Список рекомендуемой литературы

Вольпяс В.А., Гольман Е.К., Зайцев А.Г., Розин С.Е. Моделирование процесса переноса частиц при ионно-плазменном распылении: Методические указания к курсовой работе по дисциплине “Математическое моделирование физико-химических процессов“ // Изд-во ЛЭТИ, С.-Пб., 1991, - 28 с.

Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. М.:Радио и связь, 1991.

Вольпяс В.А., Зайцев А.Г., Козырев А.Б., Кукушкин С.А., Осипов А.В. Процессы получения тонких пленок методами ионно-плазменной технологии: Текст лекций // Изд-во ЭТИ, СПб., 1992, - 36 с.

Форрестер А.Т. Интенсивные ионные пучки. М.:Мир, 1992.

Вольпяс В.А., Козырев А.Б. Физика слабоионизованной плазмы (монография) // Санкт-Петербург, ТОО “Складень“, 1997, -130с. (Volpyas V.A., Kozyrev A.B., Physics of weakly-ionized plasma (monograph) // St-Petersburg, “Skladen“ publishing, 1997, -130 p.).

Лабораторная работа 3

Термическое осаждение проводящих покрытий СВЧ устройств

Цель работы

1. Знакомство с установкой вакуумного многослойного напыления.

2. Приобретение практических навыков получения тонких пленок и пленочных элементов методом термического испарения в высоком вакууме.

3. Изучение влияния технологических факторов на качество получаемых пленок.

Основные положения

В технологии производства приборов широко используются методы вакуумного испарения, ионно-плазменного распыления и химического осаждения.

Метод вакуумного термического испарения является одним из наиболее распространенных методов осаждения. Он позволяет в едином технологическом цикле получать различные пленки толщиной от единиц нанометров до единиц микрометров на подложках любого состава и любой формы.

В общем случае процесс вакуумного испарения необходимо рассматривать как совокупность трех стадий: образование потока испаряемого вещества, перенос вещества от источника к подложке и конденсация вещества на поверхности подложки.

Образование потока испаряемого вещества осуществляется его нагревом в условиях высокого вакуума (10^–3 - 10^–5 Па) до температуры, при которой давление насыщенного пара вещества на несколько порядков превышает давление остаточных газов. На практике температурой испарения принято считать такую, при которой давление насыщенного пара испаряемого вещества составляет приблизительно 1 Па. Из молекулярно-кинетической теории газов известно, что скорость испарения, кг/(м²·с), определяется уравнением Ленгмюра

(3.1)

где М – молекулярный вес испаряемого вещества, г/моль; T_исп – температура испарителя, K; p_нас – давление насыщенного пара испаряемого вещества при T = T_исп

Для нагрева испаряемого вещества используют испарители, выполненные в виде спиралей, корзиночек, лодочек, тиглей из тугоплавких материалов, таких, как вольфрам, тантал, платина, графит и др. Так как чистота пленки определяется не только чистотой испаряемого вещества, но и чистотой материала испарителя, то к последнему предъявляются следующие требования: низкое давление паров при температуре испарения, отсутствие химического взаимодействия материала испарителя с испаряемым веществом и хорошая смачиваемость расплавом поверхности испарителя.

Механизм переноса атомов испаренного вещества от испарителя к подложке зависит от соотношения длины свободного пробега атомов L и протяженности пространства источник–подложка h. Согласно молекулярно-кинетической теории газов средняя длина свободного пробега частиц с эффективным диаметром d_эф при давлении р и температуре Т может быть определена по формуле

(3.2)

В реальных условиях, когда давление в системе не превышает 10^–3 Па, L не менее 5.5 м и, следовательно, намного превышает расстояние источник–подложка, равное обычно 0.1 - 0.2 м. Таким образом, испаряемые частицы переносятся от источника к подложке без столкновений и рассеяния по прямолинейным траекториям. Следовательно, к потоку частиц можно применить законы Ламберта–Кнудсена, согласно которым число частиц, достигших поверхности подложки в единицу времени, зависит от угла падения и обратно пропорционально квадрату расстояния испаритель – подложка h, а интенсивность потока обусловлена потоком источника. Все источники, в зависимости от распределения в пространстве потока испаряемого вещества, условно разделяют на точечные и поверхностные. Точечный источник представляет собой малую сферу (диаметр сферы мал по сравнению с расстоянием испаритель–подложка), с поверхности которой вещество испаряется во всех направлениях с равной вероятностью (рисунок 3.1, а). Поверхностный источник представляет собой малую площадку, с одной стороны которой испаряется вещество. В этом случае интенсивность потока под углом относительно нормали к поверхности испарения пропорциональна cos  , т.е. подчиняется косинусоидальному закону распределения (рисунок 3.1,б).

Рисунок 3.1 – Точечный (а) и поверхностный (б) источники в процессе термического испарения

На основании этого толщина d осажденной пленки для точечного и поверхностного источников при их полном испарении определяется соответственно выражениями:

(3.3)

где m – масса навески; ρ – плотность испаряемого материала.

Следовательно, пленка имеет неоднородную толщину вдоль подложки. При испарении из точечного испарителя толщина определяется соотношением

(3.4)

при испарении из поверхностного испарителя

(3.5)

где l – координата вдоль подложки. В ее центре l = 0 и толщина максимальна: .

Профиль распределения пленки по толщине оценивается величиной отношения d_min/d_0, где d_min – минимальная толщина пленки на краю подложки (рисунок 3.1). Следовательно, равномерность пленки определяют следующие выражения (для точечного и поверхностного источников соответственно):

(3.6)

где l_max – максимальное расстояние от центра подложки до ее края.

Конденсация вещества на поверхности подложки возможна двумя путями: непосредственно из паровой фазы в кристаллическую (механизм ПК), из паровой фазы в жидкую с последующей кристаллизацией (механизм ПЖК). Механизм конденсации определяется соотношением температуры подложки Т_под и температуры плавления материала пленки Т_пл. При механизме ПК частицы преодолевают потенциальный барьер у поверхности, адсорбируются и мигрируют по поверхности. Каждый атом занимает устойчивое положение либо в результате захвата его вакансией, либо при образовании зародыша, либо путем присоединения к границе уже имеющихся атомных ступеней. Скорость образования зародышей обычно намного превышает скорость поверхностной миграции. Тогда структура осаждаемой пленки мелкозернистая, аморфная или стеклообразная. Повышение Т_под может приводить к ПЖК-механизму кристаллизации с образованием крупнозернистой поликристаллической структуры. На условия конденсации в значительной мере влияют также чистота и шероховатость поверхности подложки, что в свою очередь определяет чистоту растущей пленки и ее адгезию к подложке. Поэтому важную роль играет процесс подготовки подложки с целью создания оптимальной шероховатости и очистки поверхности от загрязнений, источником которых являются предшествующие технологические операции. Оптимальная шероховатость достигается механической, электрохимической, электронно-лучевой полировкой и химическим, электрохимическим травлением. Выбор метода очистки зависит от природы подложки и вида загрязнения. Все существующие методы очистки можно разделить на две взаимодополняющие группы:

– физические методы, основанные на механическом удалении макроскопических частиц загрязнений;

– химические методы, основанные на явлениях химической десорбции примесей в газообразных, жидких и плазмообразующих реактивах. При этом обработка подложки может выполняться как вне, так и внутри вакуумной камеры (таблица 3.1).

Таблица 3.1

Виды загрязнений	Метод очистки
Механические: пыль, остатки абразивных материалов, ионно-обменных смол, фоторезиста	Механическое удаление, обдув струей инертного газа, растворение с одновременным ультразвуковым перемешиванием
Ионные: катионы Na+ , К+, Са2+, Mg3+, Zn2+, Fe2+, анионы Cl-, F-, Р-, СО32-, SО42- и другие	Промывка в деионизованной воде с комплексообразователями и поверхностно-активными вещест-вами, обработка в кислотах, бомбардировка ионами инертного газа в плазме
Органические: жиры, остатки синтетических пленок и волокон	Ультразвуковая промывка и кипячение в органическом растворителе или щелочном растворе, ионно-плазменная обработка
Сложные химические соединения (остатки полимерных материалов, оксидных и нитридных пленок)	Травление кислотами, промывка в метаноле и в деионизованной воде
Адсорбированные пары и газы	Ионная бомбардировка, вакуумный отжиг, газовое травление, обработка в кислотах и летучих растворителях, сушка