Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Основы технологии электронной компонентной базы». Липатов Г.И

Кроме того, присутствующие при большом давлении в рабочей камере остаточные (О₂, Н₂, N₂, СО₂) газы не только уменьшают среднюю длину свободного пробега молекул, но насыщают пленку, химически взаимодействуют с ней, образуя соединения, изменяющие первоначальные свойства осаждаемого вещества.

Конденсация пара зависит от температуры подложки и плотности молекулярного пучка. Приближаясь к подложке, частицы вещества попадают в поле сил притяжения ее поверхностных атомов и молекул. Вместе с тем на очень близком расстоянии на частицы вещества действуют также силы отталкивания. Атомы (молекулы) испаряемого вещества, достигшие подложки, могут мгновенно отразиться от нее (упругое столкновение), адсорбироваться и через некоторое время вновь отразиться (реиспариться), а также адсорбироваться и после кратковременной миграции по поверхности остаться на ней, т. е. происходит конденсация. Если энергия связи частиц вещества с атомами подложки больше средней энергии атомов подложки, они конденсируются, а в ином случае отражаются от нее. Температура подложки, выше которой все частицы вещества отражаются от ее поверхности и пленка при этом не образуется, называемая критической температурой, зависит от физико-химических свойств материалов осаждаемой пленки и подложки, а также от состояния поверхности подложки.

Наименьшую плотность, при которой частицы осаждаемого вещества конденсируются на подложке при данной ее температуре, называют критической плотностью молекулярного потока. При «нахождении» молекулами осаждаемого вещества мест, соответствующих минимуму свободной энергии системы молекула—подлож­ка, образуются зародыши. Рост зародышей происходит в результате присоединения новых молекул, мигрирующих по поверхности или попадающих на зародыш непосредственно из пространства между источником и подложкой. Размер зародыша, при котором он обладает минимальной устойчивостью, называется критическим. Зародыш критического размера распадается даже при удалении от него всего одной молекулы и, наоборот, при добавлении ее становится более устойчивым. При росте и объединении зародышей образуются островковые структуры, а затем — сплошная пленка.

Конденсация вещества на подложке определяется коэффициентом конденсации (аккомодации): α_к=n_к/n_об, где n_об — количество атомов или молекул, достигающих поверхности в единицу времени; n_к — количество частиц, закрепляющихся на поверхности в единицу времени.

Скоростью испарения, зависящей от температуры, определяется производительность процесса, возможность химического взаимодействия остаточных газов и испаряемого вещества, а также условия его кристаллизации на подложке. Так, при низких скоростях испарения в пролетном пространстве успевают произойти химические реакции и образуются оксиды, гидриды, нитриды и другие соединения, обладающие иными, чем осаждаемое вещество, свойствами и скоростями миграции по поверхности подложки. В результате изменяются условия кристаллизации, структура и электрические параметры осаждаемой пленки.

Температура подложки определяет взаимодействие ее материала с остаточными газами, а также интенсивность химического взаимодействия этих газов и материала пленки. При повышении температуры улучшается десорбция, уменьшается газонасыщение и создаются условия термодинамического равновесия. В результате формируются сплошные и бездефектные пленки, обладающие хорошей адгезией, имеющие ненапряженную структуру и оптимальные размеры зерен. Однако значительное повышение температуры подложки увеличивает критический размер зародышей и может привести к сохранению островковой структуры, что, в свою очередь, вызывает неравномерность пленки по толщине и ухудшение ее электрофизических параметров. Это особенно важно при изготовлении тонкопленочных резисторов (толщина пленки 0,35—0,6 мкм). Обычно температуру подложек выбирают в интервале от 30 до 400 °С.

Цель термической обработки осажденных пленок — снятие в них напряжений и предотвращение рекристаллизации, которая может происходить при повышенных температурах, возникающих при прохождении тока через элементы. Правильный выбор температуры термообработки T_об, ее длительности и давления остаточных газов p способствует стабилизации структурных, а следовательно, и электрофизических параметров пленок. Так, для большинства резистивных пленок T_об=300—450 °С; длительность — 1—4 ч, p=10^–3—10^–4 Па. Ухудшение вакуума, т. е. увеличение давления, интенсифицирует процессы химического взаимодействия испаряемого вещества с остаточными газами.

В зависимости от способа нагрева осаждаемого вещества различают резистивные, электронно-лучевые и индукционные испарители.

Резистивные испарители изготовляют из проволоки и лент тугоплавких металлов, а также из графита и диборида титана ТiВ₂. Некоторые типы нагревателей показаны на рис. 2. Недостатки резистивных испарителей — загрязнение наносимой пленки материалом нагревателя или тигля, малый срок службы, невозможность испарения тугоплавких материалов.

Электронно-лучевые испарители (рис. 3, а) основаны на преобразовании кинетической энергии электронов в энергию нагрева при бомбардировке ими испаряемого материала. Эти испарители применяются при нанесении пленок тугоплавких материалов, не загрязняют камеру материалом нагревателя и тигля и могут быть использованы более длительное время, чем резистивные. Однако при электронной бомбардировке некоторые материалы разлагаются на фракции с выделением газообразных веществ. Обычно площадь сфокусированного электронного пучка 3—60 мм², напряжение на аноде — 6—10 кВ, скорость испарения — до 5 мг/с.

а) б)

Рис. 3. Электронно-лучевой (а) и индукционный (б) испарители: 1 — катод; 2 — управляющий электрод; 3 — анод; 4 — магнитная фокусирующая система; 5 — электронный пучок; 6 — испаряемый материал; 7 — индуктор

Рис. 2. Типы резистивных испарителей: а, б — проволочные; в—д — ленточные; е — тигельный; 1 — нагреватель; 2 — испаряемое вещество; 3 — компенсаторы; 4 — крышка; 5 — тигель

Индукционные испарители (рис. 3, б) основаны на разогреве материала высокочастотным магнитным полем, создаваемым индуктором. Основной недостаток этих испарителей — значительная зависимость скорости испарения вещества от его массы.

Катодное, ионно-плазменное и магнетронное распыление существенно отличаются от термического испарения. Так, при катодном распылении материалов процесс ведут при давлении 0,01—1 Па, скорость роста пленки меньше, чем при термическом испарении и она формируется в газовом разряде. Катодное распыление основано на том, что поток положительно заряженных ионов газа (например, аргона), получивших энергию от сотен электрон-вольт до единиц килоэлектрон-вольт, направляют на мишень, выполненную из распыляемого вещества. Ионной бомбардировкой из мишени выбиваются частицы вещества, которые оседают на подложке в виде тонкой пленки. В зависимости от способов ионизации газа, т. е. создания плазмы и распыления мишени, ионные источники подразделяют на диодные, триодные и магнетронные.

а) б)

Рис. 4. Диодный (а) и триодный (б) ионные источники испарения:

1 — катод-мишень, 2 — подложка, 3 — анод, 4 — термокатод

В диодных источниках поток электронов, необходимый для ионизации рабочего газа, образуется в результате автоэлектронной эмиссии. В таких источниках бомбардируемая ионами газа мишень одновременно является катодом и поэтому называется катодом-мишенью. Осаждение вещества происходит на подложку, располагаемую на аноде. Если распыляемая мишень металлическая, то распыление ведется при постоянном токе, а если диэлектрическая, — при переменном. Во втором случае при отрицательной полярности мишень распыляется, а при положительной с нее снимается накопленный отрицательный заряд. Диодные системы (рис. 4, a) наиболее просты и состоят из катода-мишени 1, анода 3 и подложки 2, размешенных в рабочей камере, в которой первоначально создается вакуум 10^–4—10^–3 Па; затем в камеру напускается инертный газ до давления 1,3—13 Па. При подаче на электроды напряжения 1—5 кВ электроны с катода-мишени устремляются в сторону анода, ионизируя инертный газ, в результате чего возникает тлеющий разряд и образуется плазма. Схема ионизации рабочего газа выглядит следующим образом: Аr+е^–→Аr⁺+2е^–. Положительные ионы плазмы, ускоряясь в электрическом поле, устремляются к катоду-мишени, бомбардируют и распыляют ее.

В триодных источниках, называемых также ионно-плазменными (рис. 4, б), третий электрод выполняет функцию термоэмиссионного катода, увеличивая концентрацию электронов, а следовательно, и ионизированных атомов рабочего газа (аргона). Причем увеличение количества ионов аргона возможно при уменьшении его давления до 10^–2—10^–1 Па, что обеспечивает нанесение пленок, не загрязненных посторонними примесями. Кроме того, наличие термокатода позволяет приблизить мишень к подложке, что увеличивает скорость нанесения пленки. Как и в диодных источниках, рабочую камеру предварительно откачивают до давления порядка 10^–4 Па. Затем подают ток накала на вольфрамовый термокатод, который разогревается до температуры возникновения термоэлектронного тока высокой плотности. Напряжение между раскаленным термокатодом и анодом равно 200 В, а давление аргона в рабочей камере — 10^–2—10^–1 Па. Электроны, испускаемые термокатодом, ионизируют молекулы аргона, которые после подачи отрицательного потенциала на катод-мишень (3—5 кВ), вытягиваясь из плазмы, бомбардируют и распыляют ее поверхность.

Особенностью триодных источников распыления является безынерционность: распыление после снятия потенциала с катода-мишени мгновенно прекращается. Так как энергия ионов, распыляющих мишень, очень велика, в разрядной камере и на мишени выделяется большое количество теплоты. Поэтому такие системы требуют охлаждения.

Рис. 5. Схема магнетронного распыления: 1 — поток распыляемого вещества; 2 — кольцевой анод; 3 — катод-мишень; 4 — магнитная система

В магнетронных источниках (рис. 5), выполненных на основе диодных систем, в разрядном промежутке одновременно с электрическим действует магнитное поле, что позволяет без увеличения концентрации электронов повысить плотность плазмы.

На электроны, эмитированные автоэмиссионным катодом-мишенью 3 и движущиеся к кольцевому аноду 2 в приложенном между ними электрическом поле, действует магнитное поле Н, направленное перпендикулярно электрическому. При перекрещивании полей путь движения электронов удлиняется (они движутся по спирали), что повышает вероятность их столкновения с молекулами рабочего газа. В результате при давлении 10^–2—10^–1 Па создается высокая концентрация ионов газа, которые движутся к катоду-мишени, бомбардируя ее и распыляя с большой интенсивностью. Поток 1 распыляемого вещества устремляется к подложке и осаждается на ней в виде пленки. Достоинствами магнетронных систем, используемых для распыления металлов и диэлектриков, являются: низкое рабочее давление, позволяющее уменьшить количество газовых включений в осаждаемой пленке; высокая скорость нанесения пленки; надежность и стабильность параметров напылительной системы; широкий диапазон толщин пленок при их высокой адгезии и однородности.

Описание лабораторной установки

Рис. 6. Схема установки вакуум-терми­ческого напыления: 1 — стеклянный колпак; 2 и 2' — испарители для меди и алюминия соответственно; 3 и 3' — подложкодержатели соответственно для меди и алюминия; 4 — диффузионный насос; 5 — форвакуумный насос; 6 — кран вакуумной магистрали БАЙПАС; 7 — кран «ВЫСОКИЙ ВАКУУМ»; 8 — кран «ФОРВАКУУМ»

I. Напыление тонких металлических пленок методом вакуумного испарения осуществляется на установке вакуум-термического напыления, схема которой показана на рис. 6. Основной частью установки является вакуумный колпак 1, устанавливаемый на металлической подставке с резиновой прокладкой. Рабочее пространство под колпаком разделено на две части, соответственно на камеры для напыления алюминия и меди.

ВНИМАНИЕ! Для обеспечения чистоты получаемых пленок не допускается менять местами испарители для алюминия и меди.

Навеска металла в виде отрезка проволоки помещается в соответствующий испаритель 2 или 2' под колпаком. Подложки помещаются на подложкодержатели 3 и 3' в непосредственной близости от испарителей 2 и 2'. Откачка системы осуществляется форвакуумным (5) и диффузионным насосами до давления 10^–4 мм рт. ст. Вакуумные краны, диффузионный и форвакуумный насосы, а также вакуумные магистрали смонтированы под защитным кожухом.

ВНИМАНИЕ! Разбирать защитный кожух с целью получения доступа к вакуумным магистралям категорически запрещается.

Тумблеры управления насосами и вентили вакуумных кранов выведены на переднюю панель защитного кожуха. Испарители управляются от отдельного блока в составе установки.

Рис. 7. Вакуумная схема установки магнетронного распыления:

1 — объем с рабочим газом (хлорвиниловая емкость); 2 — натекатель; 3 — распылительная камера с магнетроном; 4 — кран «ДИФФУЗИОННЫЙ НАСОС»; 5 — диффузионный насос; 6 — кран «ФОРВАКУУМНЫЙ НАСОС»; 7 — кран «БАЙПАС»; 8 — клапан напуска воздуха; 9 — форвакуумный насос; 10 — напуск воздуха в рабочую камеру; 11 — трехходовой кран напуска рабочего газа (атмосферы)

II. Нанесение пленок меди методом магнетронного распыления осуществляется на установке, вакуумная схема которой показана на рис. 7. Магнетронная распылительная система смонтирована на металлическом фланце, соединенном с вакуумной системой трубопроводом. Распылительная мишень (катод) толщиной 10 мм и диаметром рабочей части 50 мм изготовлена из меди вакуумной плавки и закрепляется на корпусе магнетрона через резиновое уплотнение прижимным фланцем. Постоянное магнитное поле создается магнитным блоком, состоящим из центрального и периферических постоянных магнитов, закрепленных на основании блока, в свою очередь изготовленного из магнитомягкого материала. Магнитный блок создает над поверхностью катода магнитное поле порядка 0,02—0,05 Тл. Составляющая этого поля параллельна плоскости катода. Мишень магнетрона имеет принудительное охлаждение проточной водой. Анод изготовлен из латунной трубки и также охлаждается проточной водой. Расстояние от катода до анода составляет 25 мм.

Анод и корпус магнетрона закреплены на фланце с помощью изолированных стоек (на схеме не показаны). Питание разрядной цепи магнетрона осуществляется от источника постоянного тока с напряжением до 2000 В и максимальным током до 1 А. Подложкодержатель расположен от мишени на расстоянии, которое можно менять в пределах от 35 мм до 90 мм. Подложки закрепляются на подложкодержателе с помощью зажимов так, чтобы обеспечивался хороший (равномерный) тепловой контакт подложки с подложкодержателем. Подложкодержатель имеет нулевой потенциал, то есть заземлен. Между подложкодержателем и мишенью магнетрона расположен дополнительный торообразный электрод диаметром 140 мм, изготовленный из меди. Медные трубки охлаждения анода и мишени магнетрона, являющиеся одновременно электрическими выводами этих электродов, изолированы от фланца керамическими изоляторами и герметизированы клеем К-400. Вывод дополнительного электрода также изолирован и герметизирован. Напуск атмосферного воздуха и рабочих газов осуществляется через трубку, выходной конец которой расположен во фланце магнетронного узла. Давление рабочего газа устанавливается с помощью натекателя.

III. Для оценки качества сцепления металлических пленок с подложкой используется ультразвуковой дезинтегратор типа. Дезинтегратор также может быть использован для смешивания, диспергирования, эмульгирования и отмывки. Его принцип действия заключается в генерации ультразвуковой энергии и введении ее в исследуемую среду. Введение энергии в исследуемую среду осуществляется концентратором (сонотродом). Ультразвуковая энергия вырабатывается в керамическом преобразователе, питаемом от генератора мощности частотой 22 кГц. Рабочая частота автоматически поддерживается на резонансной частоте механических колебаний преобразователя посредством системы обратной связи. Это позволяет преобразовывать энергию с максимальной эффективностью. Введение ультразвуковой энергии в жидкость вызывает образование в ней кавитационных пузырьков. Сокращения кавитационных пузырьков служат источником ударных волн. Они создают значительные давления и механические силы. Интенсивность этих явлений можно регулировать путем изменения амплитуды колебаний, что позволяет интенсифицировать процессы коагуляции, разрыва, смешения, отщепления пленок и загрязнений. Рабочая частота прибора 22±1,65 кГц; стабилизированная амплитуда колебаний на конце концентратора соответственно в пяти диапазонах составляет: 1—8 мкм, 2—10 мкм, 3—12 мкм, 4—14 мкм, 5—16 мкм; максимальная выходная мощность — 180 Вт. Прибор начинает работать немедленно после включения. Непрерывная работа может осуществляться до 4 ч после включения. В приборе использован пьезокерамический преобразователь типа «сэндвич». Концентратор имеет наконечник из химически нейтрального материала. Может использоваться рабочий объем сосуда до 40 мл. Органы управления ультразвуковым дезинтегратором выведены на лицевую панель отдельного блока управления.

Исследуемые образцы помещают в сосуд с дистиллированной водой (или другой жидкостью — по заданию преподавателя), сосуд помещают на основание прибора и затем концентратор концом опускают в жидкость на глубину не менее 0,5—1 см от поверхности жидкости. Затем устанавливается необходимый режим работы прибора и включается сетевой тумблер. Для анализа результатов обработки необходимо точно зафиксировать время обработки. По истечении необходимого времени сетевой тумблер выключают, образцы извлекают и подвергают анализу — либо визуальному осмотру, либо рассмотрению под микроскопом. Перед тем как рассматривать образцы под микроскопом, они должны быть высушены.

Материалы и оборудование

В зависимости от вида задания студенту выдаются следующие материалы и комплектующие:

необходимое количество подложек для нанесения тонких металлических пленок;

реактивы и отмывочные средства для очистки подложек;

протирочный материал (фильтровальная бумага);

навески напыляемых материалов;

пинцет;

комплект лабораторной посуды;

микроскоп.

Лабораторное задание

1. Проведение очистки подложек по одной из методик, предложенной преподавателем;

2. Нанесение на подложки тонких металлических пленок (по заданию преподавателя);

3. Анализ адгезионных характеристик и оценка качества полученных слоев на подложках.

Порядок выполнения работы

Вариант 1. Вакуум-термическое напыление пленок

1. Получить у преподавателя необходимое количество подложек и навески металла.

2. Очистить поверхности подложек в следующей последовательности:

обезжиривание путем кипячения в 20 %-ном растворе соды;

обработка хромовой смесью. Подложки помещают в плоскую фарфоровую чашку, заливают хромовой смесью, нагревая до температуры 50—70 °С, и выдерживают при этой температуре 3—5 мин;

обработанную хромовой смесью подложку моют сначала водопроводной, а затем дистиллированной водой;

вымытую подложку ставят в сушильный шкаф и сушат при температуре 120—130 °С в течение 15—20 мин.

При обработке подложек категорически! запрещается брать их руками. Необходимо пользоваться пинцетом.

Внимание! Визуально чистые подложки должны быть без разводов и следов от остатков отмывочных растворов.

3. Подготовить установку и загрузить очищенные образцы в подложкодержатели. Для этого необходимо:

проверить первоначальное положение вакуумных кранов установки («НАПУСК ВОЗДУХА В НАСОС» — открыт; «БАЙПАС» — закрыт; «НАТЕКАТЕЛЬ» — открыт);

снять защитную сетку со стеклянного колпака установки;

снять колпак и установить его на специальном держателе;

осторожно, не касаясь плоскости подложек руками, установить их в подложкодержатели установки и закрепить прижимами;

при необходимости добавить образец для испарения в тигель нагревательного элемента — медь в тигель с медью, а алюминий — в тигель с алюминием;

протереть уплотнительную прокладку колпака изопропиловым спиртом, используя пинцет и вату;

установить стеклянный колпак по возможности как можно ровнее и затем установить защитную сетку;

установить водяным вентилем требуемый напор воды для охлаждения диффузионного насоса (помечен риской).

4. Включить питание установки на пульте управления.

5. Закрыть кран «НАПУСК ВОЗДУХА В НАСОС» и включить кнопкой на панели управления установкой форвакуумный насос.

6. Закрыть кран «НАТЕКАТЕЛЬ», открыть кран «БАЙПАС» и произвести предварительную откачку рабочего объема испарительных камер через магистраль байпаса.

7. Проверить факт начавшейся откачки объема под стеклянным колпаком (стрелка вакуумметра не должна быть в крайнем левом положении). Если откачка началась успешно, можно продолжать выполнение работы.

8. Через 5—10 мин закрыть кран «БАЙПАС» и открыть краны диффузионного насоса. ВНИМАНИЕ! Диффузионный насос во избежание выхода из строя никогда нельзя подключать к атмосфере.