Технология материалов и изделий электронной техники

Лабораторная работа № 4. Получение пленок методом ионно-плазменного распыления

Метод катодного распыления имеет четыре разновидности:

1. Катодное распыление (диодная система, представленная в работе №3).

2. Ионно-плазменное распыление (триодная система).

3. Катодное распыление с применением распылителя магнетронного типа.

4. Катодное реактивное распыление.

Методы катодного распыления, как уже отмечалось выше, имеют ряд преимуществ перед термическим испарением в глубоком вакууме. Все системы обеспечивают применение массивных и однородных по химическому составу мишеней; имеется возможность управления распылением с помощью изменения величины ионного тока и напряжения на мишени и поддержание этих параметров постоянными, в результате чего пленки получаются со стабильными и воспроизводимыми характеристиками. Кроме того, обеспечивается лучшая, чем при методе термического испарения, адгезия пленки к подложке.

Как уже отмечалось, сущность метода катодного распыления состоит во взаимодействии ускоренного потока ионов с поверхностью мишени, вследствие чего поверхностные атомы мишени распыляются в окружающее пространство. Наряду с видимой простотой, катодное распыление является весьма сложным процессом, поскольку сопровождается одновременно многочисленными физическими и химическими явлениями как на поверхности распыляемой мишени и на поверхности подложки, так и в пространстве мишень-подложка. Эти процессы взаимосвязаны, и изменение тех или иных условий проведения распыления существенно влияет на свойство полученной пленки.

Важнейшей характеристикой процесса распыления является коэффициент распыления S:

где k-коэффициент, характеризующий состояние поверхности мишени; m₁ и m₂-массы налетающего иона и атома мишени; Е-энергия иона; (Е)-средняя длина свободного пробега иона в материале мишени.

Коэффициент распыления определяется как отношение числа выбитых атомов к числу ионов, падающих на мишень. Величина S для металлов в твердом и жидком состоянии отличается не очень сильно. Исключение составляет область высоких температур, при которых становится существенным термическое испарение материала мишени.

В некотором диапазоне энергий зависимостью от энергии можно пренебречь, и коэффициент распыления будет пропорционален энергии ионов. Однако при увеличении энергии длина свободного пробега увеличивается, и S достигает максимального значения, причем положение максимума сильно зависит от массы ионов и соответствует диапазону от 10³ эВ для легких ионов водорода или гелия до 10⁵ эВ для тяжелых ионов. При дальнейшем повышении энергии S начинает уменьшаться в связи с резким увеличением длины свободного пробега, т.е. переходом из области катодного распыления в область ионной имплантации. Энергетический спектр атомарного потока при катодном распылении определяется условиями проведения процесса. Основная масса распыленных атомов имеет энергию от нескольких единиц до нескольких десятков эВ. Процесс переноса вещества при катодном распылении в отличие от вакуумно-термического испарения уже не является кинетическим, т.к. рабочее давление в камере составляет обычно от 10^-1 - 10^-2 торр, а длина свободного пробега частиц падает соответственно до 0,05-5 см и становится соизмеримой с расстоянием источник-подложка. При этом механизм переноса является диффузионно-кинетическим или даже диффузионным, когда скорость процесса зависит от концентрации частиц и их коэффициента диффузии в газовой фазе.

Простейшей системой катодного распыления является диодная система, в которой тлеющий разряд поддерживается за счет ионно-электронной эмиссии. Основным преимуществом этой системы является простота и возможность создания равномерной плотности плазмы в большом объеме прикатодного пространства, что позволяет получить равномерные покрытия на большой площади.

Недостатком метода является узкий диапазон рабочих давлений, определяемых условием возникновения и поддержания тлеющего разряда. Чистота катодно осажденных пленок тем выше, чем ниже парциальное давление активных газов в камере распыления и чем выше скорость осаждения. Скорость формирования пленки находится в зависимости от давления в камере Р, плотности тока на мишень j_м и ускоряющего потенциала U_м.

Поэтому для достижения больших скоростей осаждения необходимо снизить давление в камере с тем, чтобы свободный пробег атомарных частиц был больше расстояния мишень-подложка и повысить плотность ионного тока на распыляемую мишень для увеличения плотности атомарного потока. Эти условия можно выполнить в том случае, когда горение разряда будет поддерживаться дополнительным источником электронов.

Триодная система или система ионно-плазменного распыления состоит из трех независимо управляемых электродов (рис.10): источника электронов (1), анода (2) и мишени (3). В качестве источника электронов используется вольфрамовый термокатод. Мишенью служит распыляемый материал. Между катодом и анодом прикладывается напряжение (100-200 В). Затем в рабочую камеру напускается рабочий газ до давления 10^-3 торр и возбуждается разряд.

Пока мишень находится под потенциалом плазмы, направленной бомбардировки ее поверхности не происходит. Тем не менее, возникающие в разряде ионы с низкой энергией при своем хаотическом движении могут бомбардировать и мишень, и подложку. При этом удаляются загрязнения, которые остались после предварительной химической обработки. Когда на мишень подается отрицательный потенциал (до 4000 В), положительные ионы бомбардируют ее поверхность с энергией, достаточной для распыления. Ионы легко теряют свою кинетическую энергию при соударениях с атомами газа, так как массы сталкивающихся частиц практически равны. Поэтому ионы

Рис.10. Схема трехэлектродной системы распыления

достигают мишени с энергией, приобретенной ими в электрическом поле на последней длине свободного пробега перед нею, т.е. с энергией, пропорциональной Е, где Е-напряженность поля у мишени. Эта энергия может быть существенно ниже U_м.

При давлении 10^-3 торр средняя длина свободного пробега равна, например, 50 мм. Поэтому лишь небольшое число распыленных атомов претерпевают столкновения с молекулами и ионами газа в пространстве мишень-подложка. Это приводит к высокой скорости осаждения пленок и заметному уменьшению загрязнения пленки остаточными газами.

Скорость распыления регулируется изменением тока эмиссии термокатода, давлением и напряжением на мишени. При постоянной плотности плазмы скорость распыления регулируется только напряжением на мишени и может изменяться в широких пределах. С одной стороны, это обеспечивает широкий диапазон варьирования скоростей напыления, а с другой - может обусловить невоспроизводимость процесса образования пленок. В связи с этим целесообразным является такой режим работы системы распыления, когда регулирование скорости осуществляется одним параметром.

Таким образом, можно указать на следующие преимущества триодной системы распыления по сравнению с диодной:

1) достигаются более высокие скорости осаждения;

2) уменьшается пористость и повышается чистота пленок;

3) осуществляется более гибкое управление процессом осаждения;

4) полученные пленки обладают лучшей адгезией к подложке.

Экспериментальная установка, изображенная на рис.11, позволяет получить металлические и диэлектрические пленки методом ионно-плазменного распыления.

Рабочая камера (9) имеет форму цилиндра и выполнена из нержавеющей стали. Сверху она закрывается стеклянным колпаком (6) с резиновым уплотнением (8). В боковой камере (11) расположен вольфрамовый термокатод (10), который разогревается пропусканием по нему тока до температуры 2800° С, достаточной для требуемой эмиссии электронов. Полый цилиндрический анод (3) изготовлен из нержавеющей стали. Катодные выводы (12) и анод имеют водяное охлаждение, необходимое для предохранения от перегрева.

Мишенью служат распыляемый материал (2). Она расположена в нижней части рабочей камеры. Диаметр мишени равен 50 мм. С нерабочей стороны она закрыта экраном (1), имеющим нулевой потенциал. Расстояние между мишенью и экраном везде меньше длины темного катодного пространства. Это необходимое условие для того, чтобы между экраном и мишенью не зажегся разряд.

Устройство для крепления подложек состоит из диска (7), на котором расположено несколько подложек. Диск приводится во вращение электромотором (5). Это позволяет последовательно получать пленки на всех подложках в едином цикле без разгерметизации вакуумной камеры. Расстояние между мишенью и подложками составляет 90 мм.



Рис.11. Схема экспериментальной установки ионно-плазменного распыления

Напуск рабочего газа в систему осуществляется через штуцер (13), а напуск атмосферы для разгерметизации камеры - вентилем (14).

Вакуумная схема установки, изображенная на рис.12, состоит из рабочей камеры (1), системы откачки и напуска рабочего газа. Откачка осуществляется форвакуумным насосом (4) типа 3 НВР-1Д и диффузионным насосом (7) типа Tungsram. Напуск плазмообразующего газа осуществляется и регулируется с помощью игольчатого натекателя (2) типа НК-2Р. Давление в системе измеряется вакууметром ВИТ-2 сдатчиком ПМТ-2 (10). Ручки управления вакуумными коммуникациями "Затвор диф. насоса" (8), "Байпас" (6), "Напуск воздуха в насос" (3) и "Форвакуум" (5) выведены на переднюю стенку каркаса.

Рис.12. Вакуумная схема установки ионно-плазменного распыления



Рис. 13. Пульт управления установкой ионно-плазменного распыления

На пульте управления установкой расположено (рис.13):

1-кнопка отключения форвакуумного насоса;

2-кнопка включения форвакуумного насоса;

3-индикатор включения форвакуумного насоса;

4-тумблер "Накал катода";

5-индикатор включения накала катода;

6-индикатор "Затвор диф. насоса открыт";

7-индикатор "Затвор диф. насоса закрыт";

8-прибор "Ток мишени";

9-прибор "Напряжение на мишени";

10-прибор "Ток разряда";

11-прибор "Напряжение разряда";

12-тумблер "Разряд";

13-ручка "Регулировка тока разряда";

14-индикатор включения разряда;

15-тумблер "Мишень";

16-ручка "Регулировка тока мишени";

17-индикатор включения мишени.

Исследование основных закономерностей ионно-плазменного распыления

Задание

1. В качестве мишени использовать диск из Fe, Ni, Cu, Mo, V (по заданию преподавателя).

2. Получить зависимость скорости осаждения пленки (V_oc) или толщины (d) от следующих параметров:

a) d=f(t) при U_м=const, I_р= const, Р= const;

б) V_ос=f(U_м) при I_р= const, Р= const, t = const;

в) V_ос=f(I_p) при U_м=const, Р= const,t = const.

Параметры процесса распыления должны задаваться преподавателем и находиться в следующих пределах:

время распыления t - 1 - 20 мин;

ток разряда I_p - 200-600 мА

напряжение мишени U_м - 800-3200 В;

давление газа Р - 70-90 дел.

В качестве плазмообразующего газа использовать аргон с содержанием примесей 0,05%.

Порядок выполнения работы

Внимание!

Работать на установке, строго выполняя все пункты инструкции.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

1. Во избежание поражения электрическим током при включенной установке не прикасаться к выводам анода и мишени.

2. При откачке вакуумной системы стеклянный колпак должен быть накрыт защитной сеткой.

Получить стеклянные подложки, обработать их, как в предыдущих работах, и закрепить в держателе. Закрыть систему колпаком.

Исходное положение:

Вентили "Байпас", "Форвакуум", "Затвор диф. насоса" - закрыты. Вентиль "Напуск воздуха в насос" - открыт. Все тумблеры выключены, ручки "Регулировка тока разряда" и "Регулировка тока мишени" - в крайнем левом положении (выведены). Натекатель и кран "Напуск воздуха в систему" - закрыты.

Включение установки

1. Закрыть вентиль "Напуск воздуха в насос".

2. Открыть воду (средний кран на стене). Высота фонтанчика - до отметки на стеклянной колбе.

З. Включить форвакуумный насос нажатием верхней кнопки "Форвакуумный насос". При этом загорается зеленый индикатор над кнопкой и белый индикатор "Затвор диф. насоса закрыт".

4. Открыть вентили "Фор. насос" и "Байпас".

5. Открыть вентиль "Затвор диф. насоса" вращением его против часовой стрелки. При этом загорается красный индикатор "Затвор диф. насоса открыт".

6. Закрыть вентиль "Байпас".

7. Когда давление в системе достигнет 10^-1 торр или 12 дел. по шкале вакууметра, включить тумблер "Диф. насос". При этом загорается зеленый индикатор.

8. Откачать систему до предельного вакуума (примерно, 5·10^-5 торр).

9. С помощью натекателя установить требуемое давление рабочего газа.

10. Включить тумблер "Накал катода". При этом загорается зеленый индикатор. За счет газовыделений с катода величина вакуума может ухудшиться. После обезгаживания катода давление в системе должно восстановиться.

11. Включить тумблер "Разряд". Загорается зеленый индикатор.

12. Поворачивая ручку "Регулировка тока разряда" установить требуемый ток. В момент зажигания разряда значение вакуума за счет газовыделений со стенок системы может ухудшиться. Если показания вакуумметра при этом упадут ниже 40 дел. - немедленно выключить тумблеры "Разряд" и "Накал катода". Через несколько минут после зажигания разряда давление в системе должно установиться до первоначального значения.

13. Включить тумблер "Мишень". Загорается зеленый индикатор.

14. Плавно поворачивая ручку "Регулировка тока мишени" по часовой стрелке, установить нужное напряжение на мишени. С этого момента начинается процесс распыления мишени и осаждения пленки на подложке.

Во время распыления необходимо постоянно следить за показаниями приборов. При зашкаливании стрелок приборов "Ток разряда" или "Ток мишени" немедленно выключить тумблеры "Разряд" и "Мишень".

15. После получения пленки нужной толщины напряжение на мишени уменьшить до нуля. Выключить тумблер "Мишень". Ручку "Регулировка тока разряда" вывернуть против часовой стрелки до упора. Тумблер "Разряд" выключить. Тумблер "Накал катода" выключить.

16. Закрыть натекатель (до упора).

17. Через 10-15 мин закрыть "Затвор диф. насоса".

I8. Открыть кран "Напуск воздуха в систему".

19. Снять колпак. Извлечь из держателя подложки с пленкой.

В случае необходимости повторного напыления поместить в держатель новые подложки.

20. Закрыть кран "Напуск воздуха в систему".

21. Закрыть камеру колпаком.

22. Закрыть вентиль "Форвакуум".

23. Открыть вентиль "Байпас". Когда давление в системе достигнет величины 10^-1 торр закрыть вентиль "Байпас", открыть вентили "Форвакуум" и "Затвор диф. насоса".

Далее проделать указания пунктов с 8-го по 19-й.

Выключение установки

После пункта 19 выполнить следующее:

24. Поставить колпак на систему.

25. Выключить тумблер "Диф. насос".

26. Через 20 мин закрыть вентиль "Форвакуум" и выключить форвакуумный насос нажатием нижней кнопки "Фор. насос".

27. Открыть вентиль "Напуск воздуха в насос".

28. Закрыть воду.

Лабораторная работа № 5. Получение пленок методом магнетронного распыления

Несмотря на свои широкие возможности метод получения тонких пленок путем термического испарения в вакууме имеет и существенные недостатки: неоднородность по толщине пленок, нанесенных на большие площади, высокая инерционность процессов термоиспарения, трудности с получением пленок ряда сплавов, соединений, тугоплавких металлов и, наконец, недостаточная прочность сцепления пленки с подложкой.

Эти недостатки метода существенно повысили интерес к получению тонких пленок ионной бомбардировкой и стимулировали разработку широкого класса установок этого типа. Ионно-плазменные методы позволяют получать пленки различных металлов, в том числе и тугоплавких, многокомпозиционных сплавов, диэлектриков, полупроводников, т.е. практически всех материалов, используемых в микроэлектронике. Методы эти безинерционны, адгезия пленочных покрытий значительно выше, чем при термическом испарении в вакууме. В работе [2] рассмотрены и другие достоинства ионно-плазменных методов.

Простейшей распылительной установкой является обычная диодная система с тлеющим разрядом. Но из-за высоких давлений проведения процесса, определяемого областью существования тлеющего разряда, практического значения подобные установки не нашли: неконтролируемый состав получаемых пленок, малые скорости их образования, трудности в регулировании самого процесса. Действительно, в тлеющем разряде постоянного тока движение распыляемых частиц имеет диффузионный характер, велико явление обратной диффузии; ионы, бомбардирующие катод, имеют большой разброс по энергиям и неопределенный угол падения. Нельзя независимо изменять плотность ионного тока и величину давления газа в системе. Чтобы поддерживать разряд (проводить процесс) при меньших давлениях газа необходимо повысить эффективность его ионизации имеющимся числом электронов. Этого можно достичь, если тлеющий разряд зажигать в скрещенном магнитном и электрическом полях. Магнитное поле, воздействуя на тлеющий разряд, изменяет главным образом характер движения электронов. Под действием магнитного поля электроны совершают сложные циклоидальные движения по замкнутым траекториям вокруг силовых линий поля. Вблизи поверхности мишени с увеличением напряженности магнитного поля радиус спирали уменьшается. Следовательно, возрастает эффективная длина пути, проходимого электронами. В результате многократных столкновений электронов с атомами рабочего газа (обычно аргона) резко увеличивается степень ионизации газа, и возрастает плотность ионного тока (примерно в 100 раз по сравнению с диодными распылительными системами без магнитного поля), что приводит к существенному (в 50-100 раз) увеличению скорости распыления материала мишени.

Поскольку магнитное поле увеличивает траекторию движения электронов, то, как уже говорилось, возрастает число их столкновений с атомами газа, и можно считать, что наложение магнитного поля эквивалентно увеличению давления газа. В первом приближении эквивалентное давление можно представить следующим образом:

р_э р_о·щ_е·ф_е, где

р_о - рабочее давление в отсутствие магнитного поля;

щ_е - циклотронная частота электрона;

ф_е - время между столкновениями электрона с атомами рабочего газа.

Как показывают расчеты щ_е·ф_е в типичных магнетронных распылительных системах (МРС) 300.

Эффективность процесса плазмообразования в МРС в 5-6 раз выше, чем в диодных без магнитного поля. Энергетическая эффективность процесса распыления, определяемая зависимостью коэффициента распыления от энергии ионов, имеет максимальное значение в диапазоне 300-500 эВ. Давление рабочего газа лежит при этом в пределах от 0,3 до 1,5 Па, разрядный ток составляет 0,25-100 А.

Основными достоинствами МРС является их универсальность (можно получать пленки любых материалов), высокая скорость распыления и возможность ее регулирования в широких пределах. Получаемые пленки имеют высокую чистоту, низкую пористость и высокую адгезию к подложке. Однако в МРС невысокий коэффициент использования материала мишени (25% для плоской мишени), и для его увеличения необходимо усложнять либо форму мишени, либо конструкцию магнитной системы. На поверхности мишени (или между мишенью и анодом) возможно возникновение сильноточных дуг вследствие структурных неоднородностей. А также наличия на поверхности мишени загрязнений или окисных пленок.

Существует большое число разнообразных конструкций магнетронных устройств, отличающихся способом создания магнитного поля (в некоторых случаях его конфигурацией), конструкцией катодного узла и геометрией мишени.

Разработаны три базовые конструкции магнетронных устройств: цилиндрическая, планарная и с кольцевым конусообразным катодом. Все они представляют собой двухэлектродную распылительную систему, т.е. содержат анод и катод-мишень, изготовленный из распыляемого материала и находящийся под отрицательным потенциалом. Для формирования области плазмы используется магнитное поле, силовые линии которого имеют значительную кривизну, проходят через поверхность катода-мишени и должны быть перпендикулярны силовым линиям электрического поля. Зона разряда (плотной плазмы тлеющего разряда низкого давления) представляет собой замкнутую конфигурацию и локализована над определенным участком поверхности катода-мишени в зоне магнитного поля, с которого и происходит интенсивное распыление.

Для нанесения тонких пленок обычно использую плоские (планарные) магнетроны (источники магнетронного распыления), состоящие из следующих основных частей: катодный узел, магнитный блок и анод.

Катодный узел является важнейшим элементом МРС. Он состоит из мишени, выполненной из распыляемого материала и ее водоохлаждаемого держателя. Существует много конструкционных вариантов катодных узлов с прямым или косвенным охлаждением проточной водой. Прямой контакт проточной воды с тыльной стороной мишени обеспечивает максимальную эффективность процесса охлаждения, но применение этого способа ограничено из-за опасности прорыва воды при образовании трещины в мишени или при чрезмерном увеличении зоны эрозии.

Магнитная система состоит из магнита, создающего поле с требуемой индукцией, и полюсных наконечников, непосредственно примыкающих к мишени и обеспечивающих формирование магнитного поля требуемой конфигурации. В качестве источников магнитного поля чаще всего применяются постоянные магниты на основе бариево-стронциевых ферритов, сплавов кобальта с редкоземельными элементами. У этих материалов высокая коэрцитивная сила и остаточная индукция; они могут длительно сохранять эти параметры в нормальных условиях распыления. Ферритовые магниты не подвержены коррозии, что позволяет располагать их внутри водоохлаждаемого катодного узла. Кроме постоянных магнитов применяют и электромагниты, но значительно реже. Необходимость дополнительного сильноточного источника для питания обмоток электромагнита, высокие требования к надежности электрической изоляции, усложняющие конструкцию катодного узла, и некоторые другие факторы приводят к тому, что в промышленных установках для осаждения пленок с помощью МРС предпочитают использовать постоянные магниты.

В нашей лаборатории получение пленок методом магнетронного распыления производится на установке, схема которой представлена на рис. 14.

Принципиальная схема и описание установки

Магнетронная распылительная система (рис.14) смонтирована на металлическом фланце (7), соединенном с вакуумной системой трубопроводом. Распыляемая мишень (катод) (6) толщиной 10 мм и диаметром рабочей части 50 мм изготовлена из меди вакуумной плавки и закрепляется на корпусе магнетрона (9) через резиновое уплотнение прижимным фланцем. Постоянное магнитное поле создается магнитным блоком, состоящим из центрального (8) и периферийных (5) постоянных магнитов, закрепленных на основании блока (10), изготовленного из магнитомягкого материала.



Рис. 14. Магнетронная распылительная система

1 - стеклянный колпак; 2 - подложкодержатель; 3 - дополнительный электрод; 4 - анод; 5 -периферийные магниты; 6 - катод; 7 - фланец; 8 - центральный магнит: 9 - корпус магнетрона; 10 - основание магнитного блока

Магнитный блок создает над поверхностью катода магнитное поле (порядка 0,02-0,05 Тл). Составляющая этого поля параллельна плоскости катода. Мишень магнетрона имеет принудительное охлаждение проточной водой. Анод (4) изготовлен из латунной трубки и также охлаждается проточной водой. Расстояние от катода до анода составляет 25 мм.

Анод и корпус магнетрона закреплены на фланце с помощью изолирующих стоек (на рисунке не показаны). Питание разрядной цепи магнетрона производится от источника постоянного тока с напряжением до 2000 В и максимальным током до 1 А (схема разрядной цепи магнетрона приведена на рис.15).



Рис. 15. Электрическая схема магнетрона

Подложкодержатель (2) расположен от мишени на расстоянии, которое можно изменять в пределах от 35 мм до 90 мм. Стеклянная подложка закрепляется на подложкодержателе с помощью зажимов так, чтобы обеспечивался хороший тепловой контакт подложки с подложкодержателем. Подложкодержатель имеет нулевой потенциал, то есть заземлен. Между подложкодержателем и мишенью магнетрона расположен дополнительный горообразный электрод (3) диаметром 140 мм, изготовленный из меди. Медные трубки охлаждения анода и мишени магнетрона, являющиеся одновременно электрическими выводами этих электродов, изолированы от фланца керамическими изоляторами и герметизированы клеем К-400. Вывод дополнительного электрода также изолирован и герметизирован. Напуск атмосферного воздуха и рабочих газов осуществлялся через трубку, выходной конец которой расположен во фланце магнетронного узла. Давление рабочего газа устанавливается с помощью натекателя.

Вакуумная схема экспериментальной установки (рис.16) состоит из рабочей камеры, системы откачки, системы напуска рабочих газов и средств измерения давления.

Откачка системы осуществляется форвакуумным насосом типа 2НВР-5ДМ (9) и диффузионным насосом типа Н-5С-М (5) до давления мм.рт.ст. Напуск плазмообразующего газа производится с помощью натекателя (2). Давление остаточных и рабочих газов измеряется вакууметром ВИТ-3 с термопарным датчиком типа ПМТ-2.



Рис. 16. Вакуумная схема экспериментальной установки.

1 - объем с рабочим газом; 2 - натекатель; 3 - рабочая камера; 4 - кран "Диффузионный насос"; 5 - диффузионный насос; 6 - кран "Форвакуумный насос"; 7 - кран "Байпас"; 8 -клапан напуска воздуха; 9 - форвакуумный насос; 10 - напуск воздуха в рабочую камеру.

Порядок работы

1. Подготовить стеклянную подложку для нанесения тонкой пленки. Для этого очистить подложку от органической и неорганической примеси содой, затем протравить в хромовой смеси. С помощью краевого угла смачивания определить чистоту подложки.

2. Установить подложку на подложкодержателе.

3. Закрыть колпак.

4. Включить электропитание установки.

5. Включить водяное охлаждение диффузионного насоса.

6. Вакуумные краны привести в следующее положение: "Натекатель" - закрыт, "Байпас" - открыт, краны "Форвакуумный насос" и "Диффузионный насос" - закрыты.

7. Тумблером "Форвакуумный насос" включить форвакуумный насос. При этом загорается индикатор "Форвакуумный насос включен".

8. При достижении давления в системе мм.рт.ст. или 12 делений по шкале вакууметра ВИТ -3 тумблером "Диффузионный насос" включить диффузионный насос. При этом загорается индикатор "Диффузионный насос включен".

9. Вакуумные краны привести в следующее положение: "Натекатель", "Байпас" - закрыты, краны "Форвакуумный насос" и "Диффузионный насос" - открыты.

10. Откачать систему до предельного вакуума (примерно мм.рт.ст.). Строго следить за напором воды.

11. С помощью натекателя установить требуемое давление рабочего газа (примерно 5·10^-3 мм.рт.ст.).

12. Включить тумблер "Высокое напряжение". При этом загорается индикатор "Высокое напряжение включено".

13. Поворачивая ручку ЛАТРа установить требуемое напряжение зажигания, т.е. зажечь разряд. С этого момента начинается процесс распыления мишени и осаждение пленки на подложке.

14. После получения пленки нужной толщины напряжение на мишени ручкой ЛАТРа уменьшить до нуля. Выключить тумблер "Высокое напряжение".

15. "Промыть" вакуумную камеру рабочим газом до остывания подложки, то есть после выключения разряда в течение 5 мин не закрывать натекатель.

16. Закрыть натекатель и кран "Диффузионный насос".

17. Переключить трехходовой кран на емкости с рабочим газом на подачу воздуха.

18. Открыть натекатель, напустить воздух под колпак.

19. Поднять колпак и извлечь подложку.

20. Закрыть колпак.

21. Выключить тумблер "Диффузионный насос".

22. Через 25-30 мин закрыть краны - "Диффузионный насос" и "Форвакуумный насос", выключить форвакуумный насос тумблером "Форвакуумный насос".

23. Закрыть воду.

24. Отключить установку от электросети.

При проведении серии экспериментов смена подложки происходит без выключения насосов. Для этого после пункта 18 выполняется следующая последовательность действий:

19. Поднять колпак, снять подложку с пленкой и установить чистую подложку.

20. Закрыть колпак.

21. Привести краны в следующее положение: "Натекатель", "Диффузионный насос", "Форвакуумный насос" - закрыты; "Байпас" - открыт. Трехходовой кран на емкости с рабочим газом переключить на подачу рабочего газа.

22. При достижении давления в системе 10^-1 мм.рт.ст перейти к п.9. и далее по порядку.

При выполнении данной работы по заданию преподавателя можно выполнить следующее:

1. Определить толщину полученной пленки по методикам, изложенным ниже.

2. Определить скорость напыления пленок.

3. Определить зависимость скорости распыления и толщины пленки от параметров разряда.

4. Определить адгезию пленок к подложке либо методом термоудара, либо воздействием ультразвуковых колебаний. Полученные результаты можно сравнить с результатами аналогичных измерений на пленках, полученных методом термического испарения в вакууме.

Методы изучения свойств полученных пленок

Определение толщины получаемых пленок

Толщина полученной пленки может измеряться разными способами. В данном описании мы приведем лишь один наиболее простой. Масса напыленного вещества m с его плотностью г и объемом V связана известным соотношением:

m = гV или m=ДSг,

где Д - толщина пленки; S - площадь; г - плотность вещества; отсюда

В данном определении толщины мы идем на известное допущение: плотность пленок и плотность массивного металла отличаются друг от друга, однако берутся табличные значения г. Измеряются размеры образца и рассчитывается площадь. Массу осажденного вещества определяют аналитически. Так как в лаборатории чаще других получают пленки Al и Cu, приводим методики для их количественного определения.

Определение меди

Подложку с пленкой помещают в стаканчик на 50 мл, наливают небольшое количество разбавленной азотной кислоты (около 10 мл) и растворяют пленку при нагревании. Полученный раствор охлаждают и переносят в мерную колбу на 100 мл, добавляют 10 мл 10%-го раствора аммиака и доводят до метки дистиллированной водой. Полученный раствор выливают в кювету и делают замер оптической плотности на фотометре ЛМФ-69 на красном светофильтре №2 и кювете l = 20 мм. Замер оптической плотности делается три раза и затем усредняется. Пользуясь калибровочным графиком и полученным значением оптической плотности, находят концентрацию металла С и количество меди в исследуемом растворе: Q=С·100 (мг) (можно ввести поправку на холостой опыт).

Определение алюминия

Подложку с пленкой помещают в стакан на 50 мл, прибавляют 10 мл НCl 1М, растворяют пленку при нагревании. Охлаждают раствор и переносят его в колбу на 100 мл, доводят до метки дистиллированной водой. Отбирают пипеткой 1 мл раствора и помещают в мерную колбу на 50 мл. Добавляют 2 мл 5М НС1, 3 мл раствора крахмала и 5 мл раствора ацетата аммония. Разбавляют примерно до 45 мл, добавляют 2 мл раствора алюминона, перемешивают и нагревают на водяной бане в течение 10 мин. Охлаждают водой до комнатной температуры, доводят до метки дистиллированной водой и определяют прозрачность раствора на приборе ЛМФ-69. При расчете вводится поправка на холостой опыт

D_p - D_x = D_o.

D_p - оптическая плотность рабочего раствора;

D_x - оптическая плотность холостого раствора;

D_o - оптическая плотность истинная.

Зная D_o, находят по калибровочному графику концентрацию металла С и рассчитывают количество алюминия (Q): Q = С·100 (мг).

Исследование оптических свойств тонких пленок

В лаборатории для исследования оптических свойств прозрачных пленок используется спектрофотометр "Specord UV-VIS", предназначенный для работы в ультрафиолетовой и видимой областях спектра и фотометр ЛМФ-72М. Рассмотрим конкретные задачи, которые можно решить, используя фотометрические приборы.

1. Определение показателя преломления прозрачной подложки

Показатель преломления является одной из основных оптических характеристик. Он определяет скорость распространения световой волны в веществе. Знание его необходимо для материалов, используемых в оптике.

При падении излучения интенсивностью I₀ на прозрачную подложку одна часть пучка отражается (I_R), другая проходит через нее (I_T) (рис.17). Не учитывая поглощения излучения внутри подложки, отметим, что доля прошедшего и отраженного излучения зависит от показателя преломления:

Рис. 17. Схематический ход лучей при падении света на прозрачную подложку

Коэффициент пропускания (Т) и коэффициент отражения подложки (R) на длине волны могут быть рассчитаны следующим образом:

где

n_п - показатель преломления подложки на длине волны .

Таким образом, измерив коэффициент пропускания на нужной длине волны, из этого выражения можно получить показатель преломления подложки. Падение света на подложку должно быть близким к нормальному.

2. Определение толщины прозрачной пленки на прозрачной подложке

Для прозрачных тонких диэлектрических и полупроводниковых пленок при падении на них света характерны интерференционные явления (рис.18).



Рис.18. Схематический ход лучей через систему прозрачные пленка-подложка

При определенных условиях при сложении отраженных или прошедших пучков будет наблюдаться интерференция с усилением или с ослаблением интенсивности, и спектр пропускания (отражения) будет выглядеть следующим образом (рис.19).

Рис.19. Спектр пропускания системы пленка-подложка

Не рассматривая математического вывода формул, отметим, что на спектре пропускания системы пленка-подложка при нормальном падении излучения экстремальные значения наблюдаются при условии n_пл·d=m·/4,

где n_пл-показатель преломления пленки;

d-толщина пленки;

m - порядок интерференции;

длина волны в экстремуме.

Максимальные значения коэффициента пропускания соответствуют четным m, минимальные - нечетным. Для двух соседних экстремумов с четным m можно записать:

n_пл·d = m·_m/4=(m+2)· _m+2/4,

_m и _m+2 - длины волн, соответствующие соседним экстремумам с четным m.

Отсюда

Если показатель преломления пленки неизвестен, то его находят из выражения:

где Т-коэффициент пропускания системы пленка-подложка для нечетного m; n_пл - показатель преломления пленки;

n_п - показатель преломления подложки;

Определив m, n_п, n_пл, определяют толщину пленки d.

3. Измерение коэффициента пропускания металлических пленок

В отличие от диэлектриков и полупроводников в металлах большое число электронов слабо связано с атомами металла, и эти электроны считают свободными. Наличием свободных электронов объясняются особенности отражения света от металлической поверхности. Вторичные волны, вызванные вынужденными колебаниями свободных электронов, порождают сильную отраженную волну, интенсивность которой может достигать 95% (и даже больше) интенсивности падающей, и сравнительно слабую волну, идущую внутрь металла. Так как плотность свободных электронов весьма значительна (~ 10²² в 1 см³), то даже очень тонкие слои металла отражают большую часть падающего на них света. Та часть световой энергии, которая проникает внутрь металла, испытывает в нем поглощение.

Какая доля света не пропускается металлом вследствие отражения и какая задерживается в нем благодаря поглощению, зависит от его проводимости. В идеальном проводнике поглощение равно нулю, так что падающий свет полностью отражается. К такому идеалу приближаются серебряные пленки. В металлах хуже проводящих, например, в железе отражение может составлять всего лишь 30-40%, так что непрозрачная пленка железа толщиной не более доли микрона поглощает около 60% падающего на нее света.

Таким образом, характерная особенность металла, состоящая в его высокой отражательной способности и проявляющаяся в наличии особого "металлического" блеска чистой поверхности, связана с его электропроводностью. Чем больше коэффициент электропроводности, тем, в общем случае, выше отражательная способность металлов.

В нашей лаборатории отражательная способность металлов может быть измерена с помощью гелий-неонового лазера на длине волны 630 нм. Литературные данные для близкой длины волны дают следующую связь коэффициента отражения металлической пленки на длине волны 600 нм и удельного сопротивления:



Металл	R, %	с, 10-6 Ом·см
Серебро	98,4	2,07
Медь	92,8	2,28
Золото	91,9	2,89
Алюминий	91,0	3,86

Но высокие значения коэффициента отражения можно получить лишь для пленок, полученных в оптимальных условиях. Факторами, влияющими на коэффициент отражения, являются: скорость напыления, давление во время напыления, толщина напыленной пленки, температура подложки, угол падения вещества, степень чистоты испаряемого материала и, наконец, старение полученного покрытия на воздухе.

Поглощение света металлами может быть использовано для оценки толщины металлической пленки. Прохождение света через проводящие вещества определяется соотношением:

I=I₀exp(-4рnkd/),

где d-толщина поглощающего слоя;

n - показатель преломления для длины волны ;

k - показатель поглощения для длины волны ;

I₀ - интенсивность падающего излучения;

I - интенсивность прошедшего излучения.

Измерение коэффициента пропускания полупрозрачной металлической пленки (I/I₀) позволит оценить ее толщину по приведенной выше формуле.

Таблица 2.1

Материал	= 500 нм
	n	k
Cu	1,06	2,55
Fe	1,46	2,17
Mo	3,15	1,18
Ni	1,54	2,01
V	2,65	2,56

Определение коэффициента пропускания на фотометре ЛМФ-72М

Фотометр типа ЛМФ-72 предназначен для измерения коэффициента пропускания и оптической плотности в спектральном диапазоне от 365 до 750 нм и определения концентрации растворов по градуировочным графикам, а также как индикатор при проведении нефелометрического и флуориметрического анализа. Оптическая схема фотометра приведена на рис.20.

Рис.20. Оптическая схема фотометра ЛМФ-72М

1-лампа накаливания;

2-конденсор;

3-объектив;

4-щелевая диафрагма;

5-модулятор;

6-сменный интерференционный или абсорбционный светофильтр;

7-тепловой светофильтр;

8-измеряемый образец;

9-абсорбционный светофильтр; '

10-защитное стекло;

11-фотоумножитель.

Лабораторный фотометр выполнен по однолучевой схеме с модуляцией светового потока и непосредственным отсчетом. При измерении коэффициента пропускания световой поток от лампы накаливания (1), сформированный конденсором, состоящим из линз (2), и объективом (3) в параллельный пучок, через плавно регулируемую щель диафрагмы (4), модулятор светового потока (5), интерференционный светофильтр (6) проходит сквозь измеряемый образец и попадает на фотокатод светоприемника.

Порядок работы

1. Включить фотометр в сеть. Время прогрева прибора 10-15 мин.

2. Произвести калибровку шкалы Т. Для этого в гнездо "фильтр" вставьте интерференционный светофильтр с необходимой длиной волны в максимуме пропускания, кюветодержатель в положение "0". Нажмите кнопку "У" и, вращая ручку "0-точно", совместите стрелку показывающего прибора с отметкой "0" шкалы. Установите кюветодержатель в положение "100", ручкой "диафрагма" подведите стрелку прибора к отметке "100" шкалы, затем ручкой "100-точно" совместите стрелку с отметкой "100".

3. Измерение коэффициента пропускания. Установите кюветодержатель в положение "0". Снимите крышку и вставьте измеряемый образец в держатель. Закройте крышку, переведите кюветодержатель в положение "100" и произведите отсчет по шкале измерительного прибора (коэффициент пропускания в процентах).

4. Выключите фотометр.

При работе на фотометре запрещается:

- производить смену светофильтров в положении "100".

- выполнять измерения при открытой измерительной камере.

Исследование спектров пропускания и поглощения в ультрафиолетовой и видимой области спектра на приборе "Specord UV-VIS"

"Specord UV-VIS" - автоматический двухлучевой спектрофотометр, регистрирующий линейно пропускание или экстинкции проб как функцию волнового числа. Представление спектров через волновое число является удобным, так как по соотношению E = hн = hc/ = hc, где

Е-энергия;

h - постоянная Планка;

с - скорость света;

н - частота;

- длина волны;

- волновое число,

энергия прямопропорциональна волновому числу.

Принципиальная оптическая схема спектрофотометра "Specord UV-VIS" приведена на рис.21.

В качестве источника света в ультрафиолетовой области спектра используется дейтериевая лампа, в видимой - лампа накаливания. Световой пучок попадает на входную щель монохроматора, откуда монохроматический пучок направляется на зеркальный прерыватель, где он разделяется на два потока, образующие канал измерения и канал сравнения. На приемник излучения, в качестве которого используется сурьмяно-цезиевый фотоумножитель, падает свет то из канала образца, то из канала сравнения. Регистрация спектров производится пером на специальном бланке.

В конструкции спектрофотометра предусмотрены различные параметры регистрации. В настоящий момент на приборе установлены: масштаб волнового числа-12.5мм/1000 см^-1; время регистрации спектра - 4.4 мин/лист; скорость регистрации-5000 см^-1/мин.



Рис.21. Оптическая схема спектрофотометра "Specord UV-VIS"

Отсчет волнового числа осуществляется по нониусу. При работе используются следующие масштабы ординат:

0 - 100 %-коэффициент пропускания, стандартная область;

0 - 20 %-коэффициент пропускания, растяжение ординат для образцов с малой проницаемостью;

-0,1 - +1,4-экстинкция.

Порядок работы на спектрофотометре "Specord UV VIS"

1. Включить вилку прибора в сеть. Нажать кнопку "Сеть".

2. Включить лампу (источник света) для соответствующего участка спектра.

3. Вставить перо самописца.

4. Используя кнопки "Быстро вперед" и "Быстро назад", по нониусу против нуля установить целое число (например, 21000 см^-1). Положить регистрационный лист на каретку самописца так, чтобы при закрытом канале измерения перо самописца находилось в точке пересечения горизонтальной нулевой линии и вертикальной черты.

5. Проверить положение нуля и правильность установки регистрационного листа, проведя пробную регистрацию (нажать кнопку "Пуск").

6. Установить 100%-ю линию. Открыть канал измерения и провести пробную регистрацию. Если регистрируемая линия проходит параллельно 100%, то она выводится на 100% - ю ручкой 100%-й коррекции.

7. Нажать кнопку "Быстро назад". Каретка быстро движется вправо, а регистрирующее устройство занимает левое крайнее положение.

8. Поместить измеряемый образец в кюветный отсек в ближний канал.

9. Нажать клавишу "Пуск". Начатая таким образом регистрация может быть прервана в любом месте нажатием клавиши "Стоп".

10. Вынуть регистрационный лист, выключить лампу, отжать кнопку "Сеть".

Кнопочное управление на лицевой панели

- Сеть

- Быстро вперед. Каретка быстро двигается влево, одновременно происходит прогон волнового числа.

- Быстро назад. Каретка быстро двигается вправо.

- Регистрация с автоматическим возвратом каретки.

- Пуск. Начало записи спектра.

- Стоп. Регистрирующее устройство останавливается.

- Источник излучения.

Лабораторная работа № 6. Фотолитография

Для изготовления тонкопленочных компонентов микросхем (ее пассивных элементов) металлической пленке необходимо придать определенный геометрический рельеф. Его можно получить либо методом маскирования в процессе осаждения, когда пленка наносится только на избранные участки подложки, либо селективным удалением пленки с однородно покрытой подложки, оставляющим необходимый рисунок. Для селективного травления в тонкопленочной технологии широко используется метод фотолитографии. Суть метода основана на использовании защитной пленки заданной конфигурации, нанесенной на поверхность металлических или изолирующих пленок, покрывающих всю поверхность подложки. Защитное (маскирующее) покрытие создается с помощью полимерных фоточувствительных материалов, называемых фоторезистами. Их молекулярная структура и растворимость изменяются при облучении ультрафиолетовым (УФ) светом. Известно большое число органических соединений с такими свойствами, первыми среди этих соединений были природные вещества: желатин, сахар, рыбий клей и т.д. В основном имеются два типа фоторезистов: негативные, они теряют растворимость в ряде веществ после воздействия света, и позитивные, их растворимость под воздействием света в определенной среде возрастает. В позитивном фоторезисте при облучении светом происходит следующее:

орто-хинон инден инденкарбоновая

диазид кетен кислота

Наличие карбонильной группы предопределяет выбор проявителей для позитивных фоторезистов - это щелочи (NаОН, КОН) или соли щелочных металлов(Na₃PO4). Они переводят кислоту в легкорастворимую в воде соль.

При использовании негативного фоторезиста происходит фотополимеризация засвеченных участков, а незасвеченные легко удаляются обработкой в органических растворителях.

Фотолитографический процесс включает следующие основные операции:

1) формирование слоя фоторезиста;

2) формирование защитного слоя;

3) передача изображения на подложку.

Целью данной работы является изучение метода фотолитографии с. проведением всех его основных операций. Формирование рисунка проводится на металлических пленках (Cu или Al), нанесенных на стеклянную или ситаловую подложку методами ионно-плазменного или вакуум-термического испарения.

Нанесение фоторезиста на металлизированную подложку может осуществляться различными методами: полив, окунание, самым распространенным является центрифугирование. Этот метод обеспечивает получение воспроизводимых по толщине пленок. Сама же толщина зависит от вязкости раствора фоторезиста, скорости вращения и ускорения центрифуги. На практике при изготовлении тонкопленочных схем толщина слоев фоторезиста изменяется от 0,3 до 2 мкм. В нашей лаборатории фоторезист наносится методом центрифугирования. Подложка укрепляется на диске центрифуги и накрывается крышкой. После включения двигателя через отверстие в крышке с помощью пипетки на вращающуюся подложку наносятся 1-2 капли фоторезиста. Через 10-15 с центрифуга отключается, и после полной остановки диска подложка снимается. Проверив качество полученной пленки фоторезиста, ее подсушивают в следующем режиме:

выдержка в течение 10-15 мин при комнатной температуре;

сушка в сушильном шкафу при температуре 90°С±10°С в течение 20-30 минут.

Нужно помнить, что в целом режим сушки зависит от типа используемого фоторезиста и от толщины его слоя.

Подложка с нанесенным слоем фоторезиста далее подвергается экспонированию. Оно проводится через фотошаблон или маску. В условиях учебной лаборатории изготовить фотошаблон сложно, поэтому пользуются масками разной конфигурации, изготовленными из алюминиевой или медной фольги. Маска накладывается на подложку на слой фоторезиста, закрепляется в рамке и помещается под УФ осветитель. Время экспозиции подбирается экспериментально и может изменяться от нескольких секунд до нескольких минут. Проэкспонированные образцы подвергаются химической обработке (проявлению), в результате удаляются ненужные участки слоя и на подложке остается защитный рельеф требуемой конфигурации. Для проявления позитивных фоторезистов применяется КОН (1%), для негативных - трихлорэтилен. Процесс ведется при комнатной температуре и контролируется визуально. По окончании проявления подложка промывается в дистиллированной воде и подвергается сушке. При этом одновременно происходит закрепление оставшегося фоторезиста на подложке и придание ему устойчивости к травителям. Процесс этот, называемый задубливанием, ведется при температуре 150-180°С в течение 30-45мин.

Затем проводится заключительная операция фотолитографического процесса - стравливание незащищенных участков металлической пленки в растворе НС1 (для А1) или HNO₃ (для Cu). Оставшуюся пленку задубленного фоторезиста удаляют либо обработкой ацетоном, либо плазмохимическим травлением. При выполнении работы по заданию преподавателя могут быть рассмотрены и дополнительные вопросы, например, можно оценить толщину пленки фоторезиста в зависимости:

а) от степени разбавления фоторезиста;

б) от количества капель фоторезиста, наносимого на подложку и т.д.

Определение толщины пленок фоторезиста

Методы измерения толщины пленок резистов разделяются на физические и оптические. Наиболее простым и распространенным физическим методом является профилометрирование. К этой же группе методов относится емкостной, контроль потенциального рельефа. Из оптических методов наибольшей точностью отличаются эллипсометрические измерения. Широкое применение находит метод оптической' интерферометрии на базе микроинтерферометров МИИ-4, МИИ-9. Прозрачность пленок фоторезиста позволяет использовать для контроля их толщины фотометрирование. На рис.22 представлено спектральное распределение коэффициента пропускания и оптической плотности пленки фоторезиста, нанесенной в учебной лаборатории методом центрифугирования на стеклянную подложку.

На этих спектрах хорошо видно, что при длине волны до 440 нм пленки фоторезиста являются поглощающими, а при 450-750нм-прозрачными, и в них наблюдается интерференция. И то, и другое явления могут быть использованы для определения толщины пленки фоторезиста. Расчет толщины по интерференционным экстремумам был рассмотрен выше. Для определения толщины поглощающих слоев может быть использован закон Бугера-Ламберта-Бера:

T() = I()/I₀ = A()exp(-б()cd),

где I₀ - интенсивность света в отсутствие образца;

I() - интенсивность света, прошедшего через образец;

с-концентрация исследуемого вещества;

d-толщина слоя образца;

А() - множитель, определяющий потери света при его отражении на границе раздела сред;

б() - коэффициент экстинкции.

Произведение D()=б()cd называется оптической плотностью. Из этого выражения видно, что при определенной концентрации вещества оптическая плотность прямо пропорциональна толщине образца.



Рис. 22. Спектральное распределение коэффициента пропускания и оптической плотности пленок фоторезиста

В нашей лаборатории был построен калибровочный график D=f(d), где D-оптическая плотность пленок фоторезиста на длине волны 405нм. Таким образом, измерив оптическую плотность слоя фоторезиста на этой длине волны, по калибровочному графику можно определить его толщину.