Нанесение тонких пленок в вакууме

Тонкие пленки металлов, полупроводников и диэлек­триков широко используют в технике, например в ка­честве антикоррозионных и декоративных покрытий, в микроэлектронике, в оптике и др.

Такие пленки можно получать химическим и гальваским способами, разбрызгиванием расплавленного металла, газотранспортным, вакуумным способами и т. д. В микроэлектронике тонкие пленки формируют на оверхности диэлектрических подложек (различных сте-керамике) или полупроводниковых пластин. При этом преимущественно используется напыление в ваку­уме и термическое осаждение из газовой среды.

Напыление в вакууме основано на нагреве в вакууме исходного материала или композиции мате­риалов до температуры, при которой средняя кинетиче­ская энергия атомов и молекул вещества становится до­статочной для их отрыва от поверхности и распростране­ния в окружающем пространстве. Температурой испаре­ния считается температура, при которой давление соб­ственных паров становится равным 1,33 Па (10ˉ² мм рт. ст.). При этой температуре давление паров испаряемого материала становится равным или на несколько поряд­ков большим давления остаточных газов в вакуумной ка­мере. Благодаря низкому давлению остаточных газов «горячие» молекулы и атомы испаряемого материала (особенно металла) не могут легко вступать в химическое взаимодействие с кислородом или азотом.

Испаренные частицы материала в вакууме распро­страняются прямолинейно и при соударении с поверх­ностью подложки образуют тонкую пленку.

На рис. 19.3 представлены схемы различных устано­вок для получения тонких пленок.

Методы испарения различных материалов в вакууме различаются по способам нагрева испаряемого мате­риала.

Наиболее простым является термическое испа­рение (рис. 19.3, а), когда испаряемый материал поме­щается на ленту из вольфрама, молибдена или другого тугоплавкого материала и через нее пропускают электри­ческий ток силой в десятки и сотни ампер. В результате лента разогревается, материал испаряется. Такой метод применяют для материалов, имеющих температуру испа­рения не выше 2000-2200 °С. При нагреве испаряемый материал не должен разлагаться или вступать во взаимо­действие с материалом испарителя. Компоненты сплавов или композиций должны иметь близкое друг к другу давление паров при температуре испарения. В противном случае на подложке вместо пленки сплава получится ряд слоев из отдельных материалов (по степени их летучести).

Нагрев пучком электронов (рис. 19.3,б), по­лучаемым в электронной пушке, используется для испа­рения тугоплавких материалов — вольфрама, ниобия, ре­ния и др. Он не применяется для испарения диэлектри­ков, так как на них быстро возникает отрицательный за­ряд, отражающий пучок электронов. Нагрев выполняют в водоохлаждаемом медном тигле. При этом элек­тронный пучок фокусируется электростатическим или магнитным полем на середину испаряемого материала, который разогревается до точки испарения. Тигель бла­годаря охлаждению остается почти холодным и химиче­ски не реагирует с испаряемым веществом. Используют также тигли из тугоплавкой керамики.

Катодное распыление материалов (рис. 19.3, б) в отличие от методов термического испарения осущест­вляется за счет энергии положительных ионов, образую­щихся в тлеющем разряде и бомбардирующих катод, из­готовленный из распыляемого материала. С помощью катодного распыления получаются пленки тугоплавких материалов, различных сплавов, диэлектриков.

Катодное распыление осуществляется следующим образом. Вакуумную камеру откачивают до давления

1,3-10ˉ³ Па, затем в нее впускают инертный газ - обыч­но аргон - до давления 1,3 Па. Между анодом и катодом прикладывается высокое напряжение и возбуждается тпеющий разряд. Положительные ионы аргона, уско­ряясь, выбивают из катода частицы испаряемого мате­риала.

Ионн о-плазменное распыление (рис. 19 3, г) — метод получения резистивных, проводящих и диэлектрических пленок, при котором распыление осу­ществляется бомбардировкой материала мишени ионами из газового разряда, формируемого между катодом и не­зависимым анодом. Отличительной чертой его является высокий вакуум, что обеспечивает получение более чистых пленок. Электрические цепи разряда и распыле­ния развязаны. Наиболее часто используется схема ион-но-плазменного распыления, при которой плазма генери­руется в ионизационной вспомогательной камере, откуда сформированный сильным магнитным полем узкий пу­чок ионов направляется в главную камеру с расположен­ной в ней мишенью, имеющей потенциал, достаточный для ускорения ионов до энергий, необходимых для рас­пыления материала мишени.

Реактивное распыление (рис. 19.3,д) предус­матривает введение в среду тлеющего разряда реактив­ного газа (кислорода, монооксида углерода и др.), что позволяет получать пленки с заданными свойствами, а также пленки химических соединений основного мате­риала с газом. Окисление или азотирование распыляемо­го материала происходит на поверхности мишени или в процессе формирования пленки.

Осаждение из газовой фазы

Эта операция происходит в результате химических ре­акций, происходящих в газовой фазе вблизи поверхност­ного слоя подложки.

Обычно поверхность является более нагретым телом, чем окружающее пространство, что обеспечивает воз-южность протекания на ней гетерогенных реакций. 1ногда используются и другие способы активизации хи­мических процессов, в том числе тлеющий разряд или ультрафиолетовое излучение.

Различают следующие основные методы осаждения из газовой фазы:

диспропорционирование (эпитаксиальное наращивание), применяемое обычно для выращивания пленки кремния на моно­кристалле кремния или сапфира. При эпитаксиальном наращивании пле­нок кремния исполь­зуют пары иодида крем­ния. Процесс осуществля­ется в замкнутой системе или в системах с открытой трубой (рис. 19.4);

полимеризация пленки из паров мономера под дей­ствием ультрафиолетового излучения, электронного луча, тлеющего разряда;

использование галогенидов или оксидов осаждаемых металлов. Сущность метода заключается в пропускании над нагретой подложкой водорода, водяного пара (иног­да в смеси с аргоном) или галогенида металла (полупро­водника). Этим методом осаждают металлы, полупро­водники и оксиды;

разложение - пиролитическая реакция, применяемая для получения кремния из силона SiH₄, никеля, хрома и диоксида кремния. Метод состоит в том, что в откачан­ную до давления 1,3 Па вакуумную камеру впускают из другой камеры пары металлоорганического соединения, которое разлагается при соприкосновении с нагретой подложкой. Этот метод требует особого внимания к со­блюдению правил техники безопасности.