапа: начальный этап – отмомента адсорбции первых атомов (молекул) на подложку до момента образованиясплошного покрытия, и завершающий этап, на котором происходит гомогенный ростпленки до заданной толщины.
1.2 Ионно-плазменные методы получениятонких пленок
Ионно-плазменные методыполучили широкое распространение в технологии электронных средств благодарясвоей универсальности и ряду преимуществ по сравнению с другимитехнологическими методами. Универсальность определяется тем, что с их помощьюможно осуществлять различные технологические операции: формировать тонкиепленки на поверхности подложки, травить поверхность подложки с целью созданияна ней заданного рисунка интегральной микросхемы, осуществлять очисткуповерхности. К преимуществу ионно-плазменных методов относится высокаяуправляемость процессом; возможность получения пленок тугоплавких материалов, атакже химических соединений и сплавов заданного состава; лучшая адгезия пленокк поверхности и так далее.
Суть методовионно-плазменного напыления тонких пленок заключается в обработке поверхностимишени из нужного вещества ионами и выбивании атомов (молекул) из мишени.Энергия ионов при этом составляет величину порядка сотен и тысячэлектрон-вольт. Образующийся атомный поток направляется на подложку, гдепроисходит конденсация вещества и формируется пленка. Различают ионно-лучевоераспыление, осуществляемое бомбардировкой мишени пучком ускоренных ионов,сформированным в автономном ионном источнике, и собственно ионно-плазменноераспыление, при котором мишень является одним из электродов в газоразряднойкамере и ее бомбардировка осуществляется ионами, образующимися в результатегазового разряда.
Для распыления мишенииспользуются ионы инертных газов (обычно аргон высокой чистоты). Источникомионов служит либо самостоятельный тлеющий разряд, либо плазманесамостоятельного разряда (дугового или высокочастотного). В настоящее время впроизводстве применяют различные процессы распыления, отличающиеся:
— характером питающегонапряжения (постоянное, переменное, высокочастотное);
— способом возбуждения иподдержания разряда (автоэлектронная эмиссия, термоэмиссия, магнитное поле,электрическое высокочастотное поле);
— количеством электродовв газоразрядной камере (двухэлектродные, трехэлектродные и многоэлектродныесистемы).
Рассмотрим наиболеешироко используемые ионно-плазменные методы получения тонких пленок.
1.2.1 Катодное распыление
Конструкция установки длякатодного распыления, изображенной на рис. 2, состоит из газоразрядной камеры1, в которую вводится рабочий газ (обычно аргон) под давлением 1 — 10 Па;катода 2, выполняющего функцию распыляемой мишени; анода 3 и закрепленной наней подложки 4. Между анодом и катодом подается постоянное напряжение величинойнесколько киловольт, обеспечивающее создание в межэлектродном пространствеэлектрического поля напряженностью порядка 0,5 кВ/см. Анод заземлен, аотрицательное напряжение к катоду подается через изолятор 5. Чтобы исключитьзагрязнение стеклянного колпака камеры, вблизи катода закрепляют экран 6.
/>
Рис. 2 Схема установкидля катодного распыления
Электрическое поле,существующее между катодом и анодом, ускоряет электроны, образующиеся вмежэлектродном пространстве в результате фотоэмиссии из катода, автоэлектронной(полевой) эмиссии, воздействия космического излучения или других причин. Еслиэнергия электронов превышает энергию ионизации молекул рабочего газа, то врезультате столкновения электронов с молекулами газа возникает газовый разряд,то есть образуется газоразрядная плазма. Для того чтобы электрон мог набратьнеобходимую для ионизации газа энергию, ему требуется обеспечить минимальнонеобходимую длину свободного пробега. Только при этом условии электрон,двигаясь без столкновений, способен увеличить свою энергию до нужной величины.
Однако, если длина свободногопробега электронов становится сравнимой с расстоянием между катодом и анодом,то основная часть электронов будет пролетать межэлектродное пространство безстолкновений с молекулами рабочего газа. Газоразрядная плазма погаснет. Эти двафактора и определяют нижний и верхний пределы давлений газа в камере.
Образующаяся в результатегазового разряда плазма состоит из электронов, ионов и нейтральных молекулрабочего газа. Ионы под воздействием электрического поля ускоряются ибомбардируют катод-мишень. Если энергия ионов превышает энергию связи атомовмишени, то происходит ее распыление. Кроме выбивания атомов с поверхностимишени, 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 электроннуюэмиссию, и процесс повторяется. Таким образом, газовый разряд поддерживает самсебя и поэтому называется самостоятельным тлеющим разрядом.
С повышением тока,протекающего через газоразрядную плазму, увеличивается плотность ионного потокаи интенсивность распыления мишени. При некоторой плотности потока, зависящей отусловий охлаждения мишени, начинает проявляться термоэлектронная эмиссия. Ток вразряде возрастает, а сам разряд становится несамостоятельным, приобретаяхарактер дугового разряда.
Для предотвращенияперехода самостоятельного тлеющего разряда в дуговой высоковольтный источникпитания должен иметь ограничения по мощности, а мишень интенсивно охлаждаться.
Для описания процессовкатодного распыления мишени используют модели, основанные на двух механизмах.Согласно первому механизму распыленные атомы возникают в результате сильноголокального разогрева поверхности мишени самим падающим ионом (модель «горячегопятна») или быстрой вторичной частицей (модель «теплового клина»).Второй механизм состоит в передаче импульса падающего иона атомам решеткиматериала мишени, которые, в свою очередь, могут передать импульс другим атомамрешетки, вызвав тем самым каскад столкновений (модель столкновений).
Основной характеристикойэффективности процесса распыления является коэффициент распыления Кр,определяемый отношением количества выбитых атомов Nат к количествубомбардирующих мишень ионов Nион:
/>
По существу коэффициентраспыления представляет собой среднее число атомов мишени, выбитых одним ионом.Коэффициент распыления зависит от энергии ионов Еи, его массы (родарабочего газа), материала мишени и в некоторой степени от ее температуры исостояния поверхности, угла бомбардировки, давления газа (при условии, чтодавление не выходит за пределы, при которых газоразрядная плазма гаснет).
1.2.2 Трехэлектроднаясистема распыления
Для повышения чистотыполучаемой на подложке пленки процесс ионно-плазменного распыления необходимопроводить при как можно меньшем давлении рабочего газа. Однако, как ужеотмечалось ранее, понижение давления приводит к тому, что при большой длинесвободного пробега электронов вероятность их столкновения с атомами рабочегогаза становится ничтожно малой, и газовый разряд гаснет. Поэтому дляподдержания разряда в камере и обеспечения распыления мишени при низкихдавлениях необходимы специальные меры.
Одним из вариантов решенияпроблемы является применение трехэлектродной системы распыления, изображеннойна рис. 3. Цифрами на рисунке обозначены: 1 – термокатод; 2 – анод; 3 – мишень;4 – подложка; 5 – подложкодержатель. Таким образом, в данной системе имеютсятри независимо управляемых электрода: термокатод, анод и распыляемая мишень,потенциал которой относительно термокатода составляет несколько киловольт.
/>
Рис 3. Трехэлектроднаясистема распыления
По достижении в камеревакуума порядка10-4 Па термокатод разогревают и в камеру черезнатекатель подают инертный газ при давлении 0,05 — 1 Па. В результатетермоэлектронной эмиссии с катода будут интенсивно испускаться электроны,ускоряющиеся вертикальным электрическим полем. При напряжении междутермокатодом и анодом порядка 100 В возникает несамостоятельный газовый разряд,при этом разрядный ток достигает нескольких ампер. Мишень, имеющаяотрицательный потенциал относительно катода, оттягивает на себя значительнуючасть ионов, образующихся в газовом разряде, и ускоряет их. В результатебомбардировки мишени ионами происходит ее распыление, и распыленные атомыосаждаются на подложке, формируя тонкую пленку. Такие трехэлектродные системы,в которых электрические цепи разряда и распыления разделены и управляютсянезависимо друг от друга, обеспечивают гибкость управления процессом. Скоростьосаждения составляет единицы нанометров в секунду, что в несколько разпревышает аналогичный показатель для двухэлектродной схемы катодногораспыления.
Дальнейшее развитиетрехэлектродных систем распыления привело к использованию автономных ионныхисточников. Ионный источник представляет собой газоразрядную камеру стермокатодом, в которую подается рабочий газ под давлением ~ 0,5 Па, чтообеспечивает высокую концентрацию ионов. Газоразрядная камера отделена откамеры осаждения калиброванными отверстиями, благодаря чему обеспечиваетсяперепад давлений, и давление в камере осаждения, где расположены мишень иподложка, составляет ~ 0,015 Па. Часть ионов поступает через отверстия в камеруосаждения, ускоряется и распыляет мишень. Такая конструкция позволяет увеличитьскорость распыления мишени и повысить чистоту осаждаемых на подложке пленок.
1.2.3 Высокочастотноераспыление
Рассмотренные выше методыполучения тонких пленок используют постоянные напряжения, прикладываемые кэлектродам системы распыления мишени. Это позволяет распылять мишени только изэлектропроводящих или полупроводниковых материалов. Если мишень выполнена издиэлектрика, то при ее бомбардировке положительно заряженными ионами на нейочень быстро будет накапливаться положительный заряд. Этот заряд создастэлектрическое поле, которое будет тормозить бомбардирующие мишень ионы.Распыление мишени очень быстро прекратится.
Для распылениядиэлектрической мишени необходимо между анодом и катодом-мишенью подаватьпеременное напряжение. В этом случае мишень поочередно будет обрабатыватьсяпотоками электронов и положительно заряженных ионов. При отрицательномпотенциале на мишени будет происходить ее распыление ионами, а приположительном потенциале – нейтрализация заряда потоком электронов. Это впринципе позволяет распылять мишени из диэлектрических материалов, однакоэффективность такого метода распыления будет невысокой.
Эффективность распыленияможно значительно повысить, если между анодом и катодом-мишенью податьпеременное напряжение частотой порядка 10 МГц (обычно используют частоту 13,56МГц, разрешенную для технологических установок, работающих в этом частотномдиапазоне). Повышение эффективности при высокочастотном распылении объясняетсяследующим образом. Масса электронов значительно меньше массы ионов. Поэтому,обладая значительно большей подвижностью, электроны успевают следовать забыстроменяющимся полем, переходя с одного электрода на другой. Ионы, будучигораздо менее подвижными, не успевают заметно перемещаться в межэлектродномпространстве, в результате чего там образуется объемный положительный зарядионов. Кроме того, количество электронов, поступающих на мишень за полпериода,значительно превышает то количество, которое необходимо для нейтрализациизаряда ионов на мишени. В результате на диэлектрической мишени скапливаетсяотрицательный заряд электронов. Все это приводит к появлению в межэлектродномпространстве дополнительного электрического поля, которое способно ускоритьчасть ионов до больших энергий, что и увеличивает эффективность распылениямишени.
Следует отметить еще одноважное обстоятельство. В условиях высокочастотного разряда заряженные частицы(электроны и ионы) совершают колебательное движение с амплитудой А, равной
/>
где m — подвижностьчастицы, зависящая от давления газа; Е0 – амплитуда напряенности переменногоэлектрического поля; w — циклическая частота питающего напряжения.
Если расстояние междуэлектродами превышает амплитуду А, то на электроды поступают только те частицы,которые находятся от электрода на расстоянии, не превышающем А. При этомсущественно, что в средней части разряда электроны совершают осциллирующиедвижения, эффективно ионизируя газ, поэтому высокочастотный разряд можетсуществовать при более низких давлениях, и надобность в сложной трехэлектроднойсистемы отпадает.
Благодаря пониженномудавлению в газоразрядной камере, высокочастотные системы с успехом используютдля распыления не только диэлектрических мишеней, но и мишеней из металлов иполупроводников.
1.2.4 Реактивноераспыление
При реактивном распылениив газоразрядную камеру наряду с рабочим газом (обычно аргоном) добавляетсянебольшое количество реакционного активного газа (кислорода, азота и др.), врезультате чего на подложке образуется пленка из химического соединения,образованного атомами мишени и активного газа. Если, например, мишень изготовленаиз алюминия, а в качестве активного газа используется кислород, то на подложкеполучается пленка из оксида алюминия, если же в камеру добавляется азот, тополучится пленка из нитрида алюминия.
Кроме оксидных инитридных пленок, данным способом можно получать карбидные и сульфидные пленки,добавляя в камеру соответственно метан СН4 или пары серы. Дляполучения химического соединения необходимо строго определенное парциальноедавление активного газа, зависящее от материала мишени. Поэтому чаще получаютсяне химические соединения, а твердые растворы. На основе одной мишени изкакого-либо металла и различных активных газов можно получать широкую гаммусвойств осаждаемых пленок – от проводящих и низкоомных резистивных довысокоомных резистивных и диэлектрических.
Использовать реактивноераспыление взамен непосредственного распыления мишени из химического соединенияцелесообразно тогда, когда коэффициент распыления данного химическогосоединения (оксида, нитрида и так далее) низкий, либо тогда, когдатехнологически трудно изготовить массивную мишень из этого соединения. Крометого, реактивное распыление создает условия для гибкого управления свойствамипленок при создании многослойных структур (например, пленочных конденсаторов).
В общем случае процессосаждения пленок при реактивном распылении обусловлен тремя механизмами,действующими параллельно:
— образование химическогосоединения на поверхности мишени и его
распыление;
— образование химическогосоединения в пролетном пространстве «мишень — подложка» и осаждениеего на подложку;
— взаимодействиеосажденных на подложке атомов мишени с атомами активного газа.
В условиях невысокогодавления газа в камере вероятность второго механизма весьма мала и его вклад вобщий процесс формирования пленки на подложке незначителен. Что касаетсясоотношения вкладов первого и второго механизмов, то это зависит от условийраспыления, а именно, от рода материала мишени и от рода активного газа, отобщего давления газовой смеси в камере и от парциального давления активногогаза; от расстояния между мишенью и подложкой. На практике часто уменьшениедавления парциального газа при прочих равных условиях увеличивает вероятностьобразования соединения непосредственно на подложке. В большинстве случаевнеобходимые реакции полностью протекают при содержании активного газа в газовойсмеси (аргон + активный газ) порядка единиц процентов.
1.2.5 Магнетронноераспыление
Стремление снизитьдавление рабочего газа в камере и увеличить скорость распыления мишеней привелок созданию метода магнетронного распыления. Один из возможных вариантов схеммагнетронного распылителя представлен на рис. 4.
/>
Рис. 4 Схема установкидля магнетронного распыления
Цифрами обозначены: 1 –мишень, одновременно являющаяся катодом распылительной системы; 2 – постоянныймагнит, создающий магнитное поле, силовые линии которого параллельныповерхности мишени; 3 – кольцевой анод. Выше анода располагается подложка (нарисунке не показана), на которой формируется пленка из материала мишени.
Отличительнойособенностью магнетронного распылителя является наличие двух скрещенных полей –электрического и магнитного.
Если из мишени-катодабудет испускаться электрон (за счет вторичной электронной эмиссии), тотраектория его движения будет определяться действием на него этих полей. Подвоздействием электрического поля электрон начнет двигаться к аноду. Действиемагнитного поля на движущийся заряд приведет к возникновению силы Лоренца,направленной перпендикулярно скорости. Суммарное действие этих сил приведет ктому, что в результате электрон будет двигаться параллельно поверхности мишенипо сложной замкнутой траектории, близкой к циклоиде.
Важным здесь является то,что траектория движения замкнутая. Электрон будут двигаться по ней до тех пор,пока не произойдет несколько столкновений его с атомами рабочего газа, врезультате которых произойдет их ионизация, а сам электрон, потеряв скорость,переместиться за счет диффузии к аноду. Таким образом, замкнутый характертраектории движения электрона резко увеличивает вероятность его столкновения сатомами рабочего газа. Это означает, что газоразрядная плазма можетобразовываться при значительно более низких давлениях, чем в методе катодногораспыления. Значит и пленки, полученные методом магнетронного распыления, будутболее чистыми. Другое важное преимущество магнетронных систем обусловлено тем,что ионизация газа происходит непосредственно вблизи поверхности мишени.Газоразрядная плазма локализована вблизи мишени, а не «размазана» вмежэлектродном пространстве, как в методе катодного распыления. В результатерезко возрастает интенсивность бомбардировки мишени ионами рабочего газа, темсамым увеличивается скорость распыления мишени и, как следствие, скорость ростапленки на подложке (скорость достигает несколько десятков нм/с). Наличиемагнитного поля не дает электронам, обладающим высокой скоростью, долететь доподложки, не столкнувшись с атомами рабочего газа. Поэтому подложка ненагревается вследствие бомбардировки ее вторичными электронами. Основнымисточником нагрева подложки является энергия, выделяемая при торможении иконденсации осаждаемых атомов вещества мишени, в результате чего температураподложки не превышает 100 — 200 °С. Это дает возможность напылять пленки наподложки из материалов с малой термостойкостью (пластики, полимеры, оргстекло итак далее).
1.3 Ионно-лучевые методыполучения тонких пленок
Тонкие пленки различныхматериалов можно наносить на подложку, распыляя материал мишени пучком ионовинертных газов. Основные достоинства этого метода нанесения пленок по сравнениюс методом ионно-плазменного распыления состоят в следующем:
— возможность нанесенияпленок материалов сложного состава с сохранением компонентного состава мишени;
— малое рабочее давлениев технологической камере, ограниченное лишь быстротой откачки вакуумнойсистемы, а не условиями поддержания разряда;
— отсутствиеэлектрических полей в области подложки, что особенно важно при нанесениидиэлектрических пленок на подложки из проводящих материалов;
— возможность управлениязарядами в осаждаемой диэлектрической пленке с помощью электронов, эмиттируемыхкатодом нейтрализации.
Ионно-лучевой методнаиболее эффективен для нанесения пленок многокомпонентных материалов,различных диэлектриков, магнитных материалов.
Установка ионно-лучевогораспыления представлена на рис.5.
/>
Рис. 5 Схема установкиионно-лучевого распыления
Установка содержитисточник ионов на основе двухкаскадного самостоятельного разряда с холоднымполым катодом 1 и модифицированный вариант источника ионов Кауфмана с открытымторцом 2. Источник ионов 1 служит для распыления пучком ионов аргона с энергией0,8 кэВ и плотностью тока 0,3 мА/см2 мишени 3 чистотой не хуже 99,8%. Понаправлению потока распыляемого материала установлены подложки, закрепленные начетырех позициях вращающегося держателя 4. Поток ионов аргона со среднейэнергий 80 эВ и плотностью тока 0,45 мА/см2 из источника ионов 2 служит дляочистки и активации поверхности рабочей подложки в течение 2 минут переднанесением пленки. Источник ионов 2 во время нанесения пленки отключается,подача аргона через него прекращается, а термокатод используется для нагреваповерхности рабочей подложки.
1.4 Молекулярно-лучевая эпитаксия
В настоящее времясуществуют два основных технологических метода эпитаксии, позволяющиеформировать многослойные структуры со сверхтонкими слоями. Этомолекулярно-лучевая (МЛЭ) и газо-фазная эпитаксия, в том числе с использованиемметаллоорганических соединений (МОС) и гидридов (ГФЭ МОС).
Молекулярно-лучеваяэпитаксия проводится в вакууме и основана на взаимодействии несколькихмолекулярных пучков с нагретой монокристаллической подложкой.
/>Основнымипреимуществами метода являются: низкая температура процесса и высокая точностьуправления уровнем легирования. Снижение температуры процесса уменьшаетдиффузию примеси из подложки и автолегирование. Это позволяет получатькачественные тонкие слои. Легирование при использовании данного метода являетсябезинерционным (в отличие эпитаксии из газовой фазы), что позволяет получатьсложные профили легирования.
/>МЛЭзаключается в осаждении испаренных элементарных компонентов на подогретуюмонокристаллическую подложку. Этот процесс иллюстрируется с помощью рис. 6, накотором приведены основные элементы для получения соединения (GaAs).
/>
Рис. 6 Схема установкимолекулярно-лучевой эпитаксии
Каждый нагревательсодержит тигель, являющийся источником одного из составных элементов пленки.Температура нагревателей подбирается таким образом, чтобы давление паровиспаряемых материалов было достаточным для формирования соответствующихмолекулярных пучков. Испаряемое вещество с относительно высокой скоростьюпереносится на подложку в условиях вакуума. Нагреватели располагаются так,чтобы максимумы распределений интенсивности пучков пересекались на подложке.
Подбором температурынагревателей и подложки получают пленки со сложным химическим составом.Дополнительное управление процессом наращивания осуществляется с помощьюзаслонок, расположенных между нагревателем и подложкой. Использование этихзаслонок позволяет резко прерывать или возобновлять попадание любого измолекулярных пучков на подложку.
1.5 Лазерное распыление
Лазерное напыление –уникальный технологический процесс, позволяющий наносить на поверхность деталейобладающие специальными свойствами материалы (металлы, карбиды и т.п.),добиваясь, таким образом, восстановления геометрии, повышения поверхностнойпрочности, коррозионной устойчивости, снижения трения и прочих эффектов. Вотличие от технологии, использующей тепло электрической дуги или сгорания смесигорючего и кислорода, лазерное напыление обеспечивает меньшее термическоевоздействие и смешивание материала подложки с напыляемым материалом, при болеепрочном их скреплении.
Схема установки лазернымиспарением представлена на рис. 7.
/>
Рис. 7 Схема установкилазерным испарением.
Глубина проникновениялазерного луча в поверхность мишени мала (приблизительно 10 нм). Это означает,что только тонкий поверхностный слой материала подвержен воздействию излученияв то время, как оставшаяся часть мишени остается незатронутой.
Говоря о достоинствахлазерного испарения, можно отметить, что это один из наиболее быстрых методовполучения тонкопленочных покрытий, он предоставляет четко ориентированноенаправление распространения плазмы, наряду со стехиометрическим трансферомматерии от мишени к подложке.
2 Химические вакуумныеметоды
Метод химическогоосаждения тонких пленок осуществляется при напуске в рабочую камеру смесигазов, содержащей компоненты получаемой пленки. Главными преимуществами методахимического осаждения являются широкий диапазон скоростей осаждения ивозможность получения заданной кристаллической структуры пленки (вплоть домонокристаллов), а основным недостатком — использование токсичных, экологическинебезопасных газовых смесей.
2.1 Реактивное катодноераспыление
В отличие от физическогораспыления реактивное катодное распыление происходит в тлеющем разряде смесиинертного и активного газов. Частицы распыленного катода химическивзаимодействуют с активным газом или образуют с ним твердые соединение, и новоевещество попадает в основу. Чтобы процесс образования вещества пленки, котораянаносится, не проходил на катоде, что очень усложняет горения разряда,применяют смеси аргона с содержанием активных газов не более 10%. Для полученияпленок оксидов распыления проводят в плазме аргон-кислород, нитрид — в плазмеаргон-азот, карбидов в плазме аргон-угарный газ или аргон-метан. При вводе вкамеру различных активных газов, получают пленки различных соединений, которыепрактически невозможно получить термовакуумным напылением.
Реактивное катодноераспыление позволяет не только получить различные по составу пленки, но иуправлять их свойствами, например удельное сопротивление резистивных пленок.Реактивное распыление широко используется для формирования высокоомных резисторов.
Главными техническимитрудностями при реактивном катодном распылении является точное дозированиеактивного газа, подаваемого в вакуумную камеру.
2.2 Газовазная МОС-гидриднаяэпитаксия с использованием металлоорганических соединений (МОСГЭ)
Этот не требуетдорогостоящего оборудования, обладает высокой производительностью.Достоинствами МОСГЭ являются также необратимость химических реакций, лежащих вего основе, и отсутствие в парогазовой смеси химически активных с растущимслоем компонент. Это позволяет проводить процесс эпитаксии при сравнительнонизких температурах роста и осуществлять прецизионную подачу исходных веществ,что позволяет обеспечить контролируемое легирование слоев и получение структурв широком диапазоне составов твердых растворов с резкими концентрационнымипереходами.
К недостаткамМОС-гидридного метода можно отнести высокую токсичность используемых исходныхсоединений, в первую очередь арсина, а также сложность химических процессов,приводящих к образованию слоя GaAs, что затрудняет моделирование условийобразования эпитаксиальных слоев с нужными свойствами.
Особенность методасостоит в том, что в эпитаксиальном реакторе создается высокотемпературнаязона, в которую поступает газовая смесь, содержащая разлагаемое соединение. Вэтой зоне протекает реакция и происходит выделение и осаждение вещества наподложке, а газообразные продукты реакции уносятся потоком газа-носителя.
Для получения соединенийAIIIBV в качестве источника элемента III группы используют металлоорганическиесоединения (например, триметилгаллий (ТМГ) для синтеза GaAs и триметилиндий(ТМИ) для InP или InGaP). В качестве источников элементов V группы служат газыарсин и фосфин.
2.3 Жидкофазная эпитаксия
Жидкофазная эпитаксия восновном применяется для получения многослойных полупроводниковых соединений,таких как GaAs, CdSnP2. Готовится шихта из вещества наращиваемого слоя,легирующей примеси (может быть подана и в виде газа) и металла-растворителя,имеющего низкую температуру плавления и хорошо растворяющий материал подложки(Ga, Sn, Pb). Процесс проводят в атмосфере азота и водорода (для восстановленияоксидных плёнок на поверхности подложек и расплава) или в вакууме(предварительно восстановив оксидные плёнки). Расплав наносится на поверхностьподложки, частично растворяя её, и удаляя загрязнения и дефекты. После выдержкипри максимальной температуре ≈ 1000°С начинается медленное охлаждение.Избытки полупроводника осаждаются на подложку, играющую роль затравки.Существуют три типа контейнеров для проведения эпитаксии из жидкой фазы:вращающийся (качающийся), пенального типа, шиберного типа.
3. Химические вневакуумныеметоды
3.1 Электрохимическоеосаждение покрытий
Это метод полученияпленок отличается от предыдущих тем, что рабочей средой является жидкость.Однако характер процессов сходен с ионно-плазменным напылением, поскольку иплазма, и электролит представляют собой квазинейтральную смесь ионов инеионизированных молекул или атомов. А главное, осаждение происходит такжепостепенно (послойно) как и напыление, т.е. обеспечивает возможность получениятонких пленок.
В основеэлектрохимического осаждения лежит электролиз раствора, содержащего ионынеобходимых примесей. Например, если требуется осадить медь, используетсяраствор медного купороса, а если золото или никель – растворы соответствующихсолей.
Ионы металлов дают врастворе положительный заряд. Поэтому, чтобы осадить металлическую пленку,подложку следует использовать как катод. Если подложка является диэлектрикомили имеет низкую проводимость, на нее предварительно наносят тонкийметаллический подслой, который и служит катодом. Подслой можно нанести методомтермического или ионно-плазменного напыления.
Большое преимуществоэлектрохимического осаждения перед напылением состоит в гораздо большейскорости процесса, которая легко регулируется изменением тока. Поэтому основнаяобласть применения электролиза в микроэлектронике – это получение сравнительнотолстых пленок (10 – 20 мкм и более). Качество (структура) таких пленок хуже,чем при напылении, но для ряда применений они оказываются вполне приемлемыми.
Один из вариантовхимического ионно-плазменного напыления называют анодированием. Этот процесссостоит в окислении поверхности металлической пленки (находящейся подположительным потенциалом) отрицательными ионами кислорода, поступающими изплазмы газового разряда. Для этого к инертному газу (как и при чисто химическомнапылении) следует добавить кислород. Т. о., анодирование осуществляется ненейтральными атомами, а ионами.
Химическое напыление ианодирование проходят совместно, т.к. в газоразрядной плазме (если она содержиткислород) сосуществуют нейтральные атомы и ионы кислорода. Для того чтобыанодирование превалировало над чисто химическим напылением, подложкурасполагают «лицом» (т.е. металлической пленкой) в сторону,противоположную катоду, с тем, чтобы на нее не попадали нейтральные атомы.
По мере нарастанияокисного слоя ток в анодной цепи падает, т. к. окисел является диэлектриком.Для поддержания тока нужно повышать питающее напряжение. Поскольку часть этогонапряжения падает на пленке, процесс анодирования протекает в условиях большойнапряженности поля в окисной пленке. В результате и в дальнейшем она обладаетповышенной электрической прочностью.
К числу другихпреимуществ анодирования относятся большая скорость окисления и возможностьуправления процессом путем изменения тока в цепи разряда. Качество оксидныхпленок, получаемых данным методом, выше, чем при использовании других методов.
3.2 Химическаяметаллизация
Химическая металлизацияоснована на химической «реакции серебряного зеркала» и заключается внанесении на поверхности пластмасс, пластика, алюминия, керамики металлизируемыхизделий зеркальных металлических покрытий, которые имеют высокую отражающуюспособность. Зеркальные металлизированные поверхности, образующиеся врезультате химической металлизации, отличаются целым рядом существенныхпреимуществ. Во-первых, такой метод как химическая металлизация практична сэкономической точки зрения. Он не является технически сложным и оптимальновписывается в технологические процессы. Во-вторых, металлизация универсальна. В-третьих,металлизированные поверхности, получаемые с применением метода, как химическаяметаллизациия, отличаются прекрасными механическими свойствами, в частностивысокой износостойкостью и твердостью. В-четвертых, химическая металлизацияудобна тем, что размеры металлизируемых деталей практически не ограниченны.В-пятых, такой процесс как химическая металлизация совершенно безвреден вэкологическом отношении, он не наносит ущерба здоровью людей и окружающейсреде.
При использовании методахимической металлизации технологический процесс осуществляется в три основныхэтапа. Сначала на поверхность детали наносится слой специального связующегогрунта, активного по отношению к последующему металлическому слою. Затем припомощи установки «Мета-хром», предназначенной для химическойметаллизации пластмасс, на покрытую связующим грунтом поверхность напыляютспециально подготовленные химреагенты, которые в результате химической реакциии образуют на поверхности детали зеркальное металлическое покрытие. Наконец, наполученное зеркальное покрытие наносится слой защитного лака, предохраняющийметаллизированную поверхность от потускнения и механического износа. Послезатвердения и высыхания защитного лака металлизированное покрытие выглядитточно так же, как если бы оно было нанесено методом электролитического осаждения.Добавляя в защитный лак красящие пигментные тонеры, можно придать покрытиювнешний вид хрома, алюминия, золота, меди, бронзы, других металлов и сплавов.
Заключение
У исследователей,заинтересовавшихся в исследовании тонких пленок, имеется широкий выбор методових изготовления. В общем случае, эти методы могут быть разбиты на два класса.Один класс объединяет методы, основанные на физическом испарении или распыленииматериала из источника, например термическое испарение или ионное распыление. Вдругом классе собраны методы, основанные на использовании химических реакций.Сущность реакций в этом классе методов может быть различной: электрическоеразделение ионов, как например при электрохимическом осаждении и анодировании,или использование тепловых объектов, как например при осаждении из паровой фазыи термическом выращивании. В данной работе была предпринята попытка совершитьклассификацию методов получения тонких пленок, основанную на таком принципеподразделения.
После рассмотренияразличных методов получения тонких пленок сделан вывод, что нет оптимальноговыбора метода получения тонких пленок. Выбор метода зависит от типа требуемойпленки, от ограничений в выборе подложек и часто, особенно в случаемногократного осаждения, от общей совместимости различных процессов,протекающих при применении этого метода.
Список литературы
1. В.И. Смирнов. Физико-химические основы технологии электронных средств. Учебноепособие. Ульяновск. 2005.
2. />Технология тонких пленок. Справочник. Под ред. Л. Майссела, Р.Глэнга. Том 1. М.: Советское радио. 1977.
3. Н. И. Сущенцов. Основы технологии микроэлектроники.Лабораторный практикум. Йошкар-Ола. 2005.
4. Ю. Панфилов. Нанесение тонких пленок в вакууме. «Технологиив электронной промышленности, №3’2007», С 76-80.
5. Ф.И.Григорьев. Плазмохимическое и ионно-химическоетравление в технологии микроэлектроники. Учебное пособие. М.: 2003.