Установки для нанесения тонких пленок в вакууме

В производстве ИС вакуумным нанесением тонких пленок мож­но получать проводники и контактные площадки, тонкопленочные резисторы, конденсаторы, индуктивные элементы, диэлектрические покрытия и магнитные пленки, полупроводниковые структуры ИС. В качестве материалов пленки используются металлы, диэлектри­ки, полупроводниковые и магнитные сплавы и соединения.

Основными характеристиками тонких пленок является их структура, размер зерна, чистота, адгезия к подложке, механичес­кие напряжения и т. д., которые определяются параметрами технологического процесса и оборудования для нанесения пленок.

Существуют два вакуумных метода нанесения тонких пленок, различающихся по способу генерации потока частиц: метод тер­мического испарения и метод распыления материалов ионной бом­бардировкой. Сущность метода термического испарения (рисунок ниже) состоит в нагреве материала в специальном испарителе 2 до температуры, при которой начинается заметный процесс испа­рения и последующая конденсация паров материала в виде тонкой пленки на поверхности подложек 5, расположенных на подложко-держателе 4 на некотором расстоянии от испарителя 2. Для управ­ления началом и окончанием процесса осаждения служит заслон­ка 6, которая может перекрывать поток испаренных частиц 3.

Метод тер­мического испарения

Сущность метода ионного распыления (рисунок ниже) состоит в бомбардировке быстрыми частицами (обычно положительно за­ряженными ионами инертных газов) 10 мишени 11, изготовленной из осаждаемого материала. Выбиваемые в результате бомбарди­ровки с поверхности мишени атомы или молекулы 12 покидают ее и осаждаются в виде тонкой пленки на поверхности подложек 13, расположенных на некотором расстоянии напротив мишени. Поло­жительно заряженные ионы отбираются из плазмы 9 за счет ус­коряющего напряжения, приложенного к мишени11. На подложкодержатель 8 может подаваться напряжение смещения для очи­стки пленки «медленными» ионами.

Метод распыления материалов ионной бом­бардировкой

Газовый разряд зажигается в пространстве вакуумной камеры 7 при напуске через натекатель VF3 рабочего газа до давления от 10 до 5 *10^-2 Па и подаче высокого (несколько киловольт) напря­жения на мишень 11. Для повышения качества пленок, получае­мых методом ионного распыления, также желателен безмасляный вакуум. Для получения невысокого, но безмасляного вакуума наи­более перспективен криосорбционный насос на основе криогенератора, который может работать стабильно в диапазоне давлений 10.. 10^-2Па, необходимых для устойчивого горения газового разряда.

Всхеме в качестве насоса окончательной откачки применен криосорбционный насос NC. Для предварительной от­качки используется механический безмасляный насос NV поршне­вого типа. Управление работой вакуумной системы осуществля­ется клапанами VA1...VA3, натекателями VF1 и VF2, вакууммет­рами РА и РТ.

И термическое испарение, и ионное распыление широко приме­няются в производстве ИС. Каждому из этих методов присущи свои преимущества и недостатки.

При использовании метода термического испарения основным фактором, определяющим эксплуатационные особенности и конст­рукцию установок, является способ нагрева испаряемых материа­лов. По этому признаку различают следующие типы испарителей: резистивные, электронно-лучевые, индукционные, дуговые и лазер­ные.

Самыми простыми по конструкции и доступными являются ис­парители резистивного типа (рисунок ниже).

По конструктивным признакам резистивные испарители разделяют на проволочные, ленточные и тигельные.

Испарители

Метод нагрева электронной бомбардировкой может быть реа­лизован в виде облучения металлического тигля 11 (рис. ж), включенного как анод. При этом энергия электронов, эмиттированных катодом 12 и сфокусированных экраном 13, преобразует­ся в тепловую, выделяемую на тигле 11.

С помощью электронных пучков (рис. з) можно получить поток энергии с большой плотностью мощности на сравнитель­но небольшой поверхности испарения — до 5*10⁸ Вт/см². Прак­тически точечная фокусировка пучка позволяет получить очень высокую температуру, что дает возможность испарять любые, даже самые тугоплавкие, материалы с достаточно большой ско­ростью испарения. К недостаткам метода следует от­нести наличие высокого напряжения (~10 кВ), что требует соб­людения условий безопасной работы.

Испарение материалов в дуговых —испарителях (рис. и) осуществляется из областей быстроперемещающихся по поверх­ности катода 22 микропятен, число которых пропорционально то­ку разряда. Микропятна являются интенсивными источниками пара благодаря высокой плотности тока в пятне (10⁵... 10⁷ А/см²). Высокая концентрация мощности в катодном пятне (10⁷...10⁸ Вт/см²) позволяет получать пленки из сплавов с со­хранением стехиометрического состава. Область катодного пят­на является сосредоточенным источником тепла, приводящим за очень короткое время к возникновению температуры, значительно превышающей температуру испарения составляющих сплава.

Процесс формирования пленок при ионном распылении ха­рактеризуется тем, что скорость осаждения, как правило, ниже, чем при термическом испарении, осаждение пленок происходит в разряде, распыление производится в низком вакууме. Методами ионного распыления возможно получение пленок такого же слож­ного состава, как и исходный материал, даже тогда, когда коэф­фициенты распыления отдельных компонентов различаются меж­ду собой.