Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
для экзамена / ОПТ_ЭКЗ_ответы от джипити (многое надо дополнять).docx
Скачиваний:
2
Добавлен:
25.01.2025
Размер:
2.57 Mб
Скачать
  1. Термическое вакуумное нанесение.

Термическое вакуумное нанесение — это метод формирования тонкоплёночных покрытий на поверхности подложек в условиях вакуума. Основан на испарении материала с последующей конденсацией паров на холодной подложке. Данный метод используется для получения металлических, диэлектрических и полупроводниковых слоёв с высокой чистотой и однородностью.

Принцип термического вакуумного нанесения

  1. Испарение материала:

    • Материал для покрытия нагревается в вакуумной камере до температуры испарения.

    • Испарение достигается за счёт термического воздействия (резистивного нагрева, электронной пушки, лазера и др.).

  2. Движение паров:

    • Частицы испарённого материала перемещаются по прямым траекториям благодаря низкому давлению (10^{-3} – 10^{-6} Торр), минимизирующему столкновения с молекулами остаточного газа.

  3. Осаждение на подложке:

    • Частицы конденсируются на охлаждённой поверхности подложки, формируя тонкий плёночный слой.

Основные этапы процесса

  1. Подготовка вакуумной камеры:

    • Очистка камеры и создание требуемого уровня вакуума.

  2. Подготовка материала и подложки:

    • Материал-мишень очищается от загрязнений.

    • Подложка очищается и устанавливается на держатель с возможностью нагрева или вращения для равномерного покрытия.

  3. Испарение материала:

    • Материал нагревается до испарения.

  4. Конденсация:

    • Частицы материала осаждаются на подложке, образуя равномерное покрытие.

  5. Завершение процесса:

    • Остановка испарения, постепенная вентиляция камеры и извлечение подложки с покрытием.

Методы нагрева при термическом нанесении

  1. Резистивное нагревание:

    • Материал нагревается в тигле или проволочной катушке из тугоплавкого металла.

    • Простота и низкая стоимость.

    • Подходит для материалов с невысокой температурой плавления (например, алюминий, золото).

  2. Электронно-лучевое испарение:

    • Электронный пучок высокой энергии нагревает материал, превращая его в пар.

    • Используется для тугоплавких материалов (например, вольфрам, тантал).

    • Преимущество: высокая скорость испарения, высокая чистота покрытия.

  3. Лазерное испарение:

    • Интенсивный лазерный луч нагревает материал.

    • Преимущество: возможность локального нагрева и испарения.

  4. Индукционное нагревание:

    • Используется высокочастотное электромагнитное поле.

    • Преимущество: равномерный нагрев материала.

Преимущества термического вакуумного нанесения

  • возможность реализации высоких скоростей нанесения материалов в высоком вакууме, простота

  • отработанность технологических операций

  • наличие современного высокопроизводительного оборудования

  • Высокая чистота покрытия:

    • Минимальное количество загрязнений благодаря вакуумной среде.

  • Однородность плёнки:

    • Контроль толщины и структуры покрытия.

  • Универсальность:

    • Подходит для нанесения металлов, диэлектриков, полупроводников.

  • Экономичность:

    • Простое оборудование для резистивного испарения.

Недостатки метода

  • трудность обеспечения высокой производимости свойств плёнок при осаждении веществ сложного состава

  • трудность испарения тугоплавких материалов

  • высокая инерционность испарителей и сравнительной небольшой срок их использования

  • Ограничение материалов:

    • Трудности при испарении материалов с низким давлением пара или склонностью к разложению.

  • Температурное воздействие:

    • Возможность термического повреждения подложки.

  • Ограничение по площади покрытия:

    • Неравномерность осаждения на крупных подложках.

Применение термического вакуумного нанесения

  1. Электроника:

    • Формирование тонких плёнок для транзисторов, диодов, конденсаторов.

    • Нанесение проводящих слоёв (например, алюминия, меди, золота).

  2. Оптика:

    • Нанесение антибликовых и отражающих покрытий.

    • Производство зеркал и линз с высокими оптическими характеристиками.

  3. Микроэлектромеханические системы (MEMS):

    • Формирование структур на подложках для сенсоров, микроустройств.

  4. Ювелирная промышленность:

    • Нанесение декоративных и защитных покрытий (золото, платина).

  5. Космическая техника:

    • Создание зеркал и защитных покрытий для спутников и телескопов.

  6. Инструментальная промышленность:

    • Покрытие режущих и штамповочных инструментов для повышения их стойкости.

Контроль качества покрытий

  1. Толщина покрытия:

    • Контролируется кварцевыми микробалансами или оптическими интерферометрами.

  2. Чистота:

    • Анализ проводится с использованием спектроскопии, масс-спектрометрии.

  3. Адгезия:

    • Проверяется с помощью механических и термических тестов.

Термическое вакуумное нанесение остаётся одним из наиболее универсальных и экономически эффективных методов для создания высококачественных тонкоплёночных покрытий.

Требования к системам металлизации ИС

    • высокая проводимость (ρ < 10-6 Ом·см);

    • хорошая адгезия как к Si, так и к SiO2;

    • качественный омический контакт к n- и p-Si;

    • не образует интерметаллических соединений;

    • не образует примесные уровни в кремнии;

    • технологичность методов осаждения и формирования рисунков;

    • устойчивость к электродиффузии в металле;

    • металлургическая совместимость со сплавами, применяемыми для присоединения внешних проводов;

    • термическая стабильность;

    • гладкая межфазная граница.

Плёнки алюминия

+

    • высокая электропроводность, близкая к объёмной;

    • лёгкость испарения в вакууме;

    • чистота испаряемой плёнки;

    • хорошая адгезия к кремнию и окислам;

    • образует низкоомный контакт с n- и p-Si;

    • пластичен и стоек к циклическим изменениям температуры;

    • легко обрабатывается методами фотолитографии и избирательного жидкостного травления.

    • легко повреждается механически;

    • электродиффузия при малых плотностях тока;

    • образует гальванические пары с другими

    • металлами → коррозия;

    • образует силицид;

    • «золотая чума».

Основные методы осаждения тонких плёнок

    • вакуумное испарение (напыление) с косвенным подогревом;

    • ионно-плазменное распыление;

    • осаждение из газовой фазы с помощью газотранспортных реакций;

    • восстановление в атмосфере водорода;

    • термохимическое разложение;

    • электрохимическое осаждение

Этапы образования плёнки

    • Перевод напыляемого материала в парообразное состояние

    • Перенос пара от источника испарения к подложке;

    • Конденсация пара на подложке и образование плёнки

В производстве гибридных микросхем металлические плёнки напыляют на диэлектрические подложки. Для таких сочетаний химически неродственных материалов (конденсата и подложек) велико реиспарение, зародышеобразование и рост тонких плёнок затруднены.

Испарение металлов осуществляют в испарителях. В зависимости от способа нагрева испарители можно подразделить на резистивные и электронно-лучевые. По конструктивным признакам различают проволочные, ленточные и тигельные резистивные испарители.

К материалам, используемым для изготовления нагревателей резистивных испарителей, предъявляют следующие требования:

  • давление пара материала нагревателя при температуре испарения осаждаемого вещества должно быть пренебрежимо малым

  • материал нагревателя должен хорошо смачиваться расплавленным испаряемым материалом, что необходимо для обеспечения хорошего теплового контакта между ними

  • между материалами нагревателя и испаряемым веществом не должно возникать никаких химических реакций

Электронно-лучевой испаритель, используемый в установках для осаждения тонких плёнок, должен, удовлетворять ряду специфических требований:

  • малогабаритность

  • низкие рабочие напряжения

  • широкий диапазон удельных мощностей электронного луча

  • стабильность и воспроизводимость удельной мощности после замены катода и разборки испарителя

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют электронно-лучевые испарители со щелевой формой электродов электронного прожектора и секторным магнитным отклонением ленточного пучка на угл от 90 до 180 с использованием трехэлектродной электронно-оптической системы.

Нагрев подложки осуществляют с целью уменьшения количества загрязнений на ее поверхности и улучшения сцепления плёнки с подложкой. В установках термического испарения части используют систему лучистого нагрева подложек, содержащую излучатель и рефлектор. Температура подложки выбирается оптимальной, чтобы обеспечить конденсацию пара и адгезию к ней плёнок. нагрев подложек необходим для десорбции вредных веществ, являющихся основной причиной плохой адгезии.

Структура напиленной плёнки зависит от материала, состояния поверхности и температуры подложек, скорости напыления. Они могут быть аморфными, поликристаллическими, монокристаллическими. Размер зерна металлических плёнок зависит от температуры плавления металла. Металлы с высокой температурой плавления образуют плёнки с малыми размерами зёрен. Металлы с низкой температурой плавления – крупнозернистые. Крупнозернистые плёнки имеют большую стабильность электрофизических свойств, чем мелкозернистые. Таким образом, пр вакуумном напылении необходимо повышать скорость напыления, а размеры зёрен плёнки увеличивать за счёт повышения температуры подложки при напылении и отжиге.

Отжиг плёнок производится в вакуумных установках непосредственно после напыления при температурах подложек несколько превышающих температуры напыления. Это делается для упорядочения структуры и уменьшения внутренних механических напряжений плёнок с целью повышения их стабильности и улучшения адгезии к подложкам. В процессе отжига межзеренные промежутки в плёнках уменьшаются, и следовательно снижается число структурных дефектов. При этом сопротивление резистивных и проводящих плёнок уменьшается.

Для улучшения воспроизведения плёнками рельефа подложки особенно на заключительных стадиях изготовления микросхемы, хорошего облегания плёнками ступенек ее структуры, часто в установках термовакуумного напыления используют совершающие планетарное движение подложко-держатели сферической формы, способствующие организации подлёта испарённых атомов к подложке под разными углами.