30 Методы контроля параметров осаждения пленок. Методы контроля толщины и скорости роста пленок

Получение высококачественных пленок с заранее заданными и воспроизводимыми параметрами предопределяет необходимость строгого контроля при их нанесении. Особенности контроля параметров тонкопленочных элементов определяются малыми толщинами наносимых пленок (от нескольких десятков до сотен нанометров). Параметры пленок контролируют непосредственно в процессе их нанесения в вакуумной рабочей камере, и после нанесения, т. е. вне камер. Наиболее важен контроль в камере, так как в зависимости от его результатов регулируются режимы процесса роста пленки, что позволяет устранить операции подгонки ее параметров после нанесения.

Рассмотрим основные способы измерения и контроля таких параметров пленок, как толщина, электрическое сопротивление, адгезия и важнейшего технологического режима — скорости нанесения. В зависимости от назначения пленок обычно определяют метод их контроля и контролируют один или два параметра.

Измерение толщины пленок. Толщину пленок измеряют такими наиболее распространенными методами, как микровзвешивание и многолучевая интерферометрия.

Метод микровзвешивания, в основном используемый в производстве гибридных ИМС, состоит в определении приращения массы Δm подложки после нанесения на нее пленки. При этом среднюю толщину пленки определяют по формуле:

где — площадь пленки на подложке; — удельная масса нанесенного вещества.

Этот метод несложен, но требует, чтобы форма подложки была простой, а ее поверхность — в хорошем состоянии. Кроме того, на точность измерений влияет удельная масса нанесенного материала, которая может изменяться в зависимости от условий технологических режимов (остаточного давления, загрязнений молекулами газа и др.).

При измерении толщины пленки взвешиванием считают, что плотность нанесенного вещества равна плотности массивного. Под эффективной толщиной пленки понимают толщину, которую она имела бы, если бы образующее ее вещество было равномерно распределено по поверхности с плотностью, равной плотности массивного вещества.

Чувствительность метода взвешивания составляет 1—10 мкм/м и зависит от чувствительности весов и площади пленки на подложке

Метод многолучевой интерферометрии, применяемый для измерения толщины непрозрачных пленок, основан на наблюдении в микроскоп интерференционных полос, возникающих при рассмотрении в монохроматическом свете двух поверхностей, расположенных под углом друг к другу. Точность этого метода измерения толщины пленки составляет 15—30 нм.Если пленка прозрачная, в месте "ступеньки" на нее и подложку осаждают дополнительно непрозрачную, хорошо отражающую свет металлическую пленку (например, алюминия), толщина которой, чтобы уменьшить вносимую погрешность, должна быть много меньше толщины измеряемой пленки.

Измерение электрического сопротивления пленок. Электрическое сопротивление пленок измеряют резистивным датчиком с внешним измерительным прибором. В основном этот метод применяют при контроле изготовления резисторов гибридных ИМС, и он основан на том, что по мере утолщения пленки в процессе роста сопротивление ее уменьшается. Это позволяет непосредственно при нанесении контролировать сопротивление пленки, а при достижении номинальной ее толщины прекратить процесс.

Измерение адгезии пленок. Сцепление (прилипание) поверхностей разнородных тел называют адгезией. Адгезия пленки к подложке зависит от материала пленки и скорости ее осаждения, а также от чистоты поверхности и температуры подложки.

В настоящее время не существует доступных промышленных методов высокоточного измерения адгезии тонких пленок к подложкам. Поэтому выполняют сравнительный контроль, при котором измеряют усилие отрыва пленки от подложки напаянным на ее поверхность металлическим цилиндром. Разновидность этого метода — контроль адгезии металлических пленок по отрыву от подложки с помощью тонкой золотой или алюминиевой проволоки, присоединяемой к пленке термокомпрессией. При этом площадь контакта составляет 50 — 200 мкм², что позволяет более точно определять адгезию локальных участков пленки.

Измерение скорости нанесения пленок. Наиболее распространен контроль скорости нанесения пленок методом кварцевого датчика, который иногда называют резонансно-частотным. В качестве датчика при этом методе используют включенный в контур генератора частоты кварцевый элемент.

Принцип действия кварцевого датчика основан на зависимости частоты генерируемых сигналов от изменения массы кварцевого элемента при нанесении на его поверхность пленки. С увеличением массы кварцевого элемента его резонансная частота падает. Для линейного участка зависимости частоты от массы нанесенной пленки справедливо следующее соотношение:

где т₀ и f_о — масса и резонансная частота кварцевого элемента до нанесения пленки; Δ_m и Δ_f — изменение массы кварцевого элемента и резонансной частоты после нанесения пленки.

Таким образом, по изменению скорости (сдвига) резонансной частоты, фиксируемому измерительным прибором, определяют скорость роста пленки.