Термическое (вакуумное) напыление

Принцип этого метода напыления показан на рисунке 3.7а. Металлический или стеклянный колпак 1 расположен на опорной плите 2.Между ними находится проклад­ка 3, обеспечивающая поддержание ва­куума после откачки воздуха из подколпачного пространства. Подложка 4,на которую проводится напыление, закреплена на держателе 5. К держателю примыкает нагреватель 6 (напыление проводится на нагретую подложку). Испари­тель 7 включает в себя нагреватель и источник напыляемого вещества. Пово­ротная заслонка 8перекрывает поток паров от испарителя к подложке: напы­ление длится в течение времени, когда заслонка открыта.

Нагреватель обычно представляет собой нить или спираль из тугоплавко­го металла (вольфрам, молибден и др.), через которую пропускается достаточно большой ток. Источник напыляемого вещества связывается с нагревателем по-разному: в виде скобок («гусариков»), навешиваемых на нить накала; в виде небольших стержней, охватываемых спиралью, в виде порошка, засыпанного в

а)

б)

в)

Рисунок 3.7

тигель, нагреваемый спиралью, и т. п. Вместо нитей накала в по­следнее время используют нагрев с помощью электронного луча или луча лазера.

На подложке создаются наиболее благоприятные условия для конденсации паров, хотя частично конденсация происходит и на стенках колпака. Слишком низкая температура подложки пре­пятствует равномерному распределению адсорбируемых атомов: они группируются в «островки» разной толщины, часто не связанные друг с другом. Наоборот, слишком высокая температура под­ложки приводит к отрыву только что осевших атомов, к их «реиспарению». Поэтому для получения качественной пленки температура подложки должна лежать в некоторых оптимальных пределах (обычно 200-400° С). Скорость роста пленок в зависимости от ряда факторов ( температура подложки, рас­стояние от испарителя до подложки, тип напыляемого материала и др.) лежит в пределах от десятых долей до десятков нанометров в секунду.

Прочность связи - сцепления пленки с подложкой или другой пленкой - называется адгезией.Некоторые распространенные ма­териалы (например, золото) имеют плохую адгезию с типичными под­ложками, в том числе с кремнием. В таких случаях на подложку сна­чала наносят так называемый подслой,характерный хорошей адге­зией, а затем на него напыляют основной материал, у которого адгезия с подслоем тоже хорошая. Например, для золота подслоем могут быть никель или титан.

Для того чтобы атомы напыляемого материала, летящие от испарителя к подложке, испытывали минимальное количество столкновений с атомами оста­точного газа и тем самым минимальное рассеяние, в подколпачном простран- стве нужно обеспечивать достаточно высокий вакуум. Критерием необходи- мого вакуума может служить условие, чтобы средняя длина свободного пробега атомов в несколько раз превышала расстояние между испарителем и подлож-кой. Однако этого условия часто недостаточно, так как любое количество остаточного газа чревато загрязнением напыляемой пленки и изменением ее свойств. Поэтому в принципе вакуум в установках термического напыления должен быть как можно более высоким. В настоящее время вакуум ниже 10^{-6 мм рт. ст. считается неприемлемым, а в ряде первоклассных напылительных установок он доведен до 10-11 мм рт. ст.}

Главными достоинствами рассмотренного метода являются его простота и возможность получения исключительно чистых пленок (при высоком вакууме). Однако у него есть и серьезные недостатки: трудность напыления тугоплавких материалов и труд­ность (а иногда невозможность) воспроизведения на подложке хи­мического состава испаряемого вещества. Последнее объясняется тем, что при высокой температуре химические соединения диссо­циируют, а их составляющие конденсируются на подложке раз­дельно. Естественно, имеется вероятность того, что новая ком­бинация атомов на подложке не будет соответствовать структуре исходной молекулы.

Катодное напыление.

Схема этого метода показана на рисунке 3.7б. Здесь большинство компонентов те же, что и на рисунке 3.7а. Однако отсутствует испаритель; его место по расположению (и по функции) занимает катод 6, который либо состоит из напыляемого вещества, либо электрически контактирует с ним. Роль анода вы­полняет подложка вместе с держателем.

Подколпачное пространство сначала откачивают до 10^-5-10^{-6 мм рт. ст., а затем в него вводят некоторое количество очищенного нейтрального газа (чаще всего аргона), так что создает­ся давление 10-1} - 10^{-2 мм рт, ст. При подаче высокого отрицательного (2-3 кВ) напряжения на катод 6 (анод заземлен из соображений электробез­опасности) в пространстве анод - катод возникает аномальный тлеющий разряд, сопровождающийся образованием электронно-ионной плазмы.}

Специфика аномального тлеющего разряда состоит в том, что в прикатодном пространстве образуется настолько сильное электри­ческое поле, что положительные ионы газа, ускоряемые этим полем и бом­бардирующие катод, выбивают из него не только электроны (необходи­мые для поддержания разряда), но и нейтральные атомы. Тем самым катод постепенно разрушается. В обычных газоразрядных приборах разрушение катода недопустимо (поэтому в них используется нормальный тлеющий разряд), но в данном случае выбивание атомов из катода являет­ся полезным процессом, аналогичным испарению.

Важным преимуществом катодно­го напыления по сравнению с терми­чес- ким является то, что распыление катода не связано с высокой температурой. Соответственно отпадают трудности при напылении тугоплавких материалов и химических соединений (см. последний абзац преды­дущего раздела).

Однако в данном методе катод (т. е. напыляемый материал), будучи элементом газоразрядной цепи, должен обладать высокой электропроводностью. Такое требование ограничивает ассорти­мент напыляемых материалов. В частности, оказывается невозмож­ным напыление диэлектриков, в том числе многих окислов и дру­гих химических соединений, распространенных в технологии полу­проводниковых приборов.

Это ограничение в значительной мере устраняется при исполь­зовании так называемого реактивного (или химического)катодного напыления, особенность которого состоит в добавлении к основной массе инертного газа небольшого количества активных газов, способных образовывать необходимые химические соединения с рас­пыляемым материалом катода. Например, примешивая к аргону кис­лород, можно вырастить на подложке пленку окисла. Примешивая азот или моноокись углерода, можно получить нитриды или кар­биды соответствующих металлов. В зависимости от парциального давления активного газа химическая реакция может происходить либо на катоде (и тогда на подложке осаждается уже готовое соединение), либо на подложке - аноде.

Недостатками катодного напыления в целом являются неко­торая загрязненность пленок (из-за использования сравнительно низкого вакуума) меньшая по сравнению с термическим методом скорость напыления (по той же причине), а также сложность конт­роля процессов.