§ 4.3. Жіңішке пленкаларды алу әдістерді
Гибридті ИМС - да жіңішке пленкаларды резисторлар, конденсаторлар, контактілі бөлік және байланыс өткізгіштер дайындауға қолданады. Жіңішке пленкаларды алудың әртүрлі әдістері бар: жылулық шаңдату (термическое напыление), катодтық шаңдату, ионды - плазмалық шаңдату, химиялық тұндыру, электрохимиялық тұндыру. Ең көп тарағаны жіңішке пленкалардың жылулық шаңдату әдісі. Металлдық және резистивтік пленкалардың шаңдатуы төменгі қысым кезіндегі инертті газ ортасында арнайы орнатуларда өндіреді. Кідірістер (проволочки), ленталар, "қайықшалар" буландырғыш болып табылады.
Жылулық шаңдату (термическое напыление). 4.9 - суретте жіңішке пленкалардың жылулық шаңдатуына арналған орнатудың принципиалды схемасы көрсетілген. Монтажды үстелде орнатылған шаңдату қалпағы барлық жүйелерді герметизерлейді. Жүйеде ағуды (натекание) болдырмас үшін, барлық енгізу(ввод) мен түйіндер (вывод) вакуумды - тығыз орындайды. Тұндырылу тиіс материал төменгіұшпалылықпен (летучесть) баяу балқитын материалдан (көп жағдайда вольфрам немесе молибден) дайындалған буландырғышта орналастырылады. Кейде буландырғышты дайындау үшін бұралған сым қолданады. Тозаңдаушы материал жоғары тазалықта болу керек. Материалдың бу қысымы вакуумды жүйенің қысымын арттырмайынша буландырғыш қыздыра береді. Буландырылған материалдың атомы тіксызықты қозғалады және төменгі температуралы барлық беттерде (поверхностях) конденсияланады.Қысым атомдарының тіксызықты қозғалысын қамтамасыз ету үшін жүйеде газ бен буланған материал атомдарының арасында соқтығысу ықтималдылығы аз болған жағдайға дейінгі мәнге дейін төмендетілуі керек. Атомдардың бос аралығының орташа ұзындығы көз (источник) бен подложка арасындағы қашықтыққа қарағанда бірнеше есе көп болу керек. Шаңдатпалы орнатудың вакуумы (вакуум напылительной установки) жоғары болған сайын, пленка сапасы жақсы болады.
4.9 - сурет. Жіңішке пленкалардың жылулық шаңдатуына арналған орнатудың принципиалды схемасы: 1 - қалпақ; 2 - жылытқыш; 3 - ұстаушы; 4 - подложка; 5 - бұрылмалы жапқыш; 6 - буландырғыш; 7 - аралық қабат; 8 - таласты тақта (спорная плита)
Жылулық шаңдату тәсілінің негізгі артықшылығы - оның қарапайымдылығы мен жоғары вакуумде өте таза пленкаларды алу мүмкіндігі болып табылады.
Жылулық шаңдату әдісі арқылы жіңішке пленкаларды қаптау кезінде қолданатын өнеркәсіптік орнатудың жалпы түрі 4.10 - суретте көрсетілген. Бұл орнатудың ішкікамералы құрылғысы подложкалардың сегізпозициялы каруселінен тұрады. Жұмыс камерасының жоғарғы бөлігінде орналасқан тартпа (привод) 40 - 150 об/мин бұрыштық жиілікпен айналдыра алады. Карусель позициясының бірінде имитатор орнатады. Базалық плитада резистивті буландырғыштыңң беспозициялы каруселін құрастырады. Буландырудың максималды температурасы 15000С. Буландырғыш позициясындағы карусельдің астында орналасқан диафрагма, қапталмалы пленканың бірқалыпты қалыңдығымен қамтамасыз етеді. Буланбалы материалдың ағыны электромагнитті тартпалы жапқышпен бөледі. Маска мен подложканың каруселінің астында 3 кВ∙А қуатты резистивті типті сақиналы жылытқыш орнатады. Бір мезгілде 60 × 48 × 0,6 мм өлшемді сегіз подложка жүктеуге болады; жылытқыштың температурасы 4000С.
4.10 - сурет. Вакуумды шаңдатпалы орнатудың жалпы түрі
Катодтық шаңдату (катодное напыление). Жіңішке пленкалардың қасиетін ұдайы қалпына келтіруі бойынша жақсы нәтижелер катодтық шаңдатуды береді. Бұл тәсіл металл мен қышқыл металлын қаптауда өнеркәсіптерде кеңінен қолданылады. Катодтық шаңдатуға арналған орнату схемасы 4.11 - суретте көрсетілген.
Жылулық шаңдату әдісімен салыстырғанда катодтық шаңдату әдісінің артықшылығының бірі катодтық шаңдатудың жоғары температурамен байланысы болмағандығында. Сондықтан, баяу балқитын материалды шаңдату кезінде қиыншылықтар жоғалады. Дегенмен, бұл әдіс кезінде катод жоғары өткізгіштікті ие болу керек. Бұл шарт шаңдатулы материалдың ассортиментін шектейді. Соның ішінде, диэлектриктердің шаңдатылуы мүмкін емес болып табылады.
Көрсетілген шектеу реактивті катодты шаңдатуды қолдану кезінде белгілі бір өлшемде шеттетіледі. Араластыра отырып, мысалы, аргонға қышқыл, тотық пленкасын падложкада өсіруге болады. Аргонға азот немесе көміртектің біртотығын араластыра отырып, металлға сәйкес нитрид немесе карбид алуға болады. Активті газдың парциалдық қысымына тәуелді химиялық реакция катодта немесе подлжкада яғни анодта болуы мүмкін.
4.11 - сурет. Катодты шаңдатуға арналған орнатудың принципиалды схемасы:
1 - қалпақ; 2 - ұстаушы; 3 - подложка; 4 -катод; 5 - буландырғыш; 6 - аралық қабат ; 7 - жалғастық (штуцер); 8 - тірек тақта (опорная плита)
4.12 - сурет. Ионно - плазмалық шаңдатуға арналған орнатудың принципиалды схемасы: 1 - қалпақ; 2 - ұстаушы; 3 - подложка; 4 - электрод; 5 - электрод; 6 - нысана; 7 - аралық қабат; 8 - тірек тақта; 9 - жалғастық
Катодты шаңдату әдісінің кемшіліктеріне пленкалардың кейбір ластанушылығы (төмен вакуумды салыстырмалы қолдану себебінен), жылулық әдіспен салыстырғанда шаңдатудың кіші жылдамдығы, сонымен қатар процесстердің бақылау қиыншылығы жатады.
Ионны - плазмалық шаңдату. Ионно - плазмалық шаңдатуға арналған орнатудың принципиалды схемасы 4.12 - суретте көрсетілген. Катодтық шаңдату әдісімен салыстырғанда бұл әдістің ерекшелігі мынада, электрод 6 - нысана мен подложка 3 арасындағы аралықта тәуелсіз, "кезекші" газды разряд әрекет етеді. Разряд 5 және 4 электродтар арасында орыны бар, сонымен бірге разряд типі - тәуелді, доғалы. Оған арналған бағышты балқытылған катод 5 түріндегі арнайы электрондар көзінің жекешелігі, төмен жұмыс кернеуі (ондықты вольт) және электронно - ионды плазманың үлкен тығыздығы. Қалпақ асты кеңдік катодты шаңдату кезіндегідей бейтарап газдарға толтырылған, бірақ өте төмен қысым кезінде (10-3 - 10-4 Па).
Шаңдату прцессі келесілерден тұрады. Плазмаға қатысты (жерге тұйықталған анодқа 4 қатысты) нысанаға жалпы нормадан ауытқыған жалынсыз разраядтың пайда болуына жеткілікті теріс потенциал беріледі (2 - 3 кВ). Нысананың таңдалынып отырған атомдары подложкаға дәл келеді және сонда тұндырылады.
Шаңдату процесінің басы мен аяғы нысанадағы кернеудің берілуі және айырылуымен анықталады. Механикалық жапқыштың жекешелігі маңызды қосымша мүмкіндіктерді жүзеге асыруға мүмкіндік береді: егер шаңдатудың бастапқысына дейін жапқыш жабатын болсақ және нысанаға потенциал беретін болсақ, онда нысананың ионды тазартуы орын алады. Мұндай тазарту шаңдатпалы пленканың сапасын өсіруге пайдалы. Ұқсас тазартуды теріс потенциал бере отырып подложкада өткізуге болады.
Диэлектрлік пленкаларды шаңдату кезінде оң зарядтың нысанасындағы жинақтауға байланысты қиындықтар туады. Бұл қиындықты жоғарыжиілікті (ВЧ) ионно - плазмалық шаңдату қолдану жолымен жеңеді.
4.13 - суретте диэлектриктердің ВЧ - шаңдатуына арналған орнатудың негізгі бөлігінің схемасы көрсетілген. Бұл орнатуда диэлектрик жалынсыз разрядтың иондары және электрондарымен кезекпен бастырмаланады. Иондарды подложкада тұндырылатын молекуланың диэлектриктерінен қағады (выбивают). Электрондар оң зарядтар подложкасында құрылуды болдырмайды. Электрондар және иондар тұндыруға арналған материалдарға қызмет ететін диэлектрикпен қоршалған аргонда құрылады.
Басқалардың алдында ионно - плазмалық шаңдату әдісінің артықшылығы - оның ынерционнсыз (безынерционность) болуында. Материал шаңдату жылулық шаңдатудан артықшылығы, кернеу беру кезінде ғана болады және оның өшірілуі кезінде тоқтатылады. Шаңдатуды тоқтату үшін арнайы жапқытар қолданады.
4.13 - сурет. Диэлектриктердің ВЧ - шаңдатуына арналған орнатудың негізгі бөлігінің схемасы: 1 - электромагниттер; 2 - диэлектрик; 3- жоғарыжиілікті су суытқыш (водоохлаждаемый) кіріс; 4 - керамикалық тығыздау; 5 - жерге тұйықталған экран; 6 - жоғарыжиілікті электрод; 7 - жылыту және суыту жүйесі бар подложканы ұстап тұрғыш
Ионно - плазмалық шаңдату кезіндегі жұмыс қысымының қысымы 1,3 ∙10-1 - 6,5∙10-2 Па, жалынсыз разрядтағы шаңдату кезіндегімен салыстырғанда 50 - 100 есе аз. Бұл кездегі иондардың бос жүріс кезіндегі ұзындығы 5 - 25 см болады. Подложка мен шаңдату көзінің арасындағы қашықтықты бос жүріс ұзындығынан кіші етіп орнатуға болады. Соған орай, шаңдатпалы атомдар подложка мен нысана арасындағы кеңдістігіндегі иондармен және газ молекулаларымен соқтығыспайды. Ионно - плазмалық шаңдату әдісімен алынған пленкалардың құрамы мен қасиеті жалынсыз разрядтағы шаңдату жолымен алынған пленкалармен салыстырғанда бастапқы шаңдатпалы материалдың құрамы мен қасиетіне жақын. Нысана материалдары баяу шаңдатылады және ол бірнеше мыңдаған шаңдату циклдарына жетеді.
Ионно - плазмалық әдіспен алынған, шаңдалған атомдар подложкасына тиетін жоғарғы энергиямен түсіндірілетін пленка подложкасының тіркесу беріктілігі өте жоғары. Бұл энергия вакуумдегі жылулық шаңдату кезіндегі подложкаға тиетін атомдар энергиясынан шашамен 20 есе үлкен. Пленкалардың жоғары адгезиясы ионно - плазмалық шаңдату кезінде подложканың бетін жалынсыз разряд арқылы шамалап жақсы тазалауға мүмкіндігімен анықталады. Катодтық әдіс кезінде, яғни разряд қозуынан соң бірден шаңдату басталған кезде бұндай тазалықты орындау қиын болады.
Әртүрлі қасиеттері бар әртүрлі материалдардан пленка алу үшін ионно - плазмалық шаңдату әдісі ИМС өндірісінде перспективалық болып табылады.
Электрохимиялық тұндыру. Микроэлектроника технологиясында әртүрлі қасиеттері бар пленкалы жабынды алу үшін химиялық әдістер қолданады: электролитикалық және химиялық тұндыру, анодтық қышқылдандыру. Берілген әдіс негізіне металлдардың сулы ерітінділерінде ағатын реакциялар тиісті. Подложкасы бар реакция заттарының әрекеттесуі нәтижесінде пленка құрастырылады.
Электролитикалық тұндыру - бұл, электролиттерге тотырылған және екі электрод анод және катодтан тұратын арнайы электролитикалық ваннада жүзеге асатын электрлі ток қозғалысынан бөлек электродтардың сулы ерітінділерінен пленкаларды тұндыру. Катод болатын подложка ретінде откізгіш материалдарды қолданады, анодты пленка тұндырылатын материалдан немесе инертті материалдан орындайды.
Электролиттік тұндыру әдісімен әртүрлі металдандан жасалған пленкалар алады: мыс, никель, алтын, күміс және т.б.
Микроэлектрониканың жіңішкепленкалы технологиясында электролиттік тұндыруды көпқабатты металлдық маскаларды дайындауға, ішкісхемалы байланыстың өткізгіштігін көтеруге, ИМС - да қатты және арқалық түйіндер құруға, корпустарды алтындауға қолданады. Электролиттік тұндыру әдісін сонымен қатар жады элементі ретінде қолданылатын жіңішке магнитті пленка алу үшін кеңінен қолданады.
Химиялық тұндыру негізделген. су ерітінділерінен тұраты және электр өрісінің қосымшасынсыз жүзеге асатын металлдарды қайта орнына келтіруге негізделген. Химиялық әдіспен никель, күміс, алтын, палладий және өткізгіште қандай болса, сондай өткізбейтін подложкадағы басқа матеиалдардың пленкаларын тұндырады.
Анодты тотықтыру - бұл қышқылды пленка құрудағы электролиз кезіндегі анодта ерекшеленетін химиялық активті металлдардың оттек иондарымен әрекеттесуі. Анодты қышқылдану процесі немесе анодтау электролитті тұндырумен ортақ нәрселері көп. Электролитті тұндырудан ерекшелігі, берілген жағдайда пленкалар анодта құрылады. Анодтау процессінде подложканың беткі қабатындағы оттектің металлмен байланысқан электрохимиялық реакциясы болады, сонымен бірге анод металы ерімейді, ал оттекпен әрекеттесу кезінде подложкамен нық тіркескен қышқылды пленка құрады. Пленка өсімінің механизмі ішкі көзден электрод кернеуіне үстемесі бар пленкада пайда болатын электр өрісінің қозғалысымен бірге үдемелі қышқыл қабаты арқылы оттектер ионының ауысуымен қорытындыланады. Қышқылды пленка өсімінің жылдамдығы электролит табиғатына байланысты, процессті өткізу шарттары - электрлік режим және температура. Анодтау кезіндегі қышқылды пленканың қалыңдығы ванна арқылы өтетін электрдің санына пропорционал.
Микроэлектроника технологиясында анодтау арқылы тантал мен алюминиден қышқылды пленка алады. Сонымен қатар, алдымен подложкаға вакуумды әдіс арқылы алғашқы металлдың пленкасын қаптайды. Анодтау арқылы қышқылды пленка алу процесі токтың тұрақты тығыздық кезіндегі бастапқы формаға құю және тұрақты кернеу кезіндегі соңғы формаға құюдан тұрады. Процесстің мұндай кіріспесі қалыңдығы өспелі пленканың кедергісінің өсуі ток күшінің азаюына әкеледі.
Анодталған пленкаларды алу ерекшелігі болып кернеуі 107 В/см жететін қосымшалы электрлі өрістің шартындағы өсуі болып табылады. Мұндай пленкалар жоғары электрлі беріктілігімен сипатталады, сондықтан оларды бөлектегіш және диэлектрлік қабат ретінде қолданады.
Кезекті анодтауы бар тантал мен алюминий пленкаларын вакуумды қаптау жоғарыжиілікті пленкалы конденсаторлар мен көпқабатты ажырату кезіндегі жекелегіш қабат тудыруға мүмкіндік береді. Бұл жағдайда негізгі артықшылығы боп бастапқы жеке материалдан тұратын әртүрлі пленкалар құрылымын алу болып табылады.
Микроэлектроника технологиясында анодтауды сонымен қатар өткізбейтін тантал қышқылында танталдың жоғарғы өткізгіш қабатын айналдыру жолымен пленкалы танталды резистор кедергісінің керекті мәнін алуға қолданады.
Плазмалық анодтауды - тұрақты кернеу 1 кВ қосымша кезіндегі 6 Па шамасында оттектің қалдық қысымы бар арнайы вакуумды камерада оттекті плазмадан оттек иондарын алу соңғы кездері кең қолданылады.