12. 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.