Получение ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ
ТЕРМИЧЕСКОГО ИСПАРЕНИЯ
В ВАКУУМЕ
Цель работы:Освоение технологического процесса нанесения металлических пленок методом термического испарения в вакууме и экспериментальное исследование зависимости удельного сопротивления тонких пленок от толщины.
ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ
Задание № 1
При изучении материала необходимо обратить внимание на то, что сформированные различными технологическими методами структуры элементов и отдельных приборов в интегральных микросхемах (ИМС) коммутируются между собой при помощи металлических пленок. Контакты к этим структурам также изготавливаются из металлических пленок. Для нанесения тонких пленок используются физические и химические методы. Физические методы основаны на образовании потока атомных частиц (отдельных атомов, молекул или ионов) из напыляемых материалов и последующей их конденсации на поверхности подложки. Для этого необходимо применение высокого вакуума, поэтому физические методы нанесения тонких пленок называют вакуумными.
В технологии получения тонких пленок вакуумными методами различают три этапа:
– испарение вещества с целью получения пара - атомарного потока;
– перенос пара в вакуумном пространстве;
– конденсация пара на подложке и образование пленочной структуры.
В тонкопленочной технологии для нанесения тонких пленок наибольшее применение нашли следующие методы: термическое вакуумное напыление, катодное распыление, ионно-плазменное напыление и магнетронное распыление. Общими требованиями, предъявляемыми к каждому из этих методов, являются воспроизводимость свойств и параметров получаемых пленок и обеспечение надежного сцепления (адгезия) пленок с подложками и другими пленками.
Термическое вакуумное напыление заключается в нагреве вещества в вакууме до температуры, при которой возрастающая с нагревом кинетическая энергия атомов и молекул вещества становится достаточной для их отрыва от поверхности и распространения в пространстве. Это происходит при такой температуре, при которой давление собственных паров вещества превышает на несколько порядков давление остаточных газов. При этом атомарный поток распространяется прямолинейно, и при столкновении с поверхностью испаряемые атомы и молекулы конденсируются на ней.
Термическое испарение любого вещества характе-ризуется температурой испарения, давлением паров и скоростью испарения. Температурой испарения называют температуру, при которой давление паров вещества над его поверхностью составляет 1,33 Па. Давление насыщенного пара зависит только от температуры:
, (1)
гдеВ и С – постоянные коэффициенты, значения которых различны для разных материалов.
Скорость испарения вещества Vисп определяется количеством частиц, покидающих в единицу времени единицу поверхности испаряемого вещества. При молекулярном режиме испарения, когда давление остаточных газов мало (менее 10-2 Па), скорость испарения зависит от давления насыщенного пара и температуры испарения. В рамках кинетической теории газов
, (2)
где р – давление паров; М – молекулярный вес вещества; Т – абсолютная температура.
На распространение потока пара испаряемого вещества в первую очередь влияет степень вакуума в рабочей камере, от которой зависит длина свободного пробега l. Согласно кинетической теории газов
, (3)
где d – эффективный диаметр молекулы газа (для воздуха d = 3,7 × 10-10 м).
Из выражения (3) следует, что значение l зависит от степени вакуума (при р = 1,33 Па l = 4,7 мм, при р = 1,33×10-2 Па l = 47 см). Это обусловливает конструктивные параметры рабочей камеры при получении молекулярного (атомарного) потока. В частности, расстояние подложки от испарителя должно быть всегда меньше l. Следует отметить, что в реальных условиях необходимо учитывать наличие остаточных газов.
После столкновения атомов паровой фазы с подложкой могут происходить три процесса: адсорбция, приводящая к окончательному оседанию атома; адсорбция, приводящая к реиспарению через некоторое время; отражение сразу после столкновения. Отражение обычно имеет небольшую вероятность. Частота реиспарения
, (4)
где n – частота колебаний адсорбированного атома; 
– энергия активации адсорбции, или энергия связи адсорбированного атома с поверхностью; Тп – температура подложки.
Как видно из (4), для уменьшения реиспарения необходимо, чтобы 
, что достигается определенным значением температуры подложки.
Адсорбированные атомы мигрируют по поверхности и при столкновении образуют скопления. В скоплениях между атомами действуют силы связи, определяемые энергией конденсации (центры конденсации), в результате происходит образование и рост зародышей. Чем больше скорость испарения, тем выше вероятность образования центров конденсации, обусловленных либо миграцией атомов по поверхности, либо столкновением с ранее осажденными атомами.
На процесс образования пленки влияют состояние поверхности и наличие остаточных газов, которые нарушают условия конденсации. Отношение числа молекул остаточного газа, ударяющихся о подложку, к числу молекул испаряемого вещества характеризует степень загрязненности конденси-руемой пленки. Процесс конденсации характеризуется также коэффициентом конденсации, определяемым отношением числа атомов, сконденсировавшихся на поверхности, к числу атомов, ударившихся об нее. Он численно равен отношению скорости конденсации и скорости испарения.
Для проведения процесса испарения вещества в вакууме необходимо иметь испаритель, который содержал бы в себе испаряемое вещество и разогревал его до температуры испарения.
Материалами, имеющими незначительную упругость паров при высоких температурах (2300 – 3500 К), являются тугоплавкие металлы и некоторые окислы (W, Mo, Ta, Al2O3). Выбор испарителя осуществляется также с учетом образования сплавов и возможности реакции между ним и испаряемым веществом. Простейшие конструкции испарителей изготавливаются из проволоки или металлической фольги, а также с использованием тиглей различных форм.
В качестве подложек для нужд радиоэлектронной промышленности используются кристаллы кремния, стекла и ситаллы. Для улучшения адгезии тонкой пленки с подложкой необходима тщательная очистка последней перед нанесением пленки.
Задание № 2
Изучить особенности структуры и электрические свойства тонких металлических пленок.
Параметры тонких металлических пленок существенно отличаются от параметров массивных материалов, что связано с с различием в структуре и с размерными эффектами в тонких пленках.
Структура и свойства тонких пленок, полученных путем термического испарения в вакууме, в значительной степени определяются условиями их конденсации и зависят от следующих факторов: природы испаряемого вещества и соответствия его структуры структуре подложки; природы подложки, степени ее очистки, микрорельефа и температуры поверхности; степени вакуума и скорости испарения вещества; угла падения атомарного пучка на подложку; толщины пленки.
Адгезия пленки к подложке во многом зависит от наличия оксидного слоя, который может возникнуть в процессе осаждения между пленкой и подложкой. Такой слой образуется, например, при напылении железа и нихрома, чем и объясняется хорошая адгезия этих пленок. Желательно, чтобы образующийся слой оксида был равномерно распределен между пленкой и подложкой, если же оксид распределен неравномерно или располагается на поверхности пленки, то свойства пленки могут измениться.
Наличие загрязнений на подложке сильно влияет на электрофизические свойства пленок. В зависимости от того, какая энергия связи больше – между материалами пленки и островками загрязнений или между материалом пленки и подложкой, - пленка образуется либо на островках, либо на чистой подложке. Поэтому перед напылением необходимо тщательно очищать подложки, а также предохранять их от появления масляных пленок, возникающих в результате проникновения паров рабочих жидкостей из насосов.
Степень шероховатости поверхности подложки также оказывает сильное влияние на структуру образующейся пленки. Для получения гладкой поверхности производят термическую полировку стеклянных и других подложек нагревом и оплавлением поверхности. Для устранения микронеровностей иногда на подложку предварительно напыляют слой SiO толщиной 1000 – 10000 Å.
В зависимости от конкретных условий напыления пленки, полученные из одного и того же вещества, могут иметь следующие структуры: монокристаллическую, если вся пленка представляет собой сплошную кристаллическую решетку атомов данного материала; коллоидную (мелкозернистую), состоящую из кристаллов размерами менее 100 Å; гранулярную (крупнозернистую), имеющую кристаллы размерами 1000 Å и более; аморфную – не имеющую кристаллической решетки.
Сверхтонкие пленки металлов обычно имеют островковое строение. Островки металла разделены непроводящими зазорами. Размер островков с увеличением средней толщины пленки растет, и расстояние между ними сокращается. С увеличением средней толщины пленки растет и средний размер кристаллитов, образующих пленку. Рост размера зерен объясняется преимущественным ростом отдельных граней кристаллита в процессе конденсации (селективный рост).
В большинстве случаев проводимость сплошных пленок несколько меньше проводимости массивных материалов; удельное сопротивление пленки изменяется с ростом толщины (рис. 1).
Когда пленка нанесена на диэлектрическую подложку и является островковой, то ее проводимость определяется в пер-вую очередь проводимостью через непроводящие зазоры. Механизмами проводимости в этом случае являются термоэлектронная эмиссия и активированное туннелирование через подложку.
В сплошной пленке электроны проводимости рассеиваются на фононах решетки, дефектах решетки и на поверхности. Максимальный вклад в рассеяние дают точечные дефекты и границы зерен. При недостаточно высоком вакууме в
Рис. 1. Зависимость удельного сопротивления
пленки от толщины
процессе напыления из-за абсорбции газов происходит встраивание чужеродных атомов и молекул в напыляемую пленку, в результате чего растет число дефектов и центров кристаллизации, а вследствие этого уменьшается размер кристаллитов. Поэтому для уменьшения сопротивления пленок процесс напыления необходимо проводить в высоком вакууме.
После напыления пленки обычно отжигают в целях уменьшения их сопротивления и повышения стабильности характеристик. При отжиге происходят процессы рекристаллизации (перекристаллизации), приводящие к увеличению размера зерна, и отжиг дефектов, в результате чего их число уменьшается.
Метод термического вакуумного напыления широко применяется в производстве, так как он является наиболее освоенным и позволяет получать почти все элементы тонкопленочных ИМС. Основными его преимуществами являются сравнительная простота, высокие скорости осаждения и возможность получения пленок с минимальными загрязнениями в условиях высокого вакуума (10-5 – 10-7 Па).
К недостаткам этого метода относится то, что напыляемые пленки имеют, как правило, неоднородный химический состав (особенно при напылении из сплавов) и недостаточную стабильность.
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАДАНИЯ
Задание № 1
Ознакомиться с устройством и принципом работы вакуумного поста ЭВП-2 и занести его схему в отчет.
Вакуумный пост ЭВП-2 предназначен для получения в рабочем объеме (под колпаком) вакуума с давлением остаточных газов до 1,3·10–2 Па. Такого давления вполне достаточно для переноса молекул испаряемого вещества на подложку без столкновения с молекулами остаточного газа. Для получения такого давления использована классическая схема вакуумной системы с применением механического роторного насоса для получения предварительного вакуума и паромасляного высоковакуумного насоса.
Включение поста производить в исходном положении распределителя «О» при закрытом клапане К1:
а) включить тумблер «мех.насос»;
б) перевести распределитель в положение «В». При этом в рабочий объем поста через клапан К5 напускается воздух, давая возможность провести загрузку рабочего режима;
в) установить испарители и подложки. Одновременно производится откачка диффузионного насоса через клапан К3;
г) перевести распределитель в положение «ПВ». При этом производится откачка форвакуумным насосом из рабочего объема через открытый клапан К2;
д) включить воду для охлаждения диффузионного насоса и включить тумблер «насос В.Р.»;
е) включить тумблер «вакуумметр», реостатом «накал вакуумметра» установить рабочий ток измерительной лампы 120 мА и произвести откачку рабочего объема до 1,3 Па (2 мВ по шкале вакуумметра);
ж) перевести распределитель в положение «ВВ». При этом откачка из рабочего объема производится через клапаны К3 и К4. Произвести откачку рабочего объема до высокого вакуума.
Схема вакуумного поста ЭВП-2 представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема вакуумного поста ЭВП-2: К1 – К5 – клапаны;
РО – рабочий объем; ФН – форвакуумный насос;
ДН ‑ диффузионный насос; БФ – баллон форвакуумный
Состояние клапанов в зависимости от положения ручки распределителя представлено в таблице («О» – открыт; «З» – закрыт).
Таблица
| Положение ручки распределителя | Клапаны | ||||
| К1 | К2 | К3 | К4 | К5 | |
| В | |||||
| ПВ | |||||
| ВВ |
Задание № 2
Произвести напыление пленки алюминия (или другого металла) на подложку из ситалла или стекла:
а) подготовить подложку для напыления, для чего прокипятить подложки в изопропиловом спирте 5 мин и обработать в парах изопропилового спирта в течение 3 мин. Метод контроля чистоты поверхности сводится к следующему: при обработке подложки в парах изопропилового спирта на поверхности, содержащей микрозагрязнения, мельчайшие капли спирта не сливаются в сплошную пленку и поверхность выглядит вспотевшей;
б) рассчитать навеску испаряемого (напыляемого) металла, необходимую для получения пленки требуемой толщины. Массу испаряемого металла рассчитывают по формуле
, (5)
где т – масса испаряемого материала; ρ – плотность; h – средняя толщина пленки; R – расстояние от подложки до испарителя; Θ – угол между нормалью к поверхности подложки и направлением потока частиц.
Объем испаряемого металла рассчитывают по формуле
; (6)
в) согласно описанию включить пост, загрузить испарители, установить подложки и трафареты;
г) произвести последовательно напыление на три подложки, получив при этом тонкие пленки различной толщины (300, 500 и 700 Å);
д) извлечь полученные пленки вместе с подложками, откачать из под колпака воздух и выключить пост в соответствии с инструкцией.
Задание № 3
Измерить сопротивление полученных пленок, рассчитать их удельное сопротивление. Построить график зависимости ρ = f(h) и сравнить полученные значения с удельным сопротивлением массивного образца.
Измерение сопротивления пленок произвести с помощью потенциометра УПИП-60М в следующем порядке:
а) подключить измерительную ячейку с исследуемой пленкой к зажимам «Т1», «П1» и «Т2», «П2» потенциометра; переключатель «род работы» установить в положение «МОСТ 43»;
б) установить выбранный множитель на переключателе отношения плечей «N=»;
в) включить питание;
г) установить стрелку гальванометра на нуль при нажатой кнопке «грубо», а затем при нажатой кнопке «точно» вращением рукояток переключателей «× 1,0 Ώ», «× 0,1 Ώ», «× 0,01 Ώ».
Результат измерения определяется по формуле
, (7)
где RМ – величина сопротивления плеча сравнения.
Удельное сопротивление пленки алюминия или другого металла рассчитывается по формуле
, (8)
где l, а, h – длина, ширина и толщина пленки соответственно (м).
Удельное сопротивление массивного алюминиевого образца ρ = 2,6·10–8 Ом·м.
А1 = 4мм A2 = 4ммR = 60мм
B1 = 30мм В2 = 30мм
С1 = 40мм С2 = 70мм
V = 4ПR2h
h1 = A1*B1*C1 / 4ПR2 = 0,0000048 / 0,045216 = 0,1 *10-4
h2 = A2*B2*C2 / 4ПR2 = 0,0000084 / 0,045216 = 0,1*10-4
R1 = 1Ом R2 = 0,6Ом S = 20 L = 60мм
p1 = R*S/ L = 0,3 *10-3Ом*м
p2 = 0.18 * 10-3Ом*м
Вывод: В этой лабораторной работы я освоил технологический процесс нанесения металлических пленок методом термического испарения в вакууме и экспериментальное исследование зависимости удельного сопротивления тонких пленок от толщины.