Белорусский государственный университет Факультет радиофизики и компьютерных технологий

Отчет по лабораторным работам

Минск 2012

Лабораторная работа №1.

Тонкопленочные покрытия, получаемые вакуумными технологиями. Применение и основные характеристики.

1. Назначение пленочных покрытий в технологии и функционировании изделий микроэлектроники? Применяемые материалы?

В электронике и микроэлектронике тонкие плёнки наносят для: металлизации, контактных структур, ЖК-индикаторов, диэлектрических и защитных покрытий.

По своему назначению пленочные покрытия можно разделить следующим образом:

• токопроводящие системы (системы металлизации), состоящие в общем случае из контактного, проводящего, барьерного и адгезионного слоев, а также слоев межэлементной металлизации, металлизации затворов, металлизации для присоединения кристалла;

• диэлектрические пленки, выполняющие функции изоляции элементов ИС, разделения уровней металлизации, несущего основания для межэлементных соединений, подзатворного диэлектрика, защиты и пассивации кристалла;

• технологически вспомогательные пленки, наносимые в качестве масок для локального травления, легирования, окисления и т. д.

Применяемые материалы: В производстве СБИС наиболее широко используются пленки Al и его сплавов с кремнием и медью, пленки Au, тугоплавких и благородных металлов (Ti, Mo, W, Ta, Pt, Pd и т. д.), а также их силициды и нитриды (соединения с Si и N соответственно), поликремний, нитрид кремния, оксиды Si, Al, Ti и Ta, пленки ФСС, БСС, БФСС и др.

2. Другие области применения пленочных покрытий? Применяемые материалы и их функциональные свойства?

Вакуумно-плазменные технологий (магнетронные, вакуумно-дуговые) находят широкое применение для нанесения пленочных покрытий сложного химического состава в электронике и микроэлектронике (металлизация, контактные структуры, ЖК-индикаторы, диэлектрические и защитные покрытия), оптике (интерференционные фильтры и зеркала, просветление, антибликовые и защитные покрытия), архитектуре и строительстве (декоративные и теплосберегающие покрытия), машиностроении (упрочняющие, защитные и трибологические покрытия) и т.д.

Вариации величины «х» в пленках TiN_x позваляют достичь необходимых свойств покрытия, в зависимости от его назначения: механическая прочность, химическая стойкость, цвет.

Применение пленки оксида индий-олова (InSn₂O₃) обусловлено ее уникальными свойствами – это высокая прозрачность пленки в видимой области спектра (400 – 680 нм) и одновременно низкое удельное сопротивление индий-олова. Сочетание таких свойств позволяет характеризовать пленки индий-олова как «прозрачный в видимой области проводник».

Наиболее распространенные материалы покрытий: оксиды, нитриды, карбиды, карбонитриды металлов и полупроводников (TiN, TiC, TiO₂, TiNC, TiAlN, ZrNC, TiZrN, InSn₂O₃, Al₂O₃, SiO₂, Si₃N₄, Ta₂O₅ и т.д.).

Лабораторная работа №2.

Вакуумные технологические установки. Основные элементы и структура. Вакуумные насосы и вакуумметры.

1. Какой критерий используется для определения степени вакуума?

Физические процессы в вакууме зависят от соотношения между числом взаимных столкновений частиц, находящихся в вакууме, и числом их столкновений со стенками вакуумного объема (вакуумной камеры). Частоту столкновений частиц между собой можно определить как

K_m = v / L ,

где v - средняя скорость движения частиц, равная (8кТ/πМ)^1/2, где М – масса частицы, Т – температура газа, L - длина свободного пробега частиц, величину которой в метрах можно приближенно оценить из выражения

L = 7^.10^-3 / P , где P – давление газа в Паскалях.

Частоту столкновений частиц со стенкой можно оценить из выражения

K_С = v / d _ЭФ ,

где d _ЭФ – эффективный (характерный) размер вакуумной камеры.

Отношение K_С / K_m = L / d _ЭФ = К_N называют числом Кнудсена.

Понятие степень вакуума определяет из условий:

- К_N << 1 - низкий вакуум,

- К_N ≈ 1 – средний вакуум,

- К_N > 1 - высокий вакуум,

- К_N >> 1 - сверхвысокий вакуум

2. Перечислить основные параметры вакуумных насосов?

Основные параметры любого насоса: быстрота действия, предельное давление, наименьшее рабочее давление, наибольшее рабочее давление, наибольшее давление запуска и наибольшее выпускное давление.

3. Какой принцип действия пластинчато-роторного, турбомолекулярного, паромасляного диффузионного, магниторазрядного и криогенного насосов?

Пластинчато-роторный насос (объемный)

Рис.2. Устройство механического насоса:1 - ротор, 2 - камера, 3 - пружина, 4 - пластина, 5 - масляная ванна, 6 - корпус, 7 - выхлопной клапан, 8 - впускной патрубок.

I - начало цикла откачки. Часть объема камеры, соединенная с впускным патрубком увеличивается, - происходит всасывание газа из откачиваемого объема. II - окончание процесса всасывания, начало процесса сжатия захваченной порции газа. III - сжатие порции газа и выталкивание в атмосферу. Совпадает с циклом I. Насос обеспечивает разряжение до ~ 10^-1 – 0,5 Па.

Турбомолекулярный насос (молекулярный). Принцип действия основан на переносе газа вращающимся диском-ротором от центра к краю диска. Частота вращения ротора сложной конструкции - 10…40 тыс.об./мин. Быстрота действия = 100л/c. P_пр = 10^-5…10^-6 Па. Давление запуска насоса 1 – 10 Па. Эта характеристика насоса приводит к особенностям его использования и соответственно к особенностям структуры вакуумной установки. А именно, вакуумная установка должна содержать кроме турбомолекулярного насоса насос объемной откачки. Последний проводит предварительную откачку вакуумной камеры до давления запуска турбомолекулярного насоса и затем он включается для откачки.

Паромасляный диффузионный насос (молекулярный). Принцип действия основан на переносе газа струей пара рабочего масла насоса. Газ диффундирует в поток пара и переносится в выходную часть насоса. P_пр = 10^-3…10^-4 Па. При использовании ловушек пара, который частично попадает в вакуумную камеру, P_пр = 10^-5…10^-6 Па. Давление запуска насоса 1 – 10 Па. Это приводит к особенностям его эксплуатации, аналогичным турбомолекулярному насосу.

Физико-химические насосы.

Магниторазрядный насос. Принцип действия основан на химической адсорбции молекул и атомов реактивных газов на металлических поверхностях. Активация частиц газа провидится с помощью тлеющего разряда в скрещенных магнитном и электрическом поле. Откачка инертных газов происходит путем их растворения в растущей на поверхности металла пленки химических соединений. P_пр = 10^-1…10^-8 Па.

Криогенный насос. Принцин действия основан на физической адсорбции молекул и атомов реактивных газов на поверхностях с развитой площадью поверхности при низких температурах. Охлаждение поверхностей проводится с применение жидного азота, гелия ,водорода. Предельное давление зависит от температуры поверхности и составляет 10^-1…10^-9 Па.

4. Какой принцип действия теплового и электронного датчиков давления?

Принцип действия теплового датчика – зависимость температуры нагретой металлической нити от давления окружающего газа при условии постоянной вкладываемой в нагрев нити электрической мощности. Температура нити регистрируется термопарой и индицируется. Диапазон измеряемых давлений 10⁴ – 0,1 Па.

Принцип действия электронного датчика – влияние давления газа на ионный ток, образованный при ионизации газа ускоренным потоком термоэлектронов. Конструктивно очень схож с ламповым триодом, содержащим подогревной термокатод, сетку и анод. Диапазон измеряемых давлений 1 – 10^-7 Па.

5. В чем заключается метод постоянного объема для измерения газовых потоков?

Метод можно использовать для измерения быстроты откачки насосов, потоков рабочих газов в вакуумную камеру, течи вакуумных камер, десорбции газов в вакуумной камере. Газовый поток Q = V^.dp/dt, где dp/dt - скорость изменения давления в вакуумной камере, V^.- объем вакуумной камеры. При определении быстроты откачки насоса S_н , натекания и десорбции в каждый момент времени определяется величина давления в камере и графическим дифференцированием определяется величина Q.

Лабораторная работа №3.

Термические источники нейтральных частиц. Основные закономерности термовакуумного нанесения металлических пленок.

1. Какие физически процессы на поверхности подложки участвуют в начальной стадии формирования пленки?

Процессы на поверхности подложки, участвующие в формировании:

взаимодействие с дефектами подложки;

поверхностная миграция;

зародышеобразование;

объемная диффузия.

2. Сущность технологии термического нанесения пленок?

Сущность термического нанесения заключается в том, что исходный материал (из которого требуется сформировать пленку) нагревают в высоком вакууме до температуры, близкой, но ниже температуры кипения, при которой достигается интенсивное испарение материала. Образованный паровой поток конденсируется на поверхности подложки.

3. Источники нагрева вещества при термическом нанесении пленок?

В зависимости от того, каким способом осуществляется нагрев, термическое нанесение делят на резистивное, индукционное, электронно-лучевое и лазерное. При резистивном нанесении используется джоулев нагрев путем пропускания тока через тигель, при индукционном – путем помещения тигля в ВЧ индуктор, при электронно-лучевом и лазерном – путем нагрева поверхности исходного материала сфокусированным электронным и лазерным лучом соответственно.

4. Требование к вакууму и составу остаточной атмосферы при термическом нанесении пленок?

Испаренные атомы, прежде чем достигнуть подложки пролетают пространство, заполненное остаточным газом вакуумной камеры. Если число столкновений молекул остаточного газа между собой меньше числа их столкновений со стенками вакуумной камеры (длина свободного пробега больше размера камеры), то атомы испаренного вещества летят по прямолинейным троекториям независимо друг от друга без взаимных столкновений и столкновений с молекулами остаточного газа. Такие условия реализуются при давлениях остаточного газа меньше 10^-3 Па и характерных размерах источник испарения – подложка порядка 10 – 20 см.

5. Что такое адгезия покрытий? Каковы причины относительно низкой адгезии при термическом нанесении пленок?

Адгезия покрытий – это физическая величина, показывающая величину сцепления покрытия с подложкой. Адгезия определяется как сила, необходимая для отрыва единицы площади покрытия и измеряется в Па. Низкая энергия конденсируемых частиц (кинетическая энергия не превышает 0,05– 0,2 эВ) и отсутствие активации процесса роста пленки не позволяют обеспечить требуемый состав, свойства и структуру покрытия при приемлемых температурах подложки.

6. Каковы причины неравномерности толщины пленки при использовании точечного источника испарения?

Источник точечный, индикатрисса напыления формы параболы. Т.е. поверхность подложки будет подвергаться напытлению неравномерно, ведь будут участки, где слой толще и тоньше. Это так потому, что чем больше подложка и чем дальше она от источника (алюминиевой пластинки), тем хуже будут закрыты плёнкой края подложки. Центр подложки, перепендикуляр к которому содержит точечный истоник, будет покрыт плёнокй толще, нежели края подложки.

Лабораторная работа №4.

Физическое распыление поверхности ионным потоком (ионно-лучевое травление). Ионный источник и его применение для очистки и травления поверхностей.