Глава 2. Методы нанесения тонкопленочных покрытий.

Раздел 1. Термическое вакуумное напыление.

Получение тонких пленок является одной из основных задач технологии изготовления микросхем, а метод термического вакуумного напыления (ТВН) одним из самых распространенных. Известен он еще с 1857 г. благодаря экспериментам Фарадея с взрывающимися проволочками и основан на нагреве до температуры испарения наносимого вещества в вакууме, транспортировке парогазового облака через вакуум от испарителя до подложки и конденсации пара на поверхности подложки. Для создания покрытия значительная часть частиц должна адсорбироваться на подложке или вследствие химической реакции образовать новое соединение. Поток испарившихся частиц в вакууме образуется в случае, когда давление пара испаряемого материала превышает давление остаточных газов в камере. Для испарения вещества можно использовать электронный или лазерный луч, джоулево тепло, высокочастотное поле. Рассмотрим первую составляющую - испарение вещества. Интенсивность испарения материала из расплава оценивают с помощью уравнения Герца - Кнудсена:

где N_e-число молекул на единицу площади в единицу времени; m-моле-кулярная (атомная) масса; K_T-постоянная Больцмана; Т-температура поверхности источника (К); p_e-равновесное давление пара испаряемого вещества. Это давление пара может быть выражено через скорость потери массы источником на единице площади:

[г/(см²с]

где М-масса грамм моля испаряемого вещества, p_e-давление пара [Па]

Это означает, что при фиксированной температуре скорость испарения не может превышать некоторое значение, определяемое формулой Герца, вне зависимости от количества подводимого тепла, что говорит о необходимости соблюдения теплового баланса. Численные значения скоростей испарения по массе для металлов при различных давлениях паров были табулированы Дэшманом.

Второй этап - транспортировка пара от испарителя к подложке. Если считать, что скорости молекул в момент испарения распределены по максвелловскому закону, то тогда от точечного испарителя они будут двигаться во всех направлениях с равной вероятностью. Плотность потока пара будет описываться выражением:

где Ф()-плотность потока в направлении, составляющим с нормалью к поверхности угол ; Ф₀-его плотность при =0. Это уравнение представляет собой косинусоидальный закон распределения.

h

r

L



Рис.2.1 Геометрия процесса напыления

. В соответствии с ним испарение вещества происходит не равномерно во всех направлениях, а преимущественно в направлениях, близких к нормали к испаряемой поверхности, где cos имеет максимальное значение. При этом масса испаряемого вещества, приходящегося на единицу поверхности подложки, зависит от расстояния от центра подложки вследствие чисто геометрических соображений, как это показано на рис.2.1. Тогда зависимость толщины напыляемой пленки d от расстояния от центра подложки L для испарителя малой площади (испаритель, у которого размеры поверхности испарения малы по сравнению с расстоянием от этой поверхности до подложки) будет определяться как:

Для точечного испарителя:

где -плотность напыляемого материала; M_e-общее количество испаренного вещества. Удобнее пользоваться отношением толщины пленки в центре подложки d₀ к толщине пленки d на удалении L от центра:

- для испарителя с малой площадью

- для точечного испарителя

В процессе движения от испарителя к подложке паровое облако может взаимодействовать с остаточными газами и различными загряз нениями, находящимися в атмосфере камеры. Поэтому процесс напыления желательно проводить при хорошем вакууме. Критерием является длина свободного пробега l нейтрального атома в объеме камеры, определяемая выражением, в котором М - масса молекулы в а.е.м.; V_m-средняя квадратичная скорость молекул;  - эффективный диаметр атома (молекулы) напыляемого вещества; p - давление газа в камере в Торр (мм.рт.ст.)

Для воздуха при 20⁰ С , но давление газа в этом случае в Па. При давлении остаточных газов в камере 10^-5 Торр длина свободного пробега составит примерно 5 м.

Третий этап - осаждение (конденсация) испаряемого вещества на поверхности подложки. Образующиеся тонкие пленки имеют физические свойства, существенно отличающиеся от свойств объемных образцов. Процесс конденсации включает в себя следующие стадии:

1. Зарождение зерен - падающая частица после соударения с поверхностью удерживается на ней силами поляризации или химической связи. Возможно образование связанной пары. Появляются маленькие зерна (0,5 нм), статистически распределенные по поверхности, при этом за счет возможной миграции локализуются на участках с дефектами, дислокациями, примесями.

2. Рост зерен. Вокруг образовавшихся зерен начинают расти пространственные островки. В зависимости от температуры подложки они могут быть жидкими каплями или монокристаллами. Температура плавления островков на 2/3 меньше температуры плавления объемного материала.

3. Объединение островков. При пограничном контакте за счет разрушения границы и выделения при этом тепла островки расплавляются, а после слияния охлаждаются, образуя новый монокристалл. На монокристаллической подложке ориентация большинства островков повторяет ориентацию подложки. Межсоединения островков образуют сеть с пустотными каналами.

4. Заполнение каналов. Для каждой пары конденсат подложка при заданной скорости осаждения существует критическая температура подложки, выше которой происходит рост кристаллически ориентированной пленки независимо от степени несовершенства исходного кристалла. Конденсация при температурах ниже критической приводит к разориентации пленки и при низких температурах (порядка 1/3 температуры плавления объемного образца) получается аморфная структура. Одной из основных характеристик получаемых пленок является адгезия. (прилипание) - возникновение связи между поверхностными слоями двух разнородных тел или фаз, приведенных в соприкосновение.

Адгезия характеризует прочность контакта образовавшегося соединения пленки с подложкой. К сожалению, как отметила “Физическая энциклопедия”, “адгезия не может быть измерена во всех тех практически важных случаях, когда она достаточно велика, т.е. когда адгезионный шов не является слабым местом”. Предполагается, что адгезия во многом зависит от энергии падающей на подложку частицы - чем выше энергия, тем лучше адгезия. С этой точки зрения метод ТВН не является перспективным, т.к. энергия частиц парового облака является незначительной.

Для увеличения энергии частиц применяют импульсные методы ТВН, заключающиеся в испарении вещества методом электрического взрыва проводника или микро взрыва под воздействием электронного или лазерного пучка или применения импульсных генераторов плазмы. Во всех этих случаях атомам или молекулам испаряемого вещества сообщается существенно большая энергия, что улучшает параметры получаемых пленок, но не искупает все недостатки метода ТВН:

1. Большой расход материала - конденсат осаждается не только на подложку, но и по всему объему камеры.

2. Невысокое качество получаемых пленок.

3. Неравномерность получаемых пленок по толщине.

4. Невозможность распыления тугоплавких материалов, сплавов .

5. Невозможность распыления химических соединений.

6. Низкая адгезия получаемых пленок.

Поэтому для получения качественных пленок используются другие методы.