Методы термического испарения

РЕФЕРАТ
по дисциплине: «ФХОТЭС»
на тему: «Методы термического испарения»

Оглавление
 
Метод термовакуумного напыления
Резистивное термическое испарение в вакууме
Обеспечение равномерности толщины пленки
Метод лазерного испарения
Достоинства и недостатки термическогоиспарения
Многослойные системы
 
/>/>Метод термовакуумного напыления
Метод получения тонких пленок термическимвакуумным напылением является универсальным и наиболее освоенным методом. Рассмотримсхему процесса термического напыления (рис.1).
/>
Рис 1 Схема процесса термического напыления
 
Схема термического напыления. Рабочаякамера вакуумной установки представляет собой цилиндрический металлический или стеклянныйколпак 1, который устанавливается на опорной плите 7. Между колпаком и плитой находитсярезиновая прокладка, обеспечивающая вакуумплотное соединение. Внутри рабочей камерырасположены: подложка 4, которая закрепляется на держателе 3, нагреватель подложки2 испаритель 6 для нагрева напыляемых веществ. Между испарителем и подложкойустанавливается заслонка 5, позволяющая в нужный момент прекращать попадание испаряемоговещества на подложку. Рабочая камера откачивается вакуумным насосом. Остаточноедавление под колпаком измеряется специальным прибором — вакуумметром. Давление измеряетсяв мм рт. ст.
Процесс термического напыления в вакуумеразбивается на три этапа
1. Испарение вещества.
2 Распространение паров испаряемоговещества.
3. Конденсация паров испаряемого веществана подложке и образование пленочной структуры.
Испарение вещества. Испарениевещества происходит при его нагревании. При нагревании вещества кинетическая энергияего атомов и молекул возрастает и становится достаточной для того, чтобы они оторвалисьот поверхности и распространились в окружающем пространстве. С повышением температурыэнергия увеличивается и количество молекул, отрывающихся от поверхности, возрастает.
Твердые вещества обычно при нагреваниирасплавляются, а затем переходят в газообразное состояние. Некоторые вещества переходятв газообразное состояние, минуя жидкую фазу. Такой процесс называется сублимацией.
Температуру, при которой давление пароввещества над его поверхностью составляет 10-2 ммрт. ст., называют температуройиспарения вещества.
Скорость испарения вещества определяетсяколичеством вещества, испаряемого с единицы площади в I сек, и выражается формулой
/> (1)
где Vисп — скорость испарения, г/ (см2сек); рs — давление насыщенного пара (10-2 ммрт. ст.); М — молекулярныйвес испаряемого вещества, г/моль; Т — температура испарения вещества, К.
В табл.1 приведены значения температурыплавления, кипения и испарения, а также давления паров и скорости испарения некоторыхматериалов.
Формула (1) для определения скоростииспарения справедлива для так называемого молекулярного режима

Таблица1Материал обозначения
Температура плавления, 0С
Температура кипения, 0С
Давление паров при температуре плавления,
мм рт. ст.
Температура испарения при давлении паров 10-2 мм рт. ст.
Скорость испарения 10-4, г/ (см2*сек)
Алюминий
Медь
Никель
Олово
Серебро
Хром
А1
Сu
Ni
Sn
Ag
Cr
660
1083
1455
232
961
1900
2060
2590
2730
2400
2210
2200
1,2 10-6
3 10-4
4,4 10-3
1,7 10-3
6,4 10-4
996
1273
1510
1189
1047
1205
0,85
1,18
1,06
1,56
1,67
1,1 Конденсация паров на подложке и образование пленочной структуры
Конденсацией называется процесс переходаматериала из газообразной фазы в твердую. При конденсации на подложке образуетсяпленка сконденсированного материала.
Конденсация пленкина подложкезависит от температуры подложки. Существует такая температура подложки, называемаякритической Ткр при превышении которой все атомы отражаются от подложкии пленка не образуется.
Исследования конденсации и роста пленкив начальный момент времени ее образования крайне важны, так как свойства пленкиво многом определяются на этом этапе.
На процесс образования пленки влияетсостояние поверхности подложки. Большое влияние оказывают также молекулы остаточныхгазов, которые нарушают условия конденсации и структуру образующейся пленки.
Молекулы остаточного газа находятся в беспорядочном тепловомдвижении и ударяются о любой участок поверхности, в том числе и о подложку. Степеньзагрязненности конденсируемой пленки определяется отношением числа молекул остаточногогаза, ударяющихся о подложку, к числу молекул испаряемого вещества.
Молекулы остаточного газа, а в основномони являются молекулами воды Н2О, реагируя с напыленным металлом,окисляют его. Тонкий окисный слой, образующийся у поверхности подложки, улучшаетадгезию напыляемой пленки к подложке. Поэтому пленки, которые окисляются лучше(хром, железо), имеют лучшую адгезию. Металлы, которые плохо поддаются окислению(золото, серебро), имеют плохую адгезию, и они обычно напыляются с подслоем другогометалла, имеющую лучшую адгезию к подложке./> Резистивное термическое испарение в вакууме
Все веществав зависимости от температуры нагрева могут находиться в одном из трех фазовых (агрегатных)состояний: твердом, жидком или газообразном (парообразном
Условной,практически установленной температурой испарения считается температура, при которойдавление насыщенного пара вещества составляет приблизительно 1,3 Па.
Некоторыевещества имеют температуру испарения ниже температуры плавления, те. они достаточноинтенсивно испаряются из твердого состояния. Процесс перехода вещества из твердогосостояния в парообразное, минуя жидкую фазу, называют сублимацией (возгонкой).
Двигаясь от испарителя к подложке сэнергией, молекула при столкновении с подложкой отдает ей часть своей энергии. Другуючасть своей энергии молекула тратит на миграцию по поверхности подложки, теряя постепенноэту энергию и стремясь к тепловому равновесию с подложкой, в то же время миграциямолекулы вдоль подложки происходит в потенциальном поле, рельеф которого характеризуетсяналичием «бугров» и «ям» и представляет собой распределениесил связи (сил Ван-дер-Ваальса) по поверхности подложки.
В процессе миграции возможны следующиерезультаты:
1) встретив на пути движения потенциальную«яму» (сильная связь с подложкой), молекула теряет избыток энергии и фиксируетсяна подложке (конденсируется), становясь центром кристаллизации;
2) встретив на пути движения потенциальный«бугор» (слабая связь с подложкой) и обладая достаточным избытком энергии,молекула покидает подложку (реиспарение);
3) встретив на пути движения другуюмигрирующую молекулу, она вступает с ней в сильную (металлическую) связь, в результатечего подвижность группы и вероятность ее десорбции значительно падают. При достаточнокрупном объединении молекул такая группа полностью теряет способность мигрироватьи фиксируется на подложке, становясь центром кристаллизации.
Вокруг отдельных центров кристаллизациипроисходит рост кристаллов, которые впоследствии срастаются и образуют сплошнуюпленку. Повышение температуры подложки при прочих неизменных условиях увеличиваетэнергию адсорбированных молекул, повышается вероятность десорбции одиночных молекулв потенциальных «ямах». Таким образом, устойчивыми могут быть только крупныегрупповые образования молекул. При достаточно высокой температуре подложки (называемойкритической) вероятность реиспарения становится равной единице и конденсации непроисходит. С увеличением скорости испарения критическая температура подложки возрастает,возрастает вероятность возникновения мелкокристаллической пленки, вплоть до аморфной.
Процесс испарения и качество нанесенныхпленок в значительной мере определяются типом и конструкцией испарителей, которыемогут иметь резистивный или электронно-лучевой нагрев.
метод термическое испарение
Резистивным нагревом называютнагрев электропроводящего тела, обладающего высоким электрическим сопротивлениемпри прохождении через него электрического тока.
Достоинства резистивного нагрева — высокийКПД, низкая стоимость оборудования, безопасность в работе и малые габаритные размеры.Факторами, ограничивающими применение испарителей с резистивным нагревом являютсявозможность загрязнения наносимой пленки материалом нагревателя, а также
малый ресурс работы из-за старения(разрушения) нагревателя, что требует его периодической замены.
Испарители этого типа различных конструктивныхвариантов могут быть с непосредственным или с косвенным нагревом испаряемого вещества.
Материалы,используемые для изготовления испарителей, должны отвечать следующим требованиям:
1) испаряемостьматериала испарителя при температуре испаряемого вещества должна быть пренебрежимомалой;
2) дляхорошего теплового контакта материал испарителя должен хорошо смачиваться расплавленнымиспаряемым веществом;
3) междуматериалом испарителя и испаряемым веществом не должны происходить никакие химическиереакции, так как это приводит к загрязнению наносимых пленок и разрушению испарителей.
В испарителяхс непосредственным нагревом ток в несколько десятков ампер проходит непосредственночерез испаряемый материал. Такой метод испарения может быть применен только длясублимирующихся материалов, т.е. металлов, температура плавления которых выше температурыиспарения
Основноедостоинство этих испарителей — отсутствие теплового контакта между их нагретымиэлементами и испаряемым металлом, что обеспечивает высокую чистоту наносимой пленки.Однако они обеспечивают низкую скорость испарения, дают возможность испарять малоеколичество материала, который может быть использован только в виде ленты или проволоки,а также не позволяет испарять диэлектрики и большинство металлов.
Испарителис косвенным резистивным нагревом
Испарителис косвенным нагревом, в которых испаряемое вещество нагревается за счет теплопередачиот нагревателя, более универсальны, так как позволяют испарять проводящие и непроводящиематериалы в виде порошка, гранул, проволоки, ленты и др. Но при этом из-за контактас нагретыми частями испарителя, а также из-за испарения материала подогревателяосаждаются менее чистые пленки. Так как форма испарителя с косвенным нагревом зависитот агрегатного состояния, в котором находится испаряемый материал, то их подразделяютна проволочные, ленточные и тигельные.
Проволочные испарители.
 
А) />Б) />В) />
Рис 2. Проволочный испаритель косвенною нагрева а) с цилиндрическойпроволочной спиралью I-отогнутый конец спирали.2 — цилиндрическаяспираль, 3 — испаряемый материал, б) с конической проволочной спиралью: 4 — зажимтокопровода, 5,7 — цилиндрический тепловой и ограничивающий экраны, 6 — коническаяспираль, в) с параллельным расположением проволочных нагревателей
Проволочныеиспарители применяют для испарения веществ, которые смачивают материал нагревателя.При этом расплавленное вещество силами поверхностного натяжения удерживается в видекапли проволочном нагревателе. Проволочные испарители изготовляются V-XV-образнойформы, а также спирале — и волнообразной.
Проволочныйиспаритель простейшей конструкции (рис.2. а) используют для нанесения пленок алюминия,который хорошо смачивает вольфрамовый проволочный нагреватель — цилиндрическую проволочнуюспираль 2. Испаряемое вещество в виде скобочек 3 навешивают на спираль, которуюотогнутыми концами 1 вставляют в контактные зажимы. По мере нагрева это веществоплавится и формируется на проволоке в виде капель.
При плохой смачиваемости испаряемого вещества, а также для испарениянавесок в форме гранул или кусочков применяют испарители в виде конической проволочнойспирали 6 (рис.2,6), закрепляемой на зажимах 4 токопровода. Спираль окружена цилиндрическимтепловым экраном 5, а снизу размещается ограничивающий экран 7.
Существеннымдостоинством проволочных испарителей является простота конструкции и возможностьмодификации под конкретные технологические условия. Кроме того, они хорошо компенсируютрасширение и сжатие при нагреве и охлаждении. Недостаток — малое количество испаряемогоза один процесс материала.
Ленточные испарители.
 
/>
Рис. 3. Ленточные испаригели косвенного нагрева а) с углублениемв виде полусферы, 6) лодочного типа
Ленточныеиспарители применяются для испарения металлов, плохо удерживающихся на проволочныхиспарителях, а также диэлектриков и изготавливаются с углублениями в виде полусфер,желобков, коробочек или лодочек. Наиболее распространенными материалами для такихиспарителей является фольга толщиной 0,1 — 0,3 мм из вольфрама, молибдена и тантала. Испаритель с углублением в виде полусферы, предназначенный дляиспарения относительно малых количеств вещества, показан на рис.3. а. Испарителилодочного типа (рис.3,6) предназначены для испарения относительно больших количестввещества.
Испарители коробчатого типа.
 
/>
Рнс. 4. Испаритель косвенного нагрева коробчатого типа I — коробочка, 2 — поток паров наносимого вещества, 3 — экран,4 — пары испаряемого вещества, 5 — испаряемое вещество
Еслидля металлов благодаря их высокой теплопроводности испарение в вакууме есть явлениеповерхностное, то для таких неметаллических веществ плохой теплопроводности, какдиэлектрики, существует большая вероятность их разбрызгивания при форсированномиспарении. В этих случаях применяют испарители коробчатого типа (рис.4), выполненныеиз ленты толщиной 0,1 мм в виде коробочки 1, в которую засыпают испаряемое вещество5. Сверху коробочка закрывается однослойным или двухслойным экраном 3 с отверстиями,через которые проходят пары 4 наносимого материала.
Тигельные испарители.
 
/>
Рис. 5. Испарители прямого нагрева с тиглями с внутренним (а)и внешним (б) спиральными нагревателями 1 спираль, 2 тигель
Тигельныеиспарители используют, как правило, для испарения больших количеств сыпучих диэлектрическихматериалов. Тигли изготавливают из тугоплавких металлов, кварца, графита, а такжекерамических материалов (нитрида бора, оксида алюминия корунда). Максимально допустимаятемпература кварца составляет
1400°С,графита 3000°С, оксида алюминия 1600°С. Два типа испарителей с тиглями из керамикипоказаны на рис.5 а, б. в испарителе первого типа нагреватель в виде плоской улиткообразныйспирали 1 располагается в полости керамического тигля 2, куда насыпается испаряемыйматериал. Такой испаритель позволяет испарять с высокими скоростями большое количествовещества. В испарителе второго типа нагреватель в виде конусообразной спирали I расположен с внешней стороны керамическоготигля 2.
При равноймощности питания первый испаритель нагревается до более высокой температуры, чемвторой. Однако достоинством второю является отсутствие контакта испаряемого материаласо спиральным нагревателем. Эксплуатационным недостатком тигельных испарителей являетсято, что они инерционны, так как малая теплопроводность материала, из которого изготовляюттигель, не обеспечивает быстрого нагрева испаряемого вещества.

Электронно-лучевыеиспарители.
/>
Рис. 6. Электронно-лучевой испаритель 1 — полюсной наконечник,2 — электромагнит, 1 — водоохладительный тигель, 4 — испаряемый материал, 6 — термокатод,7 — фокусирующая система, 8 электромагнитный луч, 9 — тонкая пленка, 10 — подложка
Испарителис электронно-лучевым нагревом основаны на том, что кинетическая энергия потока ускоренныхэлектронов при бомбардировке ими поверхности вещества превращается в тепловую энергию,в результате чего оно нагревается до температуры испарения.
Электронно-лучевойиспаритель (рис.6) состоит из трех основных частей: электронной пушки, отклоняющейсистемы и водоохлаждаемого тигля. Электронная пушка предназначена для формированияпотока электронов и состоит из вольфрамового термокатода 6 и фокусирующей системы7. Электроны, эмитируемые катодом, проходят фокусирующую систему, ускоряются засчет разности потенциалов между катодом и анодом (до 10 кВ) и формируются в электронныйлуч 8.
Отклоняющаясистема предназначена для создания магнитного поля, перпендикулярного направлениюскорости движения электронов, выходящих из фокусирующей системы пушки, и состоитиз полюсных наконечников 1 и электромагнита 2. Между полюсными наконечниками расположеныводоохлаждаемый тигель 3 и электронная пушка. Отклоняя электронный луч магнитнымполем, его направляют в центральную часть водоохлаждаемого тигля 3. В месте падениялуча создается локальная зона испарения вещества из жидкой фазы. Нагретый электроннойбомбардировкой материал 4 испаряется, поток 5 осаждается в виде тонкой пленки 9на подложке 10. Изменяя ток в катушке электромагнита 2, можно сканировать лучомвдоль тигля, что предотвращает образование «кратера» в испаряемом материале.
Медныеводоохлаждаемые тигли емкостью 50 см и более обеспечивают длительную непрерывнуюработу без добавки испаряемого материала, который, кроме того, не контактирует врасплавленном виде с медными стенками тигля.
Недостаткиэтих испарителей — сложность аппаратуры питания и управления, трудность испаренияметаллов высокой теплопроводности (медь, алюминий, серебро, золото) из водоохлаждаемоготигля, необходимость частой замены катода, а также питания высокими напряжениями./> Обеспечение равномерности толщины пленки
Необходимообеспечивать равномерность распределения толщины пленки на подложке, что являетсяодним из основных ее параметров.
/>
Рис. 7. Схема осаждения плёнок из точечного источника на плоский(а) и сферический (б) подложкодержатели и на планетарный подложкодержатепь с двумянаправлениями вращения (в) 1, 5, 7 — плоский, сферический на планетарный подложкодержатели;2 подложки; 3 поток осаждаемых частиц; 4 — точечный источник потока осаждаемых частиц;6 — кольцо; 8 — ось подложкодержателя; 9 — приводная вращающаяся ось.
Толщинапленки в данной точке подложки определяется количеством частиц достигающих ее вединицу времени. Если бы поток наносимых частиц был одинаков на всю поверхностьподложки, пленка получилась бы одинаковой толщины. Однако площадь испарителей веществво много раз меньше площади подложкодержателей. В результате добиться равномерностипотока невозможно. Как видно из рис. а, скорость «несения пленки будет неодинаковав точке О и в точках А и В: чем дальше от оси О8 эти точки, тем ниже скорость нанесенияпленки и тем меньше ее толщина за данное время нанесения. При плоском подложко-пержателенеравномерность толщины пленки составляет 20%. Наиболее простым способом снижениянеравномерности распределения пленки по толщине является увеличение расстояния о!(см. рис.7, а). Однако это уменьшает скорость конденсации пленки и коэффициент использованиявещества. Поэтому на практике применяют более сложные способы, одним из которыхявляется придание подложкодержателю сферической формы (рис.7,6). Неравномерностьтолщины пленки при этом снижается до 10%. Если этого недостаточно, используют системус двойным вращением, так называемую планетарную карусель (рис.7, в), состоящую изприводной вращающейся оси 9, на которой установлены три подложкодержателя 7. Каждыйподложкодержатель может вращаться вокруг собственной оси 8 при обкатывании по кольцу6./> Метод лазерного испарения
/>
Рис. 8. Лазерный испаритель
В методелазерного испарения вещество нагревается при помощц фокусированного излучения лазера,находящегося вне вакуумной камеры. Нанесение пленок с помощью лазеров возможно благодаряследующим свойствам луча: точной фокусировке светового пятна с помощью несложныхоптических систем (рис.8), высокой плотности энергии в луче (108-1010Дж/см2), достаточной для испарения любого непрозрачного материала, точнойдозировке энергии излучения. Большое достоинство этого способа заключается в том,что при испарении с помощью лазерного излучения может быть разогрет только небольшойучасток испаряемого вещества, что позволяет исключить загрязнения, вносимые газоотделениемиз разогретых частей обычных испарительных систем.Методы контроля тонкопленочных элементов.
Методыконтроля тонкопленочных элементов целесообразно разделить на две группы методы контроляэлектрических характеристик напыляемых элементов и методы контроля основных физическиххарактеристик, которые аналитически связаны с электрическими характеристиками напыляемыхпленок
Резистивныйметод.
Электрическоесопротивление пленок измеряют резистивным датчиком с внешним измерительным прибором(рис) Этот метод основан на том, что по мере утолщения пленки в процессе роста сопротивлениеее уменьшается. Это позволяет непосредственно при нанесении контролировать сопротивлениепленки, а при достижении номинальной ее толщины прекратить процесс
При измерениях(рис) предварительно изготовляют специальную контрольную подложку (свидетель) 1из изоляционного материала (стекла, ситалла), на которую наносят плоские контактныеплощадки 2 из серебра или другого материала высокой проводимости. Затем эту подложку- „свидетель“ устанавливают в рабочую камеру как можно ближе к рабочейподложке 3 Это необходимо для того, чтобы обе подложки при нанесении пленки находилисьв одинаковых условиях Резистивную пленку наносят на контрольную и рабочую подложкиодновременно
Контрольнуюподложку устанавливают в подложкодержатель рядом с рабочей подложкой Сопротивлениеконтрольной подложки в процессе напыления Rк регистрируется с помощью внешнего прибора — мостовой схемыПри достижении определенного сопротивления Rк цепь обратной связи обеспечивает прекращение процессанапыления. Перестройку системы на заданное Rк производят переменным резисторомПЗ (см рис)
Измерениесопротивления контрольной подложки определяет пропорционально величину сопротивленияквадрата конденсируемой пленки (резистивной) согласно формуле:
/> Ом,
Приближеннокоэффициент использования вещества можно вычислить следующим образом. Вначале определяютмассу вещества, загружаемого на испаритель (Мв) Затем, после напыления,определяют массу вещества пленки на подложке (Мп) Для этого измеряюттолщину пленки dп (м) и вычисляютплощадь пленки SП (м2)
Массувещества пленки определяют по формуле:
Мп=ρ´Sn´ dn
где р- плотность вещества, кг/м3
Коэффициентиспользования вещества определяют по формуле
/>/> Достоинства и недостатки термического испарения
Отметимдостоинства и недостатки метода термического испарения по сравнению с другими методаминанесения пленок.
Достоинствами метода термического испарения являются:
1) высокаяскорость испарения веществ и возможность регулирования ее в широких пределах засчет изменения подводимой к испарителю мощности;
2) высокаяпроизводительность при групповой загрузке и обработке подложек;
3) возможностьодновременно с осаждением пленки получать требуемую конфигурацию тонкопленочныхэлементов пассивной части ИС за счет использования металлических (»свободных")масок;
4) возможностьвести процесс как в высоком вакууме, так и в окислительной и восстановительной средеразреженного газа.
Недостатками метода термического испарения являются:
1) невысокаявоспроизводимость свойств пленок;
2) трудностьиспарения тугоплавких материалов и материалов сложного состава;
3) появлениеповерхностных дефектов в результате вылета мелких частиц, нарушающих непрерывностьпленочного покрытия;
4) небольшойсрок службы и высокая инерционность испарителей;
5) загрязнениепленки материалом испарителей;
6) невысокаяадгезия пленок к подложке./> Многослойные системы
В связис тем, что ни один из элементов периодической таблицы не удовлетворяет всем требованиям,предъявляемым к материалам контактных площадок, обычно применяют многослойные системыиз нескольких материалов, нижний из которых (толщиной 10-20 нм) обеспечивает необходимуюадгезию к подложке, верхний, (толщиной 300-800 нм) — высокую проводимость, необходимыережимы сварки и пайки. Во многих случаях применяется третий материал толщиной 30-50нм, с низкой проводимостью, однако с хорошей коррозионной стойкостью и высокой паяемостьюили свариваемостью. В качестве адгезионного слоя могут служить переходные металлыТi, V, Zr, Cr, Ta, Nb, Hf, NiCr, сплавы PC, керметы; в качестве проводящегослоя: Au, Ag, Cu, Al; в качестве защитного слоя: Ni и др.