 |
Современные методы получения тонкопленочных структур
|
|
|
|
Технология напыления тонких пленок
В настоящее время на производственных предприятиях микроэлектронной промышленности выявляется потребность в нанесении тонких металлических и диэлектрических пленок на различные поверхности. Тонкие пленки широко применяются в качестве упрочняющих, светоотражающих, проводящих и диэлектрических покрытий. Чаще всего данные виды работ ведутся в НИИ для получения и исследования новых перспективных материалов как для микроэлектронной промышленности, так и для устройств наноэлектроники.
Самое простое применение тонких пленок — декоративное — создание зеркал и покрытий для ювелирных изделий. Однако, в основном, покрытия малых толщин используются в НИИ для изучения электрических свойств новых материалов при формировании контактов; при нанесении резистивных и проводящих покрытий в промышленности и при изготовлении элементов интегральных микросхем в микроэлектронике; в создании светофильтров, отражающих и светопроводящих покрытий оптоэлектроники; современных литографических процессах.
Современные методы получения тонкопленочных структур
В последние годы, благодаря интенсивным экспериментальным и теоретическим исследованиям, в технологии тонких пленок достигнут значительный прогресс. В зависимости от решаемой задачи, в распоряжении исследователей имеются различные методики получения образцов, гарантирующие воспроизводимые и стабильные характеристики конечного продукта.
| Таблица 1. Методы нанесения тонкопленочных покрытий | ||||
| Наименование метода | Условия реализации метода | Основные виды покрытий | Преимущества метода | Недостатки метода |
| Термовакуумное (резистивное) испарение | Рабочая среда: вакуум 10-2...10-3 Па. Испарение металлов резистивным нагреванием | Металлические покрытия: Al, Ag, Cu, Zn, Cd, Cr, Ni, Co, Si | Высокая скорость осаждения. Возможность получения толстых покрытий | Недостаточно плотная структура покрытий. Невысокие механические свойства. Невозможность получения тугоплавких поверхностей |
| Электронно-лучевое испарение | Рабочая среда: вакуум 10-4...10-3 Па реактив. газы N2, O2, CH4. Испарение металлов сфокусированным электронным пучком с дополнительной ионизацией | Металлические покрытия: Al, Ag, Cu,Ti, Cr, Ni, Co, Si Керамические покрытия: TiN, ZrN, TiC, ZrC, TiCN, ZrCN, Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2, ZrO2/Y2O3 | Высокая скорость осаждения. Возможность получения толстых покрытий (до 200 мкм). Высокая чистота покрытий (минимум примесей) | Трудно обеспечить равномерность толщины и стехиометрии на изделиях сложной конфигурации. Низкая степень загрузки изделиями объема рабочей камеры |
| Лазерное испарение (абляция) | Рабочая среда: вакуум 10-5...10-3 Па. Испарение материалов различного состава лазерным импульсом длительностью от мкс до фс. | Покрытия для микроэлектроники: Sb2S3, As2S3, SrTiO3, BaTiO3, GaAs Алмазоподобные покрытия (DLC) с высокими характеристиками | Получение покрытий сложных соединений Высокая чистота покрытий (минимум примесей) | Сложность реализации |
| Вакуумно-дуговое испарение | Рабочая среда: вакуум 10-3...10-2 Па. Реактив. газы N2, O2, CH4; Р = 0,01...1 Па, Т = 300...600°С. Испарение металлов в катодном пятне дугового разряда. Осаждение покрытий с высокой степенью ионного воздействия | Металлические покрытия: Ti, Zr, Hf, Cr, Ta, Ni, Co,Si, MCrAlY (M=Ni, Co) Керамические покрытия: TiN, ZrN, CrN, TiC, TiCN, ZrCN, TiAlN, AlCrN, TiO2, ZrO2 Нанокомпозиты: TiAlN/Si3N4, AlCrN/Si3N4. Покрытия DLC | Высокая скорость осаждения. Относительная простота технической реализации. Эффективная ионная очистка изделий перед нанесением покрытий. Высокие свойства керамических покрытий | Наличие в структуре покрытий микрокапельной металлической фазы. Относительно высокие температуры осаждения покрытий |
| Магнетронное распыление | Рабочая среда: чистые газы Ar, N2, O2, CH4; Р = 0,05– 1 Па, Т = 60...6000°С Ионное распыление металлов в магнетронном разряде | Полный спектр металлических покрытий: Al, Ag, Au,Cu, Zn, Sn, Cd Ti, Zr, Hf, Cr, Ta, Ni, Co, Si, MCrAlY (M=Ni, Co) и др. Керамические покрытия: TiN, ZrN, CrN, TiC, TiCN, ZrОN, TiAlN, AlCrN, TiBN CrAlTiYN, TiO2, ZrO2, Al2O3, SiO2. Нанокомпозиты: 3D: TiAlN/Si3N4, TiN/BN, AlCrN/Si3N4, ZrN/Cu, ZrO2/Al2O3. 2D: TiN/NbN, TiN/CrN, TiN/AlN, CrN/AlN, TiN/CN. Покрытия DLC | Плотная микро- (нано-) кристаллическая структура металлических и керамических покрытий при полном отсутствии капельной фазы Возможность нанесения покрытий на термочувствительные материалы при низких температурах Наиболее широкий спектр покрытий различного назначения; высокая скорость осаждения; высокие свойства металлических и керамических покрытий. Большая производительность. | Относительная сложность технической реализации метода при получении реактивных (керамических) покрытий. Относительно высокая стоимость оборудования. Разброс по удельному сопротивлению на разных подложках. |
|
|
|
|
|
|
Методы получения пленок подразделяются на физические (PVD — Physical Vapor Deposition), химические и промежуточные газофазные химические методы (CVD — Chemical Vapor Deposition). Все методы нанесения пленок характеризуются такими параметрами как скорость получения покрытий и диапазон достигаемых толщин. Для РVD и CVD эти параметры, соответственно, обычно находятся в пределах 1…1000 мкм/ч и 0,01…10 (100) мкм. Для химических методов они составляют 100…1000 мкм/ч и 0,1…1000 мкм; для взрывных (детонационных) и плазменных методов — до 10…100 мм/ч и 0,1…10 мм, соответственно.
Процесс получения пленочных покрытий сопровождается рядом специфических явлений. Рост пленки происходит в два этапа: образование зародыша на поверхности подложки и рост зародыша. При взаимодействии двух атомов друг с другом между ними может возникнуть химическая связь. В результате атомы дольше остаются на поверхности и успевают присоединить следующий атом и т.д. Так образуются скопления адсорбированных атомов, более длительное время связанных с подложкой и имеющих тенденцию к дальнейшему росту, который происходит за счет присоединения мигрирующих по поверхности атомов, падающих атомов и более мелких кластеров. Таким образом, на поверхности формируется сеть объединенных кластеров, затем происходит их объединение, и образуется сплошная пленка. При этом в зависимости от скорости осаждения, природы подложки и типа осаждаемого материала возможны три типа роста пленки:
|
|
|
– островковый рост;
– послойный рост;
– послойно-островковый, или смешанный рост.
Тип роста определяется взаимодействием атомов пленки с атомами подложки и между собой. Островковый рост происходит, если осаждаемые атомы напыляемой пленки сильнее взаимодействуют между собой, чем с атомами подложки. Послойный рост происходит при образовании больших по площади двумерных зародышей на поверхности подложки вследствие того, что атомы напыляемого материала сильнее связываются с атомами подложки. Послойно-островковый рост имеет место, когда островки начинают расти после того, как сформируется пленка толщиной в несколько атомных монослоев.
Рассмотрим особенности методов магнетронного распыления и термовакуумного испарения на примере установки УВН-75Р-1. Распыляемая мишень помещена в отдельную камеру с автономными ионными источниками. Кроме того, введен принцип группового осаждения пленки на подложки. Вращающиеся барабаны с подложками размещены в основном колпаке и поочередно вводятся в зону осаждения в табл. 2 приведены основные технологические данные этой установки.
Таблица 2. Технологические характеристики установки УВН-75Р-1
| Распыляемый материал | |
| Количество загруженных подложек, шт. | |
| Размер подложек, мм | 48*60 |
| Предельный Предварительный вакуум, мм рт. ст. | 7*10-7 |
| Рабочий вакуум, мм рт. ст. | 10-2 – 5*10-4 |
| Максимальный ток дугового разряда, а | |
| Напряжение на мишени, кв: а) постоянное б) с частотой 1,76 МГц | |
| Ток на мишени, ма | |
| Напряжение на электронную пушку, кв | 6-10 |
| Производительность, см2/г | 5*106 |
Как видно из таблицы 2, в установке УВН-75Р-1 к ионному распылению добавлена электроннолучевая пушка для термического испарения материала, что значительно расширяет ее технологические возможности рис.1.
Рис. 1. Внешний вид установки УВН-75Р-1
|
|
|
