Основные техпроцессы при изготовлении интегральных микросхем

Основными технологическими процессами, применяемыми при изготовлении полупроводниковых интегральных микросхем, являются оксидирование, фотолитография, диффузия, эпитаксия, ионное легирование.

Оксидирование кремния. Этот процесс имеет важное значение в технологии изготовления полупроводниковых интегральных микросхем. Диоксид кремния Si0₂ представляет собой стеклообразный оксид, имеющий тот же химический состав, что и кварцевое стекло. Эти оксиды являются хорошей изоляцией для отдельных элементов схемы, служат маской, препятствующей проникновению примесей при диффузии, применяются для защиты поверхности и создания активных диэлектрических элементов (например, в МОП-транзисторах). Они образуют равномерное сплошное покрытие на поверхности кремния, которое легко стравливается и удаляется с локальных участков. Повторное оксидирование обеспечивает защиту P-N-перехода от воздействия окружающей среды. Коэффициенты термического расширения кремния и диоксида кремния близки. Диоксид кремния обладает хорошей адгезией и сравнительно легко создается на поверхности пластины.

В зависимости от метода получения различают термические и анодные оксиды.

Термические оксиды получают при ускоряемых нагревом реакциях кремния с кислородом и другими веществами, содержащими кислород. Такие оксиды имеют толщину ~ 1 мкм и обладают высокой плотностью.

Метод термического оксидирования имеет две разновидности:

1) высокотемпературное оксидирование в потоке сухого кислорода и увлажненных газов;

2) оксидирование в парах воды при высоком давлении (до 50 МПа), при сравнительно невысоких температурах (5ОО...900°С).

Оксидирование в потоке увлажненных газов выполняется по рис.1.8. Пластины кремния помещают в кварцевую трубу, где установлена температура 1100°С. Один конец трубы соединен с увлажнителем (деионизованной водой), через которую пропускают газ (аргон, азот и др.). При отключенном увлажнителе осушенный кислород поступает непосред-ственно в кварцевую трубу. Оксидирование проводится в такой последовательности: предварительная выдержка в сухом кислороде (~15 мин); длительное оксидирование во влажном кислороде (2 ч) и окончательное оксидирование в сухом кислороде. Первая операция дает прочную пленку малой толщины. Термическая обработка в среде влажного кислорода обеспечивает быстрый рост пленки (до 1 мкм), но плотность ее получается недостаточной. Последующая обработка в сухом кислороде приводит к уплотнению пленки и улучшению ее структуры.

Наиболее часто используют толщину оксида, составляющую десятые доли микрометра, а верхний предел по толщине равен 1 мкм. Добавление в оксидированную среду хлорсодержащих компонентов повышает скорость оксидирования и увеличивает напряженность пробоя. Главная роль хлора заключается в превращении случайно попавших в диоксид кремния примесных атомов (калия, натрия и др.) в электрически неактивные.

Окисление кремния в парах воды при высоком давлении осуществляется в камере, внутренняя поверхность которой покрывается золотом или другим инертным металлом во избежание нежелательной реакции. В камеру помещают пластины кремния и определенное количество воды высокой чистоты, которая нагревается до температуры оксидирования (500 ...800°С). Толщина пленки зависит от длительности оксидирования, давления и концентрации паров воды.

На качество оксидной пленки влияет чистота рабочего объема, в котором производится процесс. Попадание даже ничтожного количества примесных атомов может существенно изменить свойства материала исходной заготовки. Наиболее вредное воздействие оказывают примеси меди, коэффициент диффузии которых в кремнии очень велик.

Большое значение имеет предокислительная очистка кремния от загрязнений, приводящих к прерывистости в пленках. Преимущество оксидирования при высоком давлении состоит в возможности снижения температуры процесса без увеличения продолжительности.

Анодное оксидирование кремния имеет две модификации: оксидирование в жидком электролите и в газовой плазме. Процесс анодного оксидирования дает возможность получать оксидные пленки при более низких температурах, что ограничивает пере-распределение примесей в предварительно сформированных диффузионных областях.

Для создания межслойной изоляции процесс оксидирования не применяют, а диэлектрические слои получают осаждением.

Пленки диоксида кремния как защитные слои обладают следующими недостатками: 1) пористостью структуры, что приводит к возможности проникновения водяных паров и некоторых примесей к исходной поверхности кремния; 2) способностью атомов ряда элементов мигрировать сквозь пленку диоксида кремния, что приводит к нестабильности характеристик полупроводниковых приборов.

Фотолитография. Фотолитография представляет собой процесс образования на поверхности диоксида подложки фоторезистивного изображения топологии схемы и последующего переноса его на подложку. По структуре он совпадает с методами, применяемыми при образовании проводников печатных плат. Однако этот процесс имеет свою специфику, обусловленную требованиями высокой разрешающей способности и повышенными требованиями к качеству применяемых материалов и чистоте окружающей среды.

Фоторезисты - тонкие плёнки органических растворов, которые должны обладать свой-ствами после экспонирования ультрафиолетовым светом полимеризоваться и переходить в нерастворимое состояние. Основные требования, предъявляемые к фоторезистам, - высокая разрешающая способность, светочувствительность, устойчивость к воздействию травителей и различных химических растворов, хорошая адгезия с поверхностью изделия.

Под разрешающей способностью фоторезиста понимается число линий, которое можно нанести на один миллиметр поверхности платы с расстоянием между ними, равным их ширине. Разрешающая способность зависит от вида фоторезиста и толщины слоя. При тон­ких слоях она больше, чем при толстых.

По способу образования рисунка фоторезисты делятся на негативные и позитивные (рис. 1.9).

Участки негативного фоторезиста, находящиеся под прозрачными участками фотошаблона, под действием ультрафиолетового света получают свойство не растворяться при проявлении. Участки фоторезиста, расположенные под непрозрачными местами фотошаблона, легко удаляются при проявлении в растворителе. Таким образом создается; рельеф, представляющий собой изображение светлых элементов фотошаблона (рис. 1.9, а).

Негативные фоторезисты изготовляют на основе поливинилового спирта. Их широко применяют вследствие отсутствия токсичных составляющих, приемлемой разрешающей способности (до 50 ли-ний/мм), простоте проявления и низкой стоимости. Недостатком является невозможность хранения более 3...5 ч заготовок с нанесенным слоем, так как послед-ний задубливается и в темноте. Кроме того, с пони-жением влажности и температуры окружающей среды уменьшается механическая прочность светочувствительного слоя и его адгезия с поверхностью.

Позитивный фоторезист под действием облучения изменяет свои свойства таким образом, что при обработке в проявителях растворяются его облученные участки, а необлученные (находящиеся под непрозрачными участками фотошаблона) остаются на поверхности платы (рис. 1.9, б).

Для позитивных фоторезистов применяют материалы на основе диазосоединений, которые состоят из светочувствительной полимерной основы (новолачной смолы), растворителя и некоторых других компонентов. По адгезионной и разрешающей способности они превосходят негативные фоторезисты, но имеют более высокую стоимость и содержат токсичные растворители. Разрешающая способность позитивных фоторезистов составляет до 350 линий/мм. Достоинством позитивного фоторезиста является отсутствие дубления при хранении заготовок с нанесенным светочувствительным слоем.

В технологическом процессе производства ИМС применяют жидкие и сухие фоторезисты.

Жидкие фоторезисты наносят погружением (окунанием), поливом с центрифугированием, накатыванием ребристым роликом и другими способами.

Сухие фоторезисты, получившие более широкое распространение ввиду большей технологичности и простоте применения, представляют собой тонкую структуру из трёх слоёв: оптически прозрачной плёнки (обычно полиэтилентерефталата), светочув-ствительного полимера и защитной лавсановой плёнки. Нанесение их проводится при повышенной температуре с предварительным удалением защитного слоя и приклеиванием фоторезиста. После экспонирования рисунка снимается оптическая плёнка и изображение проявляется в воде. При этом неэкспонированные участки рисунка удаляются.

Высокую разрешающую способность рисунка схемы обеспечивают позитивные фоторезисты. Однако их преимущества не исключают возможности использования негативных фоторезистов, обладающих большей кислотоустойчивостью и простотой проявления.

Основные этапы процесса фотолитографии при реализации контактной печати приведены на рис.1.10.

Подготовка повер-хности подложки (рис. 1.10,а) существенно влияет на адгезию фоторезиста. Пос-ледний следует наносить сразу же после окисления пластины без каких-либо дополнительных обработок поверхности. Если подложки хранятся более часа, то производится термообработка в сухом кислороде или азоте при t=1000°С в течение нескольких минут. Она позволяет устранить гидрофильность поверхности подложки.

Нанесение фото-резиста производят цен-трифугированием (рис. 1.10,6). Оптимальная толщина слоя фоторезиста находится в пределах 0,3... 0,8 мкм. При толщине слоя менее 0,2 мкм вероятность появления проколов резко увеличивается, а при толщинах более 1 мкм снижается разрешающая способность процесса, что не дает возможности получать элементы с малыми размерами.

При нанесении фоторезиста необходимо обеспечить однородность слоя (отсутствие пор, инородных частиц и др.) и равномерность его по толщине. Однородность слоя зависит от чистоты исходного фоторезиста, чистоты окружающей среды, режимов и способа сушки. Равномерность толщины слоя зависит от вязкости фоторезиста и режимов его нанесения. Неравномерность слоя по толщине является причиной ухудшения контраст-ности вследствие неполного прилегания фотошаблона к фотослою при экспонировании.

Удаление растворителя из слоя фоторезиста для образования прочной и однородной пленки осуществляется сушкой при t =18... 20°С в течение 15...30 мин, а затем при t=90... 100 °С в течение 30 мин.

Перенос изображения с фотошаблона на пластину, покрытую слоем фоторезиста, реализуется путем экспонирования (рис. 1.10, в). Если процесс фотолитографии повторяется, то необходимо ранее полученный рисунок совместить с рисунком на фотошаблоне. Точность совмещения составляет 0,25... 0,5 мкм. В качестве источника света используют ксеоновые и ртутно-кварцевые лампы.

На качество переноса существенно влияют дифракционные явления, возникающие при наличии зазоров между шаблоном и пластиной. Зазоры возникают вследствие неплоскостности подложки, достигающей 20 мкм. Качество переноса изображения с фотошаблона на слой фоторезиста может быть оценено только после проявления.

Проявление скрытого изображения (рис. 1.10,г) в негативном фоторезисте заключается в удалении участков, находившихся под темными местами фотошаблона. В случае позитивного фоторезиста удаляются облученные участки. Негативные фоторезисты проявляют в органических растворителях (трихлорэтилене и др.), а позитивные— в щелочных растворах. Для улучшения защитных свойств полученный слой сушат при t=100... 120°С, а затем задубливают при t=200... 250°С в течение 30...40 мин.

Требуемый рисунок схемы получают травлением не защищенных фоторезистом участков подложки в смеси азотной и плавиковой кислоты (рис. 1.10,д).

Травление должно обеспечивать полное вытравливание оксидных пленок. При этом встречаются случаи, когда надо одновременно вытравливать оксидные пленки различной толщины. Точность операций травления зависит от точности изготовления негатива и качества фоторезиста. В случае плохой адгезии слоя с поверхностью заготовки плавиковая кислота может проникать под задубленный слой и вытравливать защищенные им участки оксидной пленки. Оставшийся на поверхности слой фоторезиста удаляют в растворителе, в качестве которых применяют органические жидкости и серную кислоту. После набухания пленки фоторезиста удаляют тампоном.

Фотолитография является одним из основных технологических процессов при производстве полупроводниковых микросхем. Ее широкое применение объясняется высокой воспроизводимостью и разрешающей способностью, позволяющей получить рисунок малых размеров, универсальностью и гибкостью метода, высокой производительностью. Недостатком контактной фотолитографии являются быстрый износ фотошаблона и возникновение дефектов на соприкасающихся поверхностях. При контактировании фотошаблон вдавливает в фоторезистивный слой любые частицы (например, пылинки), которые приводят к дефектам в защитном слое фоторезиста.

Пылинка на поверхности фоторезиста может воспрепятствовать его задублению и привести к образованию отверстия («прокола») в оксиде. Такой же эффект может дать пылинка или какие-нибудь темные точки на прозрачной части фотошаблона. Отверстие в за-темненной части фотошаблона может привести к неполному удалению оксидной пленки. Размеры частичек пыли соизмеримы с размерами областей контактных элементов. Их наличие приводит к браку микросхемы.

Вероятность появления дефектов, возникающих вследствие попадания на поверхность кремния нерастворимых частиц пыли и других точечных загрязнений, пропорциональна площади пластины. Наличие таких дефектов ограничивает максимальную величину площади микросхем.

Бесконтактная (проекционная) фотолитография устраняет контакт между фотошаблоном и слоем фоторезиста, что позволяет избежать целого ряда недостатков, присущих контактной фотолитографии.

Метод проекционной печати заключается в проецировании изображения с фотошаблона на покрытую слоем фоторезиста пластину, размещенных на значительном расстоянии друг от друга. Размеры рисунка на фотошаблоне могут быть выполнены в увеличенном масштабе. При этом методе повышаются требования к плоскостности подложек и однородности толщины слоя фоторезиста. Высокие требования предъявляются к объективу, который должен обеспечить нужное разрешение на всем рабочем поле подложки. В настоящее время наилучшее разрешение (0,4 мкм) может быть получено на площади 2x2 мм. Трудности создания объективов, обеспечивающих высокое разрешение на большой площади, препятствуют широкому внедрению метода проекционной фотолитографии.

Фотолитография на микрозазоре сочетает достоинства контактного и проекционного методов фотолитографии. При этом методе между пластиной и фотошаблоном устанавливается зазор в 10... 20 мкм. Такой зазор является достаточно большим, чтобы свести к минимуму явление дифракции, и в то же время достаточно малым, чтобы пренебречь нелинейными искажениями в зазоре при передаче изображения. Промышленное оборудование для экспонирования на микрозазоре значительно сложнее, чем установки для контактного экспонирования.

Диффузия. Это процесс переноса легирующих примесей из областей с большей концентрацией в области с меньшей концентрацией. Если в твердом теле имеется градиент концентрации атомов какого-либо элемента, то создается направленное диффузионное движение, стремящееся выравнить концентрацию этих атомов во всем объеме. Процессы выравнивания концентрации происходят при достаточно высоких температурах, когда резко увеличиваются скорости движения частиц. Они характеризуются коэффициентом диффузии D, который определяется массой вещества, проникающего через единичную площадку за единицу времени при градиенте концентрации, равном единице.

Коэффициент диффузии для определенного материала и диффундирующей примеси в первом приближении зависит только от температуры (экспоненциальная зависимость).

Коэффициент диффузии элементов III группы (В, А1,Iп) в кремний на 1... 1,5 порядка выше, чем элементов V группы (As; P; Sb). Например, коэффициент диффузии бора в кремний при t==1473 К составляет 10,5 см²/с, мышьяка — 0,3 см²/с.

Процесс диффузии осуществляется в два этапа. На первом этапе из бесконечного источника (газовая фаза) на кристалле создается слой, насыщенный примесью. Этот этап называется загонкой примеси. Он проводится в присутствии кислорода, что способствует образованию на поверхности слоя боросиликатного стекла (для примеси В₂0₃) или фосфорно-силикатного стекла (для примеси Р₂О₅). Параметрами процесса загонки являются концентрация диффузанта и кислорода в газе-носителе, скорость газовой смеси и время процесса. На втором этапе примесь подвергается перераспределению. Этот этап называется разгонкой примеси. Она выполняется при t = 800...1000°С в отсутствие внешнего источника примеси. Рабочей атмосферой служит смесь инертного газа с кислородом. Разгонка примеси в глубь пластины сопровождается выращиванием защитной пленки оксида кремния.

Диффузию проводят в диапазоне температур 1100... 1300°С, а с учетом процесса загонки при двухстадийном процессе -1000... 1300°. Ниже 1000 °С значения коэффициентов диффузии очень малы и глубина диффузии незначительна. Выше 1300°С происходят нарушения поверхности пластин под действием высокой температуры.

В качестве источников примеси применяют твердые, жидкие и газообразные соединения. Наиболее часто используют бор и фосфор в виде химических соединений В₂0₅, Р₂О₅ и др.

Диффузия в пото-ке газа-носителя из твердого источника выполняется в двухзонных установках (рис. 1.11). Источник примесей поме-щают в низкотемпературной зоне, а кремниевые плас-тины - в высокотемператур-ной зоне (1100... 1200°С). Трубу продувают смесью инертного газа с кислоро-дом и после установления температурного режима пластины помещают в рабочую зону. Испаряющи-еся молекулы примеси переносятся газом-носите-лем к пластинам и через слой жидкого стекла попадают на их поверхности. Жидкое стекло защищает поверхности пластин от испарения и попадания посторонних частиц. Недостатки процесса диффузии из твердого источника — сложность установки и трудность регулирования давления паров.

Диффузия в потоке газа-носителя из жидкого источника проводится на более простой однозонной установке, где возможно получить более широкий интервал значений поверхностных концентраций. Недостаток такого процесса—большая токсичность концентраций.

Диффузия в замкнутом объеме. Такая диффузия обеспечивает хорошую вос-производимость параметров диффузионных слоев. В этом случае пластину кремния и источ-ник примесей помещают в кварцевую ампулу, которую откачивают до давления 10^-3 Па или заполняют инертным газом. Затем ампулу запаивают и помещают в нагревательную печь. Молекулы пара примеси адсорбируются поверхностями полупроводниковой пластины и диффундируют в глубь ее. Такой метод применяют для диффузии бора, сурьмы, мышьяка, фосфора. Эти примеси являются высокотоксичными, а диффузия в ампуле исключает возможность отравления.

Достоинством метода является возможность применения одной печи для диффузии нес-кольких примесей без взаимного их загрязнения, недостатком—низкая производительность и необходимость тщательного ведения процесса загрузки, так как любое вещество, попавшее в ампулу, диффундирует вместе с основной примесью.

При всех способах диффузии необходимо обеспечить равномерное распределение температуры вдоль оси горячей зоны. Если допуск на глубину диффузионного слоя, равен 100%, то достаточно температуру выдерживать с точностью ±5°С. При допуске 20% температуру необходимо выдерживать с точностью ±0,5°С.

Глубина диффузии изменяется от нескольких микрометров (для элементов схемы) до 10 ... 100 мкм для их изоляции. Большая глубина диффузии требует значительного времени (до 60 ч).

Примеси, диффундирующие в кремний через отверстие в оксиде, распространяются в боковых направлениях почти на такую же величину, как и в глубину.

Наиболее распространенными дефектами при диффузии являются отклонения в глубине диффузионного слоя. Причины таких отклонений — пыль и другие частицы, находящиеся на поверхности пластины, а также остатки фоторезиста. Дефекты поверхности и нарушения в кристаллической решетке способствуют более глубокому проникновению диффузанта в материал. Для уменьшения количества таких дефектов необходимо весьма тщательно соблюдать чистоту окружающей среды, материалов и оборудования на подготовительных операциях и в процессе проведения диффузии.

Получение P-N-переходов методами диффузии позволяет в точных пределах контролировать глубину залегания и расположение перехода, концентрацию примесей и др. Недостаток процесса диффузии — невозможность получения четких переходов между областями с различными типами проводимости.

Эпитаксия. Это процесс наращивания слоев с упорядоченной кристаллической структурой путем реализации ориентирующего действия подложки. В производстве интегральных схем применяют два вида эпитаксии: гомоэпитаксию и гетероэпитаксию.

Гомоэпитаксия (автоэпитаксия) — процесс ориентированного наращивания кристалли-ческого вещества, не отличающегося по химическому составу от вещества подложки. Гетероэпитаксия — процесс ориентированного наращивания вещества, отличающегося по химическому составу от материала подложки.

В процессе выращивания эпитаксиальной пленки в нее можно вводить легирующие примеси, создавая полупроводниковые пленки с нужным распределением концентрации и заданным типом проводимости. Благодаря этому удается получить четкие границы между областями с различным типом проводимости.

Наибольшее распространение в настоящее время получил так называемый хлоридный способ получения эпитаксиальных слоев кремния, основанный на восстановлении тетрахлорида кремния. Процесс производится в реакторе, представляющем кварцевую трубу, помещенную в индуктор ВЧ-генератора. Реакторы могут быть горизонтального и вертикального типа.

В горизонтальном реакторе (рис. 1.12) кремниевые пластины размещают на графитовых подставках. Обогрев осуществляется высокочастотным генератором. Перед началом процесса систему заполняют азотом или гелием для удаления воздуха и продувают чистым водородом, который при температуре 1200°С вступает в реакцию с остатками оксидных пленок на поверхности подложек и почти полностью удаляет их. Затем камеру заполняют

 

смесью НС1 и Н₂ для стравливания с пластины кремния слоя толщиной в несколько микрометров. С помощью операции газового травления удаляются нарушенный слой и остатки Si0₂. Эпитаксиальные пленки получаются без структурных дефектов. После очистки систему в течение нескольких минут продувают водородом, затем подают SiCl₄ и легирующую примесь. В результате реакции

5iС1₄(газ) + 2Н _2(газ) ↔ Si_{(ТВЁРДОЕ}) ↓ + 4НС1_(ГАЗ) ↑

тетрахлорид кремния разлагается, и на кремниевую подложку осаждается кремний, который принимает структуру лежащего под ним слоя. После окончания процесса подложку охлаждают потоком чистого водорода.

Определенные соотношения водорода, хлорида кремния и примесей достигаются путем регулирования скорости подачи и температуры. Обычный расход газа-носителя (водорода) составляет 10 л/мин, а соотношение между количеством Н₂ и SiCl₄ составляет 1000: 1. В эту смесь вводится газообразный диффузант в количестве примерно 300 ч. на 1 000 000 ч. газовой смеси.

В качестве донорной примеси применяют фосфин (РН₃), а для получения слоя P-типа — диборан (В₂Н₆).

Скорость роста эпитаксиальной пленки зависит от расхода SiCl₄ и Н₂, температуры подложки, количества вводимой примеси и др. Эти переменные, которые можно контролировать достаточно точно, определяют продолжительность процесса.

Наименьшая толщина эпитаксиальной пленки определяется наличием центров кристаллизации. Верхний предел толщины пленки, свободный от дефектов, равен 250 мкм. Наиболее часто толщина эпитаксиальной пленки составляет от 1 до 25 мкм.

Большое влияние на качество эпитаксиального слоя оказывает чистота поверхности подложки и используемых газов. В качестве подложки используют пластины кремния толщиной 150...200 мкм, свободные от структурных дефектов. Допускаемое содержание примесей в газах равно нескольким частям примеси на миллион частей газа.

Контроль полупроводниковых пластин осуществляют после финишного полирования, эпитаксии, оксидирования и диффузии. Он основан на визуальном наблюдении и анализе изображения пластины, сформированного на экране отраженным от поверхности пластины гомоцентрическим пучком видимого света.

Участки пластины с нарушенной структурой вносят возмущения в пучок света, благодаря чему дефекты пластины видны на экране как изменения интенсивности света в изображении пластины, позволяющие оценить ее качество.

 

Напыление тонких плёнок. Основными методами получения тонких плёнок являются термическое напылние (испарение) в вакууме и ионное распыление.

Термическое напыление в вакууме. Такое напыление основано на свойстве атомов (молекул) металлов и некоторых других материалов при испарении в условиях высокого вакуума перемещаться прямолинейно (лучеобразно) и осаждаться на поверхности, поставленной на пути их движения.

Установка для напыления в вакууме (рис. 1.13) состоит из плоской плиты 6, на которой устанавливается стеклянный или металличес-кий колпак 9. В последнем случае он снабжается смотровым стеклом. На плите предусмотрены два изолированных вакуумплотных вывода 4 для питания испарителя 3. На некотором расстоянии от испарителя помещается подложка 10, на которую наносится тонкая пленка. Подложка нагревается и до достижения заданного режима закрыта заслонкой 1.

В соответствии с физическими процессами, происходящими при испарении в вакууме, можно выделить следующие этапы образования пленки: 1) перевод напыляемого материала в парообразное состояние; 2) перенос пара от источника испарения к подложке; 3) конденсация пара на подложке и образование пленки.

Перевод напыляемого материала в парообразное состояние. В области образования паров происходит испарение материала, который нагревается до тех пор, пока давление его паров не превысит давления остаточных газов. При этом наиболее нагретые молекулы, обладающие высокой кинетической энергией, преодолевают силы молекулярного притяжения и отрываются от поверхности расплава. Вследствие резко пониженной теплопередачи в условиях высокого вакуума перегрева подложек не происходит.

Для некоторых материалов условная температура испарения ниже температуры плавления. Например, хром имеет температуру плавления 1800°С, а испаряется при нагревании в вакууме при температуре 1205°С. Переход вещества из твердого состояния в парообразное минуя жидкое называется сублимацией.

Перенос пара от источника испарения к подложке. Область переноса паров составляет 10...20 см. Чтобы траектории молекул испаряемого вещества были прямолинейными, длина свободного пробега молекул остаточного газа должна в 5... 10 раз превышать линейные размеры области переноса паров.

Длина свободного пробега l - расстояние, проходимое молекулой пара вещества без столкновения с молекулами остаточных газов. В высоком вакууме, когда l ³ d (d — расстояние от источника испарения до подложки), молекулы испаряемого вещества пролета-ют расстояние практически без соударений. Такой поток испаряемого вещества называется молекулярным и для его создания необходим вакуум порядка 10-5... 10-6Па.

Конденсация пара на подложке и образование пленки. Конденсация пара зависит от температуры подложки и плотности атомарного потока. Атомы испаряемого вещества адсорбируются на подложке после хаотической миграции по ее поверхности.

По механическим и физическим свойствам тонкие плёнки существенно отличаются от объёмного материала. Например, удельная прочность некоторых плёнок примерно в 200 раз превышает прочность хорошо отожжённых объёмных образцов и в несколько раз — прочность материалов, подвергнутых холодной обработке. Это объясняется мелкокристалличексой структурой и малой пластичностью. Температура испарения металлов лежит в пределах от нескольких сотен градусов (например 430^оС у цезия) до нескольких тысяч (например, 3500^оС у вольфрама). В связи с этим при вакуумном испарении применяют испарители различной конструкции. По способу нагрева вещества испарители разделяют на резистивные, электронные и индукционые.

В резистивных испарителях тепловая энергия получается за счет выделения теплоты при прохождении тока через нагреватель или непосредственно через испаряемый материал. Наиболее часто используют испарители с косвенным подогревом. В этом случае предусматривают специальные подогреватели, при помощи которых испаряемое вещество нагревается до требуемой температуры. Материалом испарителя обычно служит вольфрам, тантал, молибден и др.

Выбор материала подогревателя определяется следующими требованиями: испаряемый материал в расплавленном состоянии должен хорошо смачивать подогреватель, образуя хороший тепловой контакт, и не должен вступать в химическую реакцию с материалом подогревателя. В основном применяют подогреватели из вольфрама, молибдена, тантала.

Резистивные испарители не обеспечивают требуемого состава пленок при испарении сплавов. Вследствие различия в упругости паров различных компонентов состав пленки значительно отличается от исходного материала. Например, напыляемый сплав нихром (80% Ni и 20% Сг) образует на подложке пленку, имеющую состав 60% Ni и 40% Сг. Для получения пленок требуемого состава из многокомпонентных сплавов (например, МЛТ и др.) применяют метод микродозирования или взрывного испарения. При этом методе на ленточный испаритель, нагретый до температуры, превышающей на 200... 300°С температуру испарения наиболее тугоплавкого компонента, подается микродоза порошка испаряемого сплава с размерами частиц 100... 200 мкм. Испарение микродозы происходит практически мгновенно.

В электронных испарителях кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию. Испаряемый материал используется в виде сплошной проволоки, на свободный конец которой воздействует электронный луч. В связи с кратковременностью нагрева (10^-8... 10^-9 с) различные компоненты сложного соединения испаряются и осаждаются на подложку практически одновременно. Электронно-лучевой нагрев дает возможность испарять тугоплавкие металлы и их сплавы.

Для повышения стабильности параметров тонкие металлические пленки подвергают термической обработке путем нагревания до t =300... 400° С. При этом происходит укрупнение кристаллов, связь между ними усиливается, пленка получается более плотной и компактной, а удельное электрическое сопротивление уменьшается.

Вакуумное напыление широко применяют для получения резистивных пленок, проводников из меди, алюминия и некоторых других сплавов, диэлектрических покрытий из оксида кремния и др. Основными преимуществами процесса являются высокая чистота получаемой пленки, удобство контроля ее толщины в процессе напыления, простота выполнения. Наиболее существенные недостатки процесса — изменение процентного соотношения составляющих при испарении веществ сложного состава; малая равномерность пленки по толщине при осаждении на большую площадь из точечных источников; трудность испарения тугоплавких материалов; высокая инерционность процесса при использовании резистивных испарителей; сравнительно невысокая прочность сцепления пленки с подложкой.

Ионное распыление. Оно основано на явлении разрушения твердых материалов при бомбардировке их поверхности ионизированными молекулами разряженного газа. Процесс не связан с высокими температурами и позволяет получать пленки тугоплавких металлов и сплавов. Различают следующие виды ионного распыления: катодное, ионно-плазменное и магнетронное.

Катодное распыление («диод-ная» система) (рис. 1.14) производится в ва-куумной камере, где расположены два плоскопараллельных электрода. Один элек-трод (катод) изготовлен из распыляемого материала и является мишенью для бомбар-дировки. Другой электрод (анод) служит подложкой, на которой осаждается пленка. В вакуумной камере создается низкое давление (10^-3... 10^-4 Па), после чего заполняется инерт-ным газом (обычно аргоном) при давлении 1 ... 10 Па. При подаче высокого напряжения (1... 3 кВ) между электродами возникает самостоятельный тлеющий газовый разряд, возбуждаемый электронной эмиссией. Катод является источником электронов, необходи-мых для поддержания тлеющего разряда. Электроны движутся к аноду и при столк-новении с молекулами нейтрального газа выбивают новые электроны, что приводит к резкому нарастанию потока электронов. Молекула инертного газа при этом превра-щается из нейтральной в положительный ион, обладающий по сравнению с элек-троном большей массой. Так происходит ионизация газа, который с большим или равным количеством электронов и ионов называют плазмой. Электроны перемещаются к аноду и нейтрализуются. Положительные ионы движутся к другой границе плазмы и ускоряются в темном катодном пространстве, приобретая большие энергии для распыления мишени (катода). Атомы материала мишени с высокой энергией осаждаются на поверхности подложки, которая располагается достаточно близко к катоду. Обычно это расстояние состав-ляет полторы-две длины темного катодного пространства.

Катодное реактивное распыление осуществляется в смеси инертного и активного газов. Оно позволяет получать различные по составу пленки. Разряд в смеси газов «аргон — кислород» применяют для получения оксидов. Реактивное распыление тантала в среде аргона с добавлением кислорода, азота и углерода позволяет получить ряд соединений с самыми различными свойствами.

Ионно-плазменное распыление (трехэлектродная система) осуществляется при более низких давлениях (рис. 1.15).

В камере создается давление 10^-3Па и включается накал катода. Затем она заполняется инертным газом при давлении Ю-1Па. Создание газоразрядной плазмы обеспечивается дуговым разрядом, возникающим между анодом и катодом при напряжении в 150... 250 В. Источником электронов служит термокатод. Распыляемый материал (мишень) вводится в газовый разряд в качестве независимого электрода, не связанного с поддержанием разряда. Имитируемые термокатодом элек-троны ускоряются по направлению к аноду и ионизируют по пути молекулы остаточного газа. Плотность образующейся плазмы более чем на порядок превышает плотность плазмы тлеющего разряда. Катод-мишень и подложку помещают на противоположных границах активного плазменного пространства. Распы-ление начинается с того момента, когда к мишени прикладывают отрицательный по отношению к аноду потенциал в 200... 1000 В. Этот потенциал отталкивает электроны и притягивает ионы из плазменного простран-ства. Ионы бомбардируют мишень так же, как в рассмотренном «диодном» варианте. Распыляе-мые атомы, двигаясь преимущественно в направлении, перпендикулярном поверхно-сти, осаждаются на подложке. Распыление при низких давлениях дает возможность получить высокую адгезию пленки с подложкой за счет большей энергии распыляемых частиц. Так как при этом давлении длина свободного пробега молекул составляет несколько сантиметров, то распыляемые атомы на своем пути от мишени до подложки почти не соударяются с молекулами и ионами инертного газа и газовых примесей, что существенно уменьшает степень загрязненности пленки посторонними газовыми включениями. Возможность сокращения расстояния между мишенью и подложками связана с тем, что в триодной системе распыления образование электронов и ионов происходит автономно от мишени.

Недостатками триодной системы являются малый срок службы проволочного катода и разная скорость распыления на отдельных участках плоской мишени.

Высокочастотное ионное распыление применяют для распыления диэлектриков и полупровод-никовых материалов. В процессе обычного распыления проводящих материалов, ударяющихся о катод-мишень, ион нейтрального рабочего газа получает с мишени электрон и разряжается, превращаясь на некоторое время в нейтральную молекулу. Если распыляемый материал мишени- диэлектрик, то нейтрализации ионов на мишени не будет и она быстро покрывается слоем положительных зарядов, препятствующих дальнейшему распылению мишени.

Влияние положительного заряда можно исключить, подавая к металлическому электроду, на котором закреплён распыляемый диэлектрик, переменное напряжение. В период, когда напряжение на мишени отрицательно, происходит её распыление, сопровождаемое накоплением положительного заряда. При смене полярности положительный заряд компенсируется электронами, вытягиваемыми из плазмы. Диэлектрические материалы можно распылять практически на любой частоте.