Образование и структура пленок.

Область применения тонких пленок очень широка. Тонкие пленки применяются для создания пассивных элементов в гибридных и совмещенных ИМС.

Гибридная – это микросхема созданная на изолирующей подложке, в которой пассивные элементы, такие как R, L, C межслойные соединения и контактные площадки создаются методами тонкопленочной технологии, а активные элементы D, VT, создаются на базе полупроводниковой технологии и монтируются на подложку навесным монтажом.

Совмещенная – эта микросхема изготавливается на базе полупроводниковой пластины, D и VT создаются методами планарной полупроводниковой технологии в приповерхностном слое пластины, а R, L, C создаются на базе тонкопленочной технологии, на поверхности пластины через изолирующий слой.

Основные методы получения тонких пленок на не ориентирующих подложках:

1. Вакуумное испарение (термовакуумное напыление);

2. Ионное распыление;

3. Химическое и электрохимическое осаждение.

1. Вакуумное испарение: состоит из трех этапов: 1. испарение материала нагретого до температуры испарения; 2. создание прямолинейных пучков атомов испаряемого материала; 3. рост пленки на поверхности подложки.

Для нормального хода процесса воздух из под колпака откачивают до заданной степени разряжения, для этого используется двухступенчатая система откачки, на первой ступени работает форвакуумный насос – это механический насос – работает до мм. рт. ст. Далее включается диффузионный насос – промасленный – работает в диапазоне от до мм. рт. ст. Вакуум в процессе откачки контролируется.

Первый этап: Испарение.

Лодочка нагревается, пары поднимаются над поверхностью расплава. Среднее время жизни атома на поверхности расплава можно рассчитать по формуле:

где - период колебания атома в жидкости у временного положения равновесия;

- энергия связи с поверхностью расплава.

Скорость испарения равна: , где - число атомов на единицу поверхности.

Из выражения видно, что , причем при увеличении T скорость испарения тоже возрастает. Если скорость увеличивается, а под колпаком низкая степень разряжения частицы будут переходить в пар и атомы будут возвращаться на поверхность. Чтобы этого не происходило необходимо создать степень разряжения Па.

Второй этап:

Пролетное пространство – это пространство между испарителем и подложкой (40 см).

Необходимо создать условия, при которых длинна свободного пробега испаренных атомов >L. Для обеспечения этого условия необходимо создать разряжение под колпаком Р Па (70см).

Интенсивность испарения вещества с поверхности в направлении образующем угол  с нормалью к этой поверхности пропорциональна cos.

При точечном испарении число испаренных атомов ежесекундно подходящих на единицу площади подложки обратно пропорционально квадрату расстояния от испарителя до подложки.

Третий этап: Рост пленки на поверхности подложки.

Для обеспечения роста на поверхности, необходимо разряжение Па.

С энергетической точки зрения поверхность подложки – это периодическое потенциальное поле, где чередуются потенциальные ямы с потенциальными барьерами.

Рост зависит от соотношения энергии атома и глубины ямы. Если  меньше глубины ямы, то он закрепляется на поверхности подложки и становится центром кристаллизации. Если энергия атома  больше глубины потенциальной ямы, то он выходит из нее и мигрирует по поверхности подложки падая в другие ямы.

Вокруг центров кристаллизации вначале образуются островки пленки, которые постепенно разрастаясь сливаются между собой, в результате вся поверхность подложки покрывается одноатомным слоем пленки. Дальше идет подслойное наращивание пленки по толщине.

Процесс термовакуумного напыления характеризуется критической температурой и критической плотностью пучка.

Для улучшения структуры пленки подложку подогревают, с целью увеличения скорости миграции атомов по поверхности подложки, что увеличивает вероятность группирования атомов вокруг нескольких центров кристаллизации – это приводит к возможности получения пленок совершенной структуры (монокристаллических и поликристаллических). Подложку нагревают до критической температуры – соответствующей той температуре, при которой начинается реиспарение атомов с поверхности подложки, и процесс наращивания пленки прекращается.

Критическая температура зависит от физической природы напыляемого материала, от плотности пучка – чем выше плотность пучка (в пролетном пространстве образуются дуплеты и триплеты (атомы объединенные в группы)), тем выше критическая температура подложки, так как чтобы реиспарить дуплеты и триплеты необходимо в начале разорвать связи между атомами дуплетов и триплетов, а затем реиспарить отдельные атомы.

Недостатки метода термовакуумного напыления:

1. Невозможность получения пленок стехиометрического состава из материалов представляющих собой сложные химические соединения.

2. Низкая адгезия пленок к поверхности подложки. Для повышения адгезии необходимо тщательно очищать поверхность подложки перед нанесением пленки.

Достоинства метода:

1. Хорошая отработка технологических приемов и аппаратного обеспечения;

2. Отработанные методы контроля толщины пленки в процессе её напыления;

3. Метод не требует высокой квалификации обслуживающего персонала.