Характеристики резистивных материалов и тонкопленочных резисторов на их основе

Материал резистив-ного слоя	Удельное поверхностное сопротивление ρs, Ом/м2.	Диапазон номинальных сопротивлений Ом	ТКС, х10-4 град-1 (при Т=-60...+125°С)
Тантал	10-100	(0,1-10)∙103	-2
Сплавы: Нихром МЛТ-3М РС-3710 К-50С	50-300 300-500 (1 -3) ∙ 103 (3- 10) ∙103	(0,001-50) ∙103 (0,05 - 50) ∙103 (1-200) ∙103 (0,1-1000) ∙104	+1...-2.25 +2 -3 +3...-4

Контроль технологических параметров в процессе напыления тонких пленок

В процессе напыления тонких пленок обычно контролируют скорость осаждения, толщину и номинальное сопротивление пленок, а также температуру подложки и

степень вакуума. Кроме того, постоянно контролируются электрические параметры испарителей.

Для контроля скорости осаждения и толщины пленок в производстве МСБ широко применяются приборы, основанные на использовании ионизационного, резонансно-частотного, емкостного и резистивного методов измерения.

Ионизационный методзаключается в ионизации потока пара испаряемого вещества электронами, эмиттируемыми катодом, с последующим измерением ионного тока, пропорционального плотности пара вещества, проходящего через рабочий объем датчика (при этом учитывается фоновый ток ионизирующихся остаточных газов вакуумной камеры). Таким образом, по значению ионного тока судят о скорости осаждения и толщине осаждаемой пленки.

Резонансно-частотный методсостоит в измерении изменения частоты колебаний кварцевого датчика (пьезоэлектрического кристалла) при осаждении на его поверхность пленки испаряемого вещества. Толщина пленки h определяется из соотношения

где m₀ - масса и f₀ - резонансная частота кварцевого кристалла до нанесения пленки; F - площадь кристалла кварца; γ- плотность материала осаждаемой пленки; Δf - изменение резонансной частоты после нанесения пленки. Выбор рабочей частоты пьезоэлектрического датчика зависит от диапазона толщин измеряемых пленок. Данный метод позволяет определять толщину осаждаемой пленки в диапазоне 0,01 -5 мкм с точностью ±10%, а также скорость нанесения пленок из проводящих и диэлектрических материалов.

Емкостной метод основан на измерении емкости плоского конденсатора при осаждении на него пленки диэлектрика. Емкость конденсатора С изменяется вследствие изменения толщины напыляемого материала

при этом

где ε- диэлектрическая проницаемость материала осаждаемой пленки; С₀ - начальная емкость конденсатора. При малых толщинах диэлектрических пленок изменение емкости от толщины диэлектрика носит линейный характер. Возможности этого метода ограничены: он пригоден для определения толщины только диэлектрических пленок.

Основной источник погрешностей перечисленных методов – это зависимость свойств напыляемых плевок и самого процесса осаждения от множества технологических факторов (геометрических, физико-химических и др.). При выборе методе важно учитывать трудности установкой охлаждения датчиков в зоне испарения материала, а также необходимость очистки датчиков после каждого процесса осаждения пленок.

Резистивный методоснован на измерении электрического сопротивления пленки постоянному току в зависимости от ее толщины (см. рис.1). Данный метод можно использовать для оценки толщины пленки по ее электрическому сопротивлению. Толщина пленок после их напыления измеряется с помощью интерференционного микроскопа, а номинал сопротивлений пленочных элементов - омметром.

Для измерения электрического сопротивления пленки в процессе ее осаждения обычно как можно ближе к подложке устанавливается "свидетель" из ситалла в виде квадратной пластины, на краях которой имеются контактные площадки, соединенные с измерительным прибором (например, омметром). Толщина пленки вычисляется по формуле

где ρ- объемное удельное сопротивление осаждаемого материала; l, b -соответственно длина и ширина пленки; R_св - сопротивление пленки на "свидетеле" между его контактными площадками.

Измерение температуры подложки. Подложка нагревается радиационным способом, а ее температура контролируется с помощью термопары либо датчика-терморезистора.

Для получения качественных тонкопленочных элементов важно на протяжении всего процесса их формирования контролировать величину остаточного давления в рабочей камере, т.е. степень вакуума, преимущественно определяющую стехиометрию состава и воспроизводимость электрофизических параметров пленочных структур.

Измерение вакуума. В вакуумной технике для измерения низких давлений пользуются приборами, получившими общее название манометров или вакуумметров.

Наиболее распространенными манометрами вследствие надежности, простоты неточности измерения являются термопарный и ионизационный.

Термопарный манометр. Принцип действия данного манометра основан на зависимости теплопроводности остаточного газа от его плотности, т.е. давления. Эта зависимость наиболее сильно проявляется при разрежении газа в интервале давлений 0,13 -1,3∙10³

На рис.5 приведена схема термопарного манометра, состоящего из преобразователя давления, который называют манометрической лампой, и измерительного блока.

Манометрическая лампа представляет собой стеклянный или металлический баллон 1 с трубкой 2 для подсоединения к вакуумной системе. Внутри баллона содержится нагреваемая электрическим током нить 3, температура которой измеряется с помощью термопары 4. Спай термопары 5 приварен к середине нити. Величина тока может регулироваться потенциометром и измеряться миллиамперметром, а во время измерений поддерживается постоянной. Температура нагреваемой током нити и спая термопары, а следовательно ЭДС термопары, зависит от интенсивности и механизма теплообмена с окружающей средой. Теплообмен происходит за счет теплопроводности газа и излучательной способности нити накала. Механизм излучения не зависит от давления. Поэтому для повышения чувствительности прибора требуется свести к минимуму потери на излучение. С этой целью подогреватель изготавливают из материала с низкой излучательной способностью, например вольфрама или платины.

Температура нити накала достигает максимального значения 200 °С при давлении газа около 0,13 Па. В области более низких давлений теплообмен идет преимущественно за счет излучения, вследствие чего с изменением давления температура спая изменяется ничтожно мало. Зависимость изменения термоЭДС от давления является нелинейной, но величина давления может быть получена непосредственно по показаниям предварительно откалиброванного милливольтметра.

Ионизационный манометр. Этот манометр предназначен для измерения давлений ниже 0,13 Па. Принцип действия его основан на ионизации молекул остаточных газов электронами, эмиттируемыми накаленным катодом, и измерении ионного тока, величина которого зависит от давления газа.

Соотношение между ионным током I_i, током эмиссии электронов I_e и давлением газа р определяется формулой

где λ- длина пути электрона в манометрической лампе; σ - вероятность ионизации.

Параметром прибора является постоянная ионизации

На рис.6 показано устройство манометрической лампы ионизационного манометра, которая представляет собой стеклянный баллон с трубкой для подсоединения к вакуумной системе. Внутри баллона на выводах 1, 5 смонтированы три электрода: катод 2, положительно заряженная сетка 3 и коллектор ионов 4, выполненный в виде цилиндра.

Электроны, эмиттированные катодом, ускоряются в направлении к сетке, находящейся под потенциалом 180 В, и значительная их часть пролетает сквозь нее. В пространстве между сеткой и коллектором электроны попадают в тормозящее поле коллектора (-30 В) и изменяют направление своего движения на обратное. В результате электроны совершают колебательные движения, ионизируя молекулы газа до тех пор, пока не попадут на сетку. При этом образующиеся положительные ионы устремляются к коллектору, создавая ионный ток. При постоянном эмиссионном токе величина ионного тока пропорциональна давлению газа в манометре, и чем ниже это давление, тем меньше молекул сталкивается с электронами и тем меньше ионный ток.

Диапазон измеряемых давлений ионизационным манометром составляет 1,33∙10^-6 - 0,13 Па. Промышленный вакуумметр ионизационно-термопарный ВИТ позволяет измерять давление в пределах 1,33∙10^-6 - 1,33-10³ Па с погрешностью не более 0,5%.