Lab_rab_3

Лабораторная работа №3

получение ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО испарения металлов

1. Цель работы

Изучение технологии нанесения тонких проводящих пленок методом электронно-лучевого испарения и определение основных технологических параметров полученных пленок.

2. Теоретическая часть

1. Технология напыления тонких пленок

   В настоящее время на производственных предприятиях микроэлектронной промышленности выявляется потребность в нанесении тонких металлических и диэлектрических пленок на различные поверхности. Тонкие пленки широко применяются в качестве упрочняющих, светоотражающих, проводящих и диэлектрических покрытий. Чаще всего данные виды работ ведутся в НИИ для получения и исследования новых перспективных материалов как для микроэлектронной промышленности, так и для устройств наноэлектроники.

Самое простое применение тонких пленок — декоративное — создание зеркал и покрытий для ювелирных изделий. Однако, в основном, покрытия малых толщин используются в НИИ для изучения электрических свойств новых материалов при формировании контактов; при нанесении резистивных и проводящих покрытий в промышленности и при изготовлении элементов интегральных микросхем в микроэлектронике; в создании светофильтров, отражающих и светопроводящих покрытий оптоэлектроники; современных литографических процессах.

2. Современные методы получения тонкопленочных структур

В последние годы, благодаря интенсивным экспериментальным и теоретическим исследованиям, в технологии тонких пленок достигнут значительный прогресс. В зависимости от решаемой задачи, в распоряжении исследователей имеются различные методики получения образцов, гарантирующие воспроизводимые и стабильные характеристики конечного продукта.

Таблица 1. Методы нанесения тонкопленочных покрытий
Наименование метода	Условия реализации метода	Основные виды покрытий	Преимущества метода	Недостатки метода
Термовакуумное (резистивное) испарение	Рабочая среда: вакуум 10-2...10-3 Па. Испарение металлов резистивным нагреванием	Металлические покрытия: Al, Ag, Cu, Zn, Cd, Cr, Ni, Co, Si	Высокая скорость осаждения. Возможность получения толстых покрытий	Недостаточно плотная структура покрытий. Невысокие механические свойства. Невозможность получения тугоплавких поверхностей
Электронно-лучевое испарение	Рабочая среда: вакуум 10-4...10-3 Па реактив. газы N2, O2, CH4. Испарение металлов сфокусированным электронным пучком с дополнительной ионизацией	Металлические покрытия: Al, Ag, Cu,Ti, Cr, Ni, Co, Si Керамические покрытия: TiN, ZrN, TiC, ZrC, TiCN, ZrCN, Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2, ZrO2/Y2O3	Высокая скорость осаждения. Возможность получения толстых покрытий (до 200 мкм). Высокая чистота покрытий (минимум примесей)	Трудно обеспечить равномерность толщины и стехиометрии на изделиях сложной конфигурации. Низкая степень загрузки изделиями объема рабочей камеры
Лазерное испарение (абляция)	Рабочая среда: вакуум 10-5...10-3 Па. Испарение материалов различного состава лазерным импульсом длительностью от мкс до фс.	Покрытия для микроэлектроники: Sb2S3, As2S3, SrTiO3, BaTiO3, GaAs Алмазоподобные покрытия (DLC) с высокими характеристиками	Получение покрытий сложных соединений Высокая чистота покрытий (минимум примесей)	Сложность реализации
Вакуумно-дуговое испарение	Рабочая среда: вакуум 10-3...10-2 Па. Реактив. газы N2, O2, CH4; Р = 0,01...1 Па, Т = 300...600°С. Испарение металлов в катодном пятне дугового разряда. Осаждение покрытий с высокой степенью ионного воздействия	Металлические покрытия: Ti, Zr, Hf, Cr, Ta, Ni, Co,Si, MCrAlY (M=Ni, Co) Керамические покрытия: TiN, ZrN, CrN, TiC, TiCN, ZrCN, TiAlN, AlCrN, TiO2, ZrO2 Нанокомпозиты: TiAlN/Si3N4, AlCrN/Si3N4. Покрытия DLC	Высокая скорость осаждения. Относительная простота технической реализации. Эффективная ионная очистка изделий перед нанесением покрытий. Высокие свойства керамических покрытий	Наличие в структуре покрытий микрокапельной металлической фазы. Относительно высокие температуры осаждения покрытий
Магнетронное распыление	Рабочая среда: чистые газы Ar, N2, O2, CH4; Р = 0,05– 1 Па, Т = 60...6000°С Ионное распыление металлов в магнетронном разряде	Полный спектр металлических покрытий: Al, Ag, Au,Cu, Zn, Sn, Cd Ti, Zr, Hf, Cr, Ta, Ni, Co, Si, MCrAlY (M=Ni, Co) и др. Керамические покрытия: TiN, ZrN, CrN, TiC, TiCN, ZrОN, TiAlN, AlCrN, TiBN CrAlTiYN, TiO2, ZrO2, Al2O3, SiO2. Нанокомпозиты: 3D: TiAlN/Si3N4, TiN/BN, AlCrN/Si3N4, ZrN/Cu, ZrO2/Al2O3. 2D: TiN/NbN, TiN/CrN, TiN/AlN, CrN/AlN, TiN/CN. Покрытия DLC	Плотная микро- (нано-) кристаллическая структура металлических и керамических покрытий при полном отсутствии капельной фазы Возможность нанесения покрытий на термочувствительные материалы при низких температурах Наиболее широкий спектр покрытий различного назначения; высокая скорость осаждения; высокие свойства металлических и керамических покрытий. Большая производительность.	Относительная сложность технической реализации метода при получении реактивных (керамических) покрытий. Относительно высокая стоимость оборудования. Разброс по удельному сопротивлению на разных подложках.

Методы получения пленок подразделяются на физические (PVD — Physical Vapor Deposition), химические и промежуточные газофазные химические методы (CVD — Chemical Vapor Deposition). Все методы нанесения пленок характеризуются такими параметрами как скорость получения покрытий и диапазон достигаемых толщин. Для РVD и CVD эти параметры, соответственно, обычно находятся в пределах 1…1000 мкм/ч и 0,01…10 (100) мкм. Для химических методов они составляют 100…1000 мкм/ч и 0,1…1000 мкм; для взрывных (детонационных) и плазменных методов — до 10…100 мм/ч и 0,1…10 мм, соответственно.

Процесс получения пленочных покрытий сопровождается рядом специфических явлений. Рост пленки происходит в два этапа: образование зародыша на поверхности подложки и рост зародыша. При взаимодействии двух атомов друг с другом между ними может возникнуть химическая связь. В результате атомы дольше остаются на поверхности и успевают присоединить следующий атом и т.д. Так образуются скопления адсорбированных атомов, более длительное время связанных с подложкой и имеющих тенденцию к дальнейшему росту, который происходит за счет присоединения мигрирующих по поверхности атомов, падающих атомов и более мелких кластеров. Таким образом, на поверхности формируется сеть объединенных кластеров, затем происходит их объединение, и образуется сплошная пленка. При этом в зависимости от скорости осаждения, природы подложки и типа осаждаемого материала возможны три типа роста пленки:

– островковый рост;

– послойный рост;

– послойно-островковый, или смешанный рост.

Тип роста определяется взаимодействием атомов пленки с атомами подложки и между собой. Островковый рост происходит, если осаждаемые атомы напыляемой пленки сильнее взаимодействуют между собой, чем с атомами подложки. Послойный рост происходит при образовании больших по площади двумерных зародышей на поверхности подложки вследствие того, что атомы напыляемого материала сильнее связываются с атомами подложки. Послойно-островковый рост имеет место, когда островки начинают расти после того, как сформируется пленка толщиной в несколько атомных монослоев.

Рассмотрим особенности методов магнетронного распыления и термовакуумного испарения на примере установки УВН-75Р-1. Распыляемая мишень помещена в отдельную камеру с автономными ионными источниками. Кроме того, введен принцип группового осаждения пленки на подложки. Вращающиеся барабаны с подложками размещены в основном колпаке и поочередно вводятся в зону осаждения в табл. 2 приведены основные технологические данные этой установки.

Таблица 2. Технологические характеристики установки УВН-75Р-1

Распыляемый материал	3
Количество загруженных подложек, шт.	100
Размер подложек, мм	48*60
Предельный Предварительный вакуум, мм рт. ст.	7*10-7
Рабочий вакуум, мм рт. ст.	10-2 – 5*10-4
Максимальный ток дугового разряда, а	15
Напряжение на мишени, кв: а) постоянное б) с частотой 1,76 МГц	5 5
Ток на мишени, ма	200
Напряжение на электронную пушку, кв	6-10
Производительность, см2/г	5*106

Как видно из таблицы 2, в установке УВН-75Р-1 к ионному распылению добавлена электроннолучевая пушка для термического испарения материала, что значительно расширяет ее технологические возможности рис.1.

Рис. 1. Внешний вид установки УВН-75Р-1

3. Преимущества и недостатки этих методов

   1. Магнетронное распыление

Работа магнетронного распылительного устройства основана на свойствах катодной области аномального тлеющего газового разряда, в которой катод (мишень) распыляется под действием ионной бомбардировки. Приложенное в области катода перпендикулярно электрическому магнитное поле позволяет снизить рабочее давление плазмообразующего газа без уменьшения интенсивности ионной бомбардировки и улучшить условия транспортировки распыляемого вещества к подложке. Это происходит благодаря уменьшению рассеяния, вызванного соударениями с молекулами газа. Между катодом и подложкой возникает зона низкотемпературной плазмы. Распыляемые частицы осаждаются в виде тонкого слоя, а также частично рассеиваются и осаждаются на стенках рабочей камеры.

При использовании разряда постоянного тока (DC-магнетрон) можно распылять различные металлы и их сплавы (ванадий, хром, никель, титан, медь, серебро, нержавеющая сталь, латунь, бронза и др.), а также получать их химические соединения, добавляя в плазмообразующий газ (аргон) соответствующие реактивные газы (кислород, азот и др.).

Так, если в содержащую титановую мишень систему во время распыления вводить азот, то можно получить пленку нитрида титана, а введение, например, кислорода, позволяет получать на поверхности подложки пленку двуокиси титана.

Варьируя содержание реактивного газа и скорость напыления, удается получать пленки разной толщины, химического и фазового состава.

Используемые газы:

– Ar для напыления Cu, Cr, Ni, V и т.д.;

– O₂ для очистки подложек в ВЧ-плазме и напыления оксидов VxOx-y (CuxOx-y и т.д.) в совокупности с Ar;

– N₂ для напыления нитридов различных материалов.

DC-магнетрон является современным вариантом устройства катодного распыления материалов в вакууме с использованием источника постоянного тока для нанесения проводящих покрытий на изделия. Принцип его действия основан на явлении физического распыления катода (материала мишени) ускоренными ионами рабочего газа, которые бомбардируют поверхность мишени под действием приложенного отрицательного потенциала.

Характерной особенностью магнетронов является использование специальной магнитной системы, которая создает над распыляемой мишенью замкнутое по контуру туннелеобразное магнитное поле. Благодаря этому полю создаются условия для получения локализованной плазмы высокой плотности и, соответственно, высокой плотности ионных токов, распыляемых мишенью. В результате достигается высокая производительность распыления материалов. Конструктивные принципы построения магнетронных устройств позволяют достаточно просто реализовать задачу нанесения однородных покрытий на широкоформатные поверхности.

Адгезия металлических слоев с подложкой у пленок, полученных магнетронным способом, существенно выше, чем у таких же пленок, полученных термовакуумным напылением, при сравнимых скоростях напыления. Это связано с более высокой энергией конденсирующихся частиц при магнетронном распылении и дополнительной активацией поверхности подложки действием плазмы.

В отличие от других способов нанесения тонкопленочных покрытий, способ магнетронного распыления позволяет достаточно точно регулировать толщину металлического слоя, а значит, его сопротивление, что очень важно при создании структур с определенной проводимостью.

Метод магнетронного распыления позволяет получать тонкие пленки высокого качества с рекордными физическими характеристиками (толщина, пористость, адгезия и пр.), а также проводить послойный синтез новых структур (структурный дизайн), создавая пленку буквально на уровне атомных плоскостей.

2. Электронно-лучевое испарение

В электронно-лучевом испарении, катод эмитирует сфокусированный магнитным полем высоко энергетический пучок электронов, который попадая на материал в тигле уносит с тигля напыляемый материал, осаждаемый на подложку. Мощные испарители и наборы испарителей с упорядоченным дизайном позволяют получать высокие скорости роста пленки и высокие толщины пленок. Также такой дизайн позволяет увеличить количество процессов и время напыления до развакуумирования камеры для восполнения испаряемого материала в источнике.

Нанесение тугоплавких материалов может достигать высоких скоростей, что может эффективно использоваться для увеличения жаропрочности металлических и керамических пленок. Испаряемый осаждаемый материал может поддерживать поверхностный слой нерасплавленного материала, защищающий тигель от коррозии или от загрязнения

4. Тонкопленочные резисторы

В гибридных ИМС широко используют тонкопленочные резисторы, которые наносят на подложки в виде узких полосок (или иных конфигураций), заканчивающихся контактными площадками с высокой проводимостью рис. 3.

Рис. 3. Конструкции тонкопленочных резисторов: 1-резистивная пленка; 2- пленочные контактные площадки

Качество резистивных пленок оценивают удельным поверхностным сопротивлением р_s. Значение р_s зависит от удельного сопротивления материала и толщины пленки и является постоянным для пленочного резистора квадратной формы любых размеров. Действительно, если принять, что сторона квадрата пленки из материала с удельным сопротивлением р равна а, а толщина d, то сопротивление:

где R имеет размерность Ом/квадрат.

Ширину резистивной линии принимают обычно не менее 0,2 мм, так как более узкая линия может приводить к обрывам из-за дефектов маски или подложки, а также из-за наличия случайных пылинок. Кроме того, чем уже линия, тем сильнее влияет зона подпыления или тень в щели маски на получение требуемого номинала сопротивления.

Практически установлено, что лучше всего изготавливать резисторы прямоугольной формы. При одной и той же толщине резистивной пленки можно получать различные сопротивления, отличающиеся по номиналу в десятки раз. Для этого достаточно изменять отношение длины пленки к ее ширине. Максимальная мощность, рассеиваемая на резисторе, ограничена ее допустимой температурой и зависит от теплопроводности подложки, ее материала, отношения площади, занятой резистором, к всей площади подложки, а также от выбранного способа охлаждения и температуры окружающей среды.

Материал, используемый для изготовления резистивных пленок, должен обеспечивать возможность получения широкого диапазона стабильных во времени сопротивлений, обладать низким температурным коэффициентом сопротивления и высокой коррозийной стойкостью. При напылении он должен образовывать тонкие, четкие линии с хорошей повторяемостью их от образца к образцу. Характеристики некоторых материалов, применяемых при изготовлении тонкопленочных резисторов, приведены в табл. 3.

Таблица 3. Характеристики материалов пленочных резисторов

Материал резистора	Материал контактных площадок	Удельное поверхностное сопротивление рs, Ом/квадрат	Температурный коэффициент сопротивления ТКR*104, 1/оC	Удельная мощность рассеивания Ро, Вт/см2	Относительное изменение сопротивления за 1000ч работы, %	Способ нанесения пленок
Хром	Золото	10-50	-2,5	1	1,5-3	Термическое напыление
Нихром	Медь	300	+1 -1	2	1,1-1,3	То же
Сплав МЛТ-3М	Медь с подслоем нихрома (ванадия)	500	+2 -2	2	+0,5 -0,5	»
Рений	-	300-7000	0-20	-	-	»
Тантал	Алюминий с подслоем нихрома (ванадия)	20-100	-2	3	1	Катодное напыление
Тантал	Тантал	10	-2	3	1	То же
Нитрид тантала	»	200	0	3	0,2	»
Сплав РС3001	Золото с подслоем хрома	1000-2000	-0,2	2	+0,5 -0,5	Термическое напыление
Кермет	» » »	3000-10000	-5 -:- +3	2	+1 -1	То же
Паста ПР	Пастп ПП	5-100000	-12 -:- +10	3	+3 -3	Сеткография

Следует отметить, что указанные в таблице значения являются ориентировочными, так как они существенно зависят от метода нанесения пленки и режима ее обработки. Удельное сопротивление пленки определяется как ее составом, так и структурой, которая изменяется в процессе термообработки.

Рис. 4. Зависимость удельного сопротивления пленки от ее толщины: I-область туннельного эффекта; II-область нарушенной поверхности; III-область объемных свойств.

На рис. 4 показана типичная зависимость удельного сопротивления пленки от ее толщины. При малых толщинах свойства пленки существенно зависят от характера микронеровностей на поверхности подложки. В этой области могут наблюдаться нарушения непрерывности структуры пленки. Проводимость здесь обусловлена туннельным эффектом и термоэлектронной эмиссией между отдельными кристаллитами. Наиболее целесообразно использовать пленки такой толщины, при которой становятся заметными их объемные свойства. В этом случае легче регулировать толщину пленки, а нарушения поверхности не имеют большого значения.

Металлическая пленка толщиной порядка 1нм независимо от природы металла имеет большое удельное электрическое сопротивление, которое экспоненциально уменьшается с увеличение толщины. Пленки такой малой толщины весьма не стабильны и почти не применяются. Для того чтобы заведомо получить сплошную пленку при имеющихся в производстве отклонениях от выбранного технологического режима, считают, что толщина пленки, наносимая вакуумным испарением, должна быть порядка 100 нм. Следует отметить, что пленки тугоплавких металлов могут быть более тонкими, так как они обладают более стабильными характеристиками.

Тонкопленочные резисторы можно изготавливать из металлов, сплавов (в том числе многокомпонентных), полупроводников и керметов(смесей металлов с керамикой).

Широкое распространение находит хромированный сплав (20% хрома и 80% никеля). Поверхностное сопротивление пленки из этого сплава достигает 300 Ом/квадрат при малом температурном коэффициенте сопротивления. Температура испарения сплава значительная(1600^оС), причем для получения высококачественного пленочного резистора подложка должна нагреваться до 300-350^оС. Из сплава железа с хромом(79% железа, 21% хрома) и железоникелевого сплава (71,5% железа, 21% хрома, 7,5% никеля) изготавливают пленки, обладающие сопротивлением 150 Ом/квадрат, с температурным коэффициентом сопротивления не более 1*10^-4 1/^оС. Значительно большее поверхностное сопротивление (до 400 Ом/квадрат) имеет многокомпонентный сплав, состоящий из 74% никеля, 20% хрома, 3% железа и 3% алюминия.

Стабильность металлических пленок зависит до некоторой степени от температуры плавления металла, его плотности и возможности образования стабильности окисного поверхностного слоя. Как правило, чем выше температура плавления, тем лучше стабильность пленки. Вольфрам образует высокостабильные пленки в вакууме, однако они нестабильны в воздухе. Свойствами, обеспечивающими образование высокостабильных пленок, обладает рений – тугоплавкий металл, который находит все большее применение для получения пленочных резисторов.

В случае, когда необходимо получить высокостабильные пленки с большим поверхностным сопротивлением (несколько тысяч Ом на квадрат) и малым температурным коэффициентом сопротивления, применяют тантал. Это объясняется еще и тем, что поверхность тантала легко покрывается пленкой окиси и становится малоактивной, хотя сам металл относится к активным; тонкий прозрачный поверхностный слой окиси хорошо связан с танталом, обладает высоким сопротивлением износу и коррозии в различных атмосферных условиях и не поддается воздействию многих кислот; реакция окисления тантала легко управляется и может быть использована для регулирования толщины пленки и ее сопротивления; пятиокись тантала является хорошим диэлектриком, что позволяет использовать его для изготовления и пленочных конденсаторов.

Большим поверхностным сопротивлением (до 10000 Ом/квадрат) обладают пленки из сплава, содержащего 24% хрома и 76% кремния. Напыление пленок в данном случае производится по методу «вспышки», при котором порошок или небольшие кусочки сплава падают на разогретый до высокой температуры вольфрамовый испаритель. Образующееся при этом облако пара конденсируется на подложке, нагретой до 200-500^оС. Полученные таким путем пленки отличаются малым температурным коэффициентом сопротивления (5*10^-5 1/^оС) и высокой стабильностью (после 2000ч работы изменение сопротивления не превышает 0,2%, а после 5000ч – 3%).

Еще большим поверхностным сопротивлением (до 50000 Ом/квадрат) обладают пленки из керметов. Типичными керметами являются пленки палладиево-серебряной глазури или танталово-хромового стекла. Резисторы на основе этих пленок используют в схемах, где допустим высокий температурный коэффициент сопротивления. Наиболее удачна пленка из смеси из моноокиси кремния и хрома. Она однородна, стабильна, имеет высокие адгезионные свойства, высокую теплостойкость и хорошие механические свойства. Сопротивление пленки изменяется в широких пределах в зависимости от состава смеси. Наилучшие характеристики имеют пленки, содержащие 70% хрома и 30% моноокиси кремния. Испарение смеси производится с вольфрамовой спирали при температуре 1300-1600^оС на подложку, нагретую до 200-250^оС. После напыления пленки ее нагревают в контролируемой среде при температуре 400-450^оС для стабилизации параметров.

Для регулирования осаждения резистивных пленок в рабочий объем вакуумной установки вблизи напыляемых подложек помещают контрольную подложку с серебряными контактами (свидетель). Когда сопротивление между контактами контрольной подложки достигает определенной величины, испарение прекращается поворотом заслонки. Как показывает опыт, сопротивление обычно уменьшается после того, как подложка извлекается из вакуумной системы, или при ее дальнейшей термообработке. Это объясняется тем, что атомы газа или другие примесные атомы сорбируются пленкой в процессе ее напыления, а затем при нагреве химически реагируют с ней. Другой причиной является возникновение в материале пленки напряжений, которые могут изменяться в процессе отжига.

3. Технологический процесс напыления тонкопленочных резисторов.