Методи виготовлення тонких плівок. Методи визначення структури та складу тонких плівок. Ільченко В. В

Тонкие пленки широко используются в полупроводниковых и гибридных интегральных микросхемах для создания проводящих дорожек и контактных площадок, резисторов, конденсаторов и так далее. При формировании пленок на поверхности подложек очень важно обеспечить воспроизводимость их параметров. Важно также, чтобы пленки обладали хорошей адгезией к поверхности подложки и имели бы с ней согласованный температурный коэффициент линейного расширения.

Хорошую воспроизводимость параметров тонких пленок дает метод термовакуумного испарения и группа методов ионно-плазменного распыления. Термовакуумный метод получения тонких пленок основан на нагреве в вакууме вещества до его активного испарения и конденсации испаренных атомов на поверхности подложки. Все разновидности ионно-плазменных методов основаны на создании в газоразрядной камере ионов, ускорении их электрическим полем и бомбардировке мишени из нужного материала. Распыленные атомы мишени, осаждаясь на поверхности подложки, образу ют пленку. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Рассмотрим более подробно первый метод.

Сущность метода термовакуумного напыления

можно пояснить с помощью упрощенной схемы установки, представленной на рис. 4.1. Вещество, подлежащее напылению, помещают в устройство нагрева (испаритель) 1, где оно при достаточно высоко 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.

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.

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 бомбардировкоймишени 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.

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, высоко-

частотное);

- способом возбуждения и поддержания разряда (автоэлектронная эмис-

сия, термоэмиссия, магнитное поле, электрическое высокочастотное поле);

- количеством электродов в газоразрядной камере (двухэлектродные,

трехэлектродные и многоэлектродные системы).

Виды: Катодное распыление, Трехэлектродная система распыления, Высокочастотное распыление, Реактивное распыление, Магнетронное распыление.

Методи контролю складу плівок (фактично чистоти поверхні плівок) поділяються на руйнівні та неруйнівні.

До неруйнівних відносять:

1) опромінення рентгеном (дасть структуру, дифракційні картинки)

2) дифракція повільних електронів (структура поверхні)

3) растрова електронна мікроскопія (не дасть структуру, але дасть морфологію – мале/велике зерно)

4) електронна мікроскопія на відбиття

5) електронна мікроскопія на проходження (зразок має бути настільки тонкий, щоб промінь його пройшов, і тоді можна визначити структуру дифракцією швидких електронів)

6)Метод контактної різниці потенціалів (все, що адсорбується на поверхні – змінює Авих)

7) Трибонометричний метод (вимірювння коефіцієнту тертя, і визначення за його величиною рівня забрудненості поверхні)

8) Контроль крайового кута змочування (5-7º - чистий кремній, 15-20 – залишкові ...)

9) атомна силова мікроскопія

10) скануюча тунельна мікроскопія (6) і 7)можуть дати інформацію про профіль – як нанесені плівки)

Коли на підкладинку потрапляє електронний промінь певної енергії, він призводить до появи характеристичного рентгенівського випромінювання, а оскільки рентгенівські спектри характерні для кожного елемента, можна визначити хімічний склад плівки.

Руйнівні методи передбачають здійснення пошарового досліження плівки. Може відбуватись різними способами:

· Досліджений шар стравлюють, наприклад Ar⁺, і вивчають наступний шар методами оже електронної спектроскопії або фотоелектронної спектроскопія. А все те, що було стравлене за допомогою Ar⁺ запускається до масс-спектрометра і здійснюється його вивчення шляхом вторинної йонної спектроскопії та спектрометрії. АЛЕ пучок, яким опромінюється поверхня, повинен мати меншу площу перерізу, ніж розміри витравленої області

· так зване стоп травлення (використання травників, що діють лише, наприклад, на n-області, а р не травлять, чи навпаки)

коли необхідно знати розподіл концентрації в р області, наприклад. Рідинним травленням робиться клин і з кроком вивчається структура. Цей метод потужний, але має погану чутливість (порядку мкм).

Контроль за допомогою растрового-тунельного мікроскопа:

На поверхні буде створюватися растр (набір плям).

Д – детектор вторинних електронів. На Д буде створюватися растр.

Є два види контрасту: z-контраст і топографічний контраст.

z-контраст : z1 < z2 – елементи на гладкій поверхні з відповідними атомними номерами. Коли промінь потрапляє на межу, то на екрані буде більша яскравість.

Топографічний контраст:

Чим більший кут падіння, тим більше вторинних електронів. Коефіцієнт вторинної емісії:

Щоб визначити тип контрасту потрібно міняти кут падіння. Якщо картинка міняється (інвертовано) яскравість, то маємо топографічний контраст.

Білет №5

Поиск по сайту: