Катодное напыление

Рис. 15.7. Установка для ка­тодного распыления:

1 - нагреватель; 2 - держатель подложки; 3 - подложка (анод); 4 – колпак; 5 - мишень (катод); 6 - герметизирующая прокладка; 7 – плита; 8 - подвод аргона; 9 – присоединение к вакуумному насосу; 10 – ион аргона; 11 - атом металла

Катодное распыление производится в вакуумной камере, где расположены два электрода: один, электрод-катод, изготовленный из распыляемого материала, является мишенью для бомбардировки. Другой, электрод-анод, служит подложкой, на которой осаждается пленка.

В вакуумной камере создается низкое давление 10^-3 Па. Затем в камеру подается аргон под давлением от 1 до 10 Па. При подаче напряжения между электродами от 1 до 3 кВ между электродами возникает тлеющий газовый разряд.

Катод является источником электронов. Электроны движутся к аноду и при столкновении с молекулами нейтрального газа выбивают новые электроны. Молекулы инертного газа превращаются из нейтральных в положительные ионы. Эти положительные ионы бомбардируют поверхность мишени. Атомы материала мишени с высокой энергией осаждаются на поверхности подложки.

Технологический процесс изготовления тонкопленочных микросхем — фотолитография и нанесение плёнки материала будущего элемента.

Получение тонкопленочных структур можно методом контактной маски. Существует два метода литографии: прямая или обратная (взрывная). При прямом методе на подложку наносят сплошную пленку.

Обратный метод:

Контроль толщины тонких пленок
Для определения толщины тонких пленок применяют такие методы: резистивный, микровзвешивания, оптический, интерференционный, радиочастотный и др.
Многие из них позволяют про­изводить измерение толщины пленки в процессе термическо­го напыления в вакууме и уп­равлять режимами технологического процесса.
Резистивный метод. Дан­ный метод основан на измере­нии сопротивления контроль­ного образца, напыляемого од­новременно с основной плен­кой (рис. 15.11).

Рис. 15.11. Измерение толщины пленки резистивным методом

В вакуумной камере устанавливаются подложки 3 и 4, на которые напыляется пленка. На подложке 4 формируется контрольное сопротивление R_х, определя­емое параметрами моста:

R_x=R₁R₃/R₂. (15.14)

С моста сигнал поступает на усилитель 5. Достижение баланса моста соответствует заданной толщине пленки. При этом срабаты­вает электронный ключ 6, который включает блок управления приводом 7. Заслонка 2 с помощью электромеханического устрой­ства 8 перекрывает поток напыляемого вещества с резистивного испарителя 1,
Точность измерения толщины пленки резистивным методом со­ставляет 5...10%. Этот метод применим только к проводящим пленкам. Он не пригоден для измерения пленок с малым сопро­тивлением (≤1 Ом/), так как переходные сопротивления соиз­меримы с сопротивлением пленки.
Резистивный метод позволяет контролировать скорость осаж­дения пленки и прекращать напыление по достижении заданной толщины путем включения заслонки.
Метод микровзвешивания. Он основан на определении толщины пленки по количеству осажденного вещества. Толщина пленки

H = G/(Fγ), (15.15)

где G - разность массы подложки до и после осаждения пленки; F - площадь, покрытая слоем пленки; у - плотность вещества пленки.

За толщину пленки принимают толщину такого слоя, при кото­ром образующий его металл равномерно распределен по всей по­верхности с плотностью сплошного материала. При измерении ма­лых масс требуется очень чувствительная система, что является недостатком метода. Для измерения толщины пленки при ее осаж­дении в вакууме применяют весы. Коромыслом весов служит стек­лянный капилляр, на концах которого приклеиваются тонкие квар­цевые нити. На одном конце коромысла помещают подложку, на другом - противовес. Массу пленки определяют по величине тока, необходимого для компенсации отклонения коромысла. Тариров­кой весов установлено, что существует линейная зависимость меж­ду массой пленки и компенсационным током.

Оптический интерференционный метод. Этот метод основан на использовании эффектов, возникающих в системе «пленка - под­ложка» при изменении толщины пленки. Они состоят в том, что по мере утолщения пленки интенсивность отраженного света уменьшается и достигает минимума в тот момент, когда толщина пленки становится равной ¹/₄ длины волны падающего света. При дальнейшем увеличении толщины пленки отражение усиливается и достигает максимума при толщине, равной половине длины вол­ны. Практически можно производить наблюдения до 10...20 экст­ремумов в зависимости от оптических свойств наносимого веще­ства. Положительным свойством метода является возможность измерять толщину в процессе напыления пленки.
Радиочастотный метод или метод кварцевого резонатора. Ме­тод основан на измерении отклонения частоты колебаний кварце­вого кристалла при осаждении на нем напыляемого материала. При изменении массы т кварцевого кристалла на величину Δ т частота его колебаний f меняется пропорционально изменению массы на величину Δ f

Δ f / f = Δ т / т. (15.16)

Объем напыленной планки v = Sh = Δт / γ, (S - площадь кварцевого кристалла; / h - толщина пленки; γ - плотность пленки), от­куда толщина пленки
h = Δ т /(γ S) или h = т Δ f / (f γ S ). (15.17)
Обозначая все постоянные параметры через с, получим
h = с Δ f, (15.18)
где с - коэффициент пропорциональности.
Приборы с кварцевым резонатором имеют удовлетворительную точность, высокую чувствительность и малую инерционность.
Выпускаемый отечественной промышленностью кварцевый из­меритель (КИТ) позволяет проверить толщину пленок в пределах 0,01... 5 мкм с точностью ±10%. Он подает сигнал окончания про­цесса после получения пленки нужной толщины, который управ­ляет перемещением заслонки.
Недостатком метода является уход частоты, связанный с не­стабильностью температуры кристалла, неточным выполнением его среза и с паразитными колебаниями, возникающими при плохом креплении.
Для контроля скорости осаждения приме­няют ионизационный, емкостный и другие ме­тоды.

Ионизационный метод. Этот метод основан на ионизации паров испаряемого вещества электронами катода. Скорость испарения из­меряют путем определения ионного тока па­ров этого вещества специальным манометром, установленным над испарителем. Ионизаци­онный метод является универсальным, имеет широкие пределы измерения с точностью до 1 % и может быть использован для стабилизации процесса напы­ления.

Рис. 15.12. Гребен­чатый конденсатор

Емкостный метод. Его применяют для измерения скорости осаждения только диэлектрических пленок. В основу метода по­ложено измерение малых приращений емкости плоского гребенча­того конденсатора (рис. 15.12) при осаждении на него пленки ди­электрика. Гребенчатый плоский конденсатор представляет собой чередующиеся проводящие полоски 1, нанесенные на изолирующую подложку и соединенные с контактами. При напылении сверху ди­электрической пленки 2 и заполнении ее каналов между обкладками емкость С возрастает вследствие изменения диэлектрической проницаемости. При малых толщинах диэлектрических пленок из­менение емкости ΔС от толщины диэлектрика практически имеет линейный характер. Приращения емкости измеряют с помощью из­мерительного моста.
Для измерения остаточного давления в вакуумных установках применяют в основном термоэлектрические и ионизационные при­боры.
В термоэлектрических приборах в качестве задаю­щей величины используется зависимость теплопроводности от дав­ления, а в ионизационных приборах — ионный ток. На­иболее совершенным методом исследования тонких пленок явля­ется растровая электронная микроскопия.