Методи термічного випаровування
- Метод термовакуумного напилення
- Конденсація парів на підкладці і утворення плівкової структури
- Методи контролю тонкоплівкових елементів.
Метод термовакуумного напилення
Метод термовакуумного напилення
Метод отримання тонких плівок термічним вакуумним напиленням є універсальним і найбільш освоєним методом. Розглянемо схему процесу термічного напилення (рис.1).
Рис 1 Схема процесу термічного напилення
Схема термічного напилення. робоча камера вакуумної установки являє собою циліндричний металевий або скляний ковпак 1, який встановлюється на опорній плиті 7. Між ковпаком і плитою знаходиться гумова прокладка, що забезпечує вакуумплотной з'єднання. Усередині робочої камери розташовані: підкладка 4, яка закріплюється на тримачі 3, нагрівач підкладки 2 випарник 6 для нагріву напилюються речовин. Між випарником і підкладкою встановлюється заслінка 5, що дозволяє в потрібний момент припиняти попадання испаряемого речовини на підкладку. Робоча камера відкачується вакуумним насосом. Залишковий тиск під ковпаком вимірюється спеціальним приладом - вакуумметром. Тиск вимірюється в мм рт. ст.
Процес термічного напилювання у вакуумі розбивається на три етапи
1. Випаровування речовини.
2 Поширення парів випаровується речовини.
3. Конденсація парів випаровується речовини на підкладці і утворення плівкової структури.
Випаровування речовини. Випаровування речовини відбувається при його нагріванні. При нагріванні речовини кінетична енергія його атомів і молекул зростає і стає достатньою для того, щоб вони відірвалися від поверхні і поширилися в навколишньому просторі. З підвищенням температури енергія збільшується і кількість молекул, що відриваються від поверхні, зростає.
Тверді речовини зазвичай при нагріванні розплавляються, а потім переходять в газоподібний стан. Деякі речовини переходять в газоподібний стан, минаючи рідку фазу. Такий процес називається сублімацією.
Температуру, при якій тиск парів речовини над його поверхнею складає 10-2 мм рт. ст., називають температурою випаровування речовини.
Швидкість випаровування речовини визначається кількістю речовини, який випаровується з одиниці площі в I сек, і виражається формулою
(1)
де Vісп - швидкість випаровування, г / (см2сек); РS - тиск насиченої пари (10-2 мм рт. ст.); М - молекулярна маса матеріалу, який випаровується речовини, г / моль; Т - температура випаровування речовини, К.
У табл.1 наведені значення температури плавлення, кипіння і випаровування, а також тиску парів і швидкості випаровування деяких матеріалів.
Формула (1) для визначення швидкості випаровування справедлива для так званого молекулярного режиму
Таблиця 1
матеріал
позначення
Температура плавлення, 0С
Температура кипіння, 0С
Тиск парів при температурі плавлення,
мм рт. ст.
Температура випаровування при тиску парів 10-2 мм рт. ст.
Швидкість випаровування 10-4, г / (см2 * сек)
алюміній
мідь
нікель
олово
срібло
хром
А1
Сu
Ni
Sn
Ag
Cr
660
тисячу вісімдесят три
1455
232
961
1900
2060
2590
2730
2400
2210
2200
1,2 10-6
3 10-4
4,4 10-3
0
1,7 10-3
6,4 10-4
996
1273
1510
1189
1047
1205
0,85
1,18
1,06
1,56
1,67
1,1
Конденсація парів на підкладці і утворення плівкової структури
Конденсацією називається процес переходу матеріалу з газоподібної фази в тверду. При конденсації на підкладці утворюється плівка сконденсованого матеріалу.
Конденсація Пленкина підкладці залежить від температури підкладки. Існує така температура підкладки, звана критичної Ткр при перевищенні якої всі атоми відбиваються від підкладки і плівка не утворюється.
Дослідження конденсації і росту плівки в початковий момент часу її утворення вкрай важливі, так як властивості плівки багато в чому визначаються на цьому етапі.
На процес утворення плівки впливає стан поверхні підкладки. Великий вплив багатодітній родині і молекули залишкових газів, які порушують умови конденсації і структуру утворюється плівки.
Молекули залишкового газу знаходяться в безладному тепловому русі і вдаряються об будь-яку ділянку поверхні, в тому числі і про підкладку. Ступінь забрудненості конденсованої плівки визначається відношенням числа молекул залишкового газу, що вдаряються об підкладку, до числа молекул випаровується речовини.
Молекули залишкового газу, а в основномоні є молекулами води Н2О, реагуючи з напиленням металом, окислюють його. Тонкий окисний шар, що утворюється у поверхні підкладки, покращує адгезію напиляемой плівки до підкладки. Тому плівки, які окислюються краще (хром, залізо), мають кращу адгезію. Метали, які погано піддаються окисленню (золото, срібло), мають погану адгезію, і вони зазвичай напилюється з подслоем іншого металу, що має кращу адгезію до підкладки.
Резистивное термічне випаровування в вакуумі
Всі речовини в залежності від температури нагріву можуть перебувати в одному з трьох фазових (агрегатних) станів: твердому, рідкому або газоподібному (пароподібному
Умовної, практично встановленої температурою випаровування вважається температура, при якій тиск насиченої пари речовини становить приблизно 1,3 Па.
Деякі речовини мають температуру випаровування нижче температури плавлення, ті. вони досить інтенсивно випаровуються з твердого стану. Процес переходу речовини з твердого стану в пароподібний, минаючи рідку фазу, називають сублімацією (сублімацією).
Рухаючись від випарника до підкладки з енергією, молекула при зіткненні з підкладкою віддає їй частину своєї енергії. Іншу частину своєї енергії молекула витрачає на міграцію по поверхні підкладки, втрачаючи поступово цю енергію і прагнучи до теплового рівноваги з підкладкою, в той же час міграція молекули вздовж підкладки відбувається в потенційному полі, рельєф якого характеризується наявністю "горбів" та "ям" і являє собою розподіл сил зв'язку (сил Ван-дер-Ваальса) по поверхні підкладки.
В процесі міграції можливі наступні результати:
1) зустрівши на шляху руху потенційну "яму" (сильний зв'язок з підкладкою), молекула втрачає надлишок енергії і фіксується на підкладці (конденсується), стаючи центром кристалізації;
2) зустрівши на шляху руху потенційний "бугор" (слабкий зв'язок з підкладкою) і володіючи достатнім надлишком енергії, молекула залишає підкладку (реіспареніе);
3) зустрівши на шляху руху іншу мігруючу молекулу, вона вступає з нею в сильну (металеву) зв'язок, в результаті чого рухливість групи і ймовірність її десорбції значно падають. При досить великому об'єднанні молекул така група повністю втрачає здатність мігрувати і фіксується на підкладці, стаючи центром кристалізації.
Навколо окремих центрів кристалізації відбувається зростання кристалів, які згодом зростаються і утворюють суцільну плівку. Підвищення температури підкладки при інших незмінних умовах збільшує енергію адсорбованих молекул, підвищується ймовірність десорбції одиночних молекул в потенційних "ямах". Таким чином, стійкими можуть бути тільки великі групові освіти молекул. При досить високій температурі підкладки (званої критичної) ймовірність реіспаренія стає рівною одиниці і конденсації не відбувається. Зі збільшенням швидкості випаровування критична температура підкладки зростає, зростає ймовірність виникнення мелкокристаллической плівки, аж до аморфної.
Процес випаровування і якість нанесених плівок значною мірою визначаються типом і конструкцією випарників, які можуть мати резистивний або електронно-променевої нагрів.
метод термічне випаровування
Резистивним нагріванням називають нагрів електропровідного тіла, що володіє високим електричним опором при проходженні через нього електричного струму.
Переваги резистивного нагрівання - високий ККД, низька вартість обладнання, безпеку в роботі і малі габаритні розміри. Факторами, що обмежують застосування випарників з резистивним нагріванням є можливість забруднення наноситься плівки матеріалом нагрівача, а також
малий ресурс роботи через старіння (руйнування) нагрівача, що вимагає його періодичної заміни.
Випарники цього типу різних конструктивних варіантів можуть бути з безпосереднім або з непрямим нагріванням матеріалу, який випаровується речовини.
Матеріали, використовувані для виготовлення випарників, повинні відповідати таким вимогам:
1) випаровуваність матеріалу випарника при температурі випаровується речовини повинна бути пренебрежимо малої;
2) для хорошого теплового контакту матеріал випарника повинен добре смачиваться розплавленим випаровуються речовин;
3) між матеріалом випарника і випаровується речовини не повинні відбуватися ніякі хімічні реакції, так як це призводить до забруднення наносяться плівок і руйнування випарників.
У испарителях з безпосереднім нагріванням струм в кілька десятків ампер проходить безпосередньо через випаровується матеріал. Такий метод випаровування може бути застосований лише для сублімуються матеріалів, тобто металів, температура плавлення яких вища за температуру випаровування
Основна перевага цих випарників - відсутність теплового контакту між їх нагрітими елементами і випаровується металом, що забезпечує високу чистоту наноситься плівки. Однак вони забезпечують низьку швидкість випаровування, дають можливість випаровувати мала кількість матеріалу, який може бути використаний тільки в вигляді стрічки або дроту, а також не дозволяє випаровувати діелектрики і більшість металів.
Випарники з непрямим резистивним нагріванням
Випарники з непрямим нагрівом, в яких випаровується речовина нагрівається за рахунок теплопередачі від нагрівача, більш універсальні, так як дозволяють випаровувати проводять і непровідні матеріали у вигляді порошку, гранул, дроту, стрічки та ін. Але при цьому через контакт з нагрітими частинами випарника , а також з-за випаровування матеріалу підігрівача осідають менш чисті плівки. Так як форма випарника з непрямим нагрівом залежить від агрегатного стану, в якому знаходиться випаровується матеріал, то їх підрозділяють на дротові, стрічкові і тигельні.
Дротові випарники.
А) 
Б) 
В) 
Рис 2. Дротяний випарник непрямого нагріву а) з циліндричною дротяної спіраллю I-відігнутий кінець спіралі.2 - циліндрична спіраль, 3 - випаровується матеріал, б) з конічною дротяної спіраллю: 4 - затиск струмопроводу, 5,7 - циліндричний теплової та обмежує екрани , 6 - конічна спіраль, в) з паралельним розташуванням дротяних нагрівачів
Дротові випарники застосовують для випаровування речовин, які змочують матеріал нагрівача. При цьому розплавлене речовина силами поверхневого натягу утримується у вигляді краплі дротовому нагрівачі. Дротові випарники виготовляються V-XV-подібної форми, а також спіралі - і хвилеподібною.
Дротяний випарник найпростішої конструкції (рис.2. А) використовують для нанесення плівок алюмінію, який добре змочує вольфрамовий дротяний нагрівач - циліндричну дротяну спіраль 2. випаровується речовина у вигляді скобочек 3 навішують на спіраль, яку відігнутими кінцями 1 вставляють в контактні затиски. У міру нагрівання ця речовина плавиться і формується на дроті у вигляді крапель.
При поганій змочуваності испаряемого речовини, а також для випаровування навесок в формі гранул або шматочків застосовують випарники у вигляді конічної дротяної спіралі 6 (ріс.2,6), що закріплюється на затискачах 4 струмопроводу. Спіраль оточена циліндричним тепловим екраном 5, а знизу розміщується обмежує екран 7.
Істотним достоїнством дротяних випарників є простота конструкції і можливість модифікації під конкретні технологічні умови. Крім того, вони добре компенсують розширення і стиснення при нагріванні і охолодженні. Недолік - мала кількість матеріалу, який випаровується за один процес матеріалу.
Стрічкові випарники.
Мал. 3. Стрічкові іспарігелі непрямого нагріву а) з поглибленням у вигляді півсфери, 6) човнового типу
Стрічкові випарники застосовуються для випаровування металів, погано утримуються на дротяних испарителях, а також діелектриків і виготовляються з заглибленнями у вигляді півсфер, жолобків, коробочок або човників. Найбільш поширеними матеріалами для таких випарників є фольга товщиною 0,1 - 0,3 мм з вольфраму, молібдену і танталу. Випарник з поглибленням у вигляді півсфери, призначений для випаровування щодо малих кількостей речовини, показаний на рис.3. а. Випарники човнового типу (ріс.3,6) призначені для випаровування щодо великих кількостей речовини.
Випарники коробчатого типу.
РНС. 4. Випарник непрямого нагріву коробчатого типу I - коробочка, 2 - потік парів наноситься речовини, 3 - екран, 4 - пари испаряемого речовини, 5 - випаровується речовина
Якщо для металів завдяки їх високій теплопровідності випаровування в вакуумі є явище поверхневе, то для таких неметалічних речовин поганий теплопровідності, як діелектрики, існує велика ймовірність їх розбризкування при форсованому випаровуванні. У цих випадках застосовують випарники коробчатого типу (рис.4), виконані зі стрічки товщиною 0,1 мм у вигляді коробочки 1, в яку засипають випаровується речовина 5. Зверху коробочка закривається одношаровим або двошаровим екраном 3 з отворами, через які проходять пари 4 завдається матеріалу.
Тигельні випарники.
Мал. 5. Випарники прямого нагріву з тиглями з внутрішнім (а) і зовнішнім (б) спіральними нагрівачами 1 спіраль, 2 тигель
Тигельні випарники використовують, як правило, для випаровування великої кількості сипучих діелектричних матеріалів. Тиглі виготовляють з тугоплавких металів, кварцу, графіту, а також керамічних матеріалів (нітриду бору, оксиду алюмінію корунду). Максимально допустима температура кварцу становить
1400 ° С, графіту 3000 ° С, оксиду алюмінію 1600 ° С. Два типу випарників з тиглями з кераміки показані на рис.5 а, б. в випарнику першого типу нагрівач у вигляді плоскої улиткообразно спіралі 1 розташовується в порожнині керамічного тигля 2, куди насипається випаровується матеріал. Такий випарник дозволяє випаровувати з високими швидкостями велика кількість речовини. У випарнику другого типу нагрівач у вигляді конусоподібної спіралі I розташований із зовнішнього боку керамічного тигля 2.
При рівній потужності харчування перший випарник нагрівається до більш високої температури, ніж другий. Однак гідністю другою є відсутність контакту, який випаровується, зі спіральним нагрівачем. Експлуатаційним недоліком тигельних випарників є те, що вони інерційні, так як мала теплопровідність матеріалу, з якого виготовляють тигель, не забезпечує швидкого нагріву матеріалу, який випаровується речовини.
Електронно-променеві випарники.
Мал. 6. Електронно-променевої випарник 1 - полюсной наконечник, 2 - електромагніт, 1 - водоохолоджувальних тигель, 4 - випаровується матеріал, 6 - термокатодом, 7 - фокусуються система, 8 електромагнітний промінь, 9 - тонка плівка, 10 - підкладка
Віпарнікі з електронно-променева нагрівом засновані на тому, что кінетічна енергія потоку прискореного електронів при бомбардуванні ними поверхні Речовини превращается в теплову Енергію, в результате чого воно нагрівається до температури випаровуваності.
Електронно-променевої віпарнік (рис.6) складається з трьох основних частин: Електронної Гармата, відхіляючої системи и водоохолоджуваного тигля. Електронна гармата призначила для формирование потоку електронів и складається з вольфрамового термокатодом 6 и фокусує системи 7. Електрон, что емітуються катодом, проходять фокусуючу систему, пріскорюються за рахунок різниці потенціалів между катодом и анодом (до 10 кВ) и формуються в електронний промінь 8.
Відхіляє призначила для создания магнітного поля, перпендикулярного напрямку швідкості руху електронів, что Виходять з котра фокусує системи Гармата, и складається з полюсних наконечніків 1 і електромагніту 2. Між полюсними наконечниками розташовані водоохолоджуваній тигель 3 и електронна гармата. Відхиляючи електронний промінь магнітнім полем, его направляються в центральна частина водоохолоджуваного тигля 3. У місці Падіння променя створюється локальна зона випаровуваності Речовини з рідкої фази. Нагріте Електрон бомбардуванням материал 4 віпаровується, потік 5 осідає у виде тонкої плівки 9 на підкладці 10. Змінюючі струм в котушці електромагніта 2, можна скануваті Променя вздовж тигля, что запобігає утворення "кратера" в віпаровуються ,.
Мідні водоохолоджувані тіглі місткістю 50 см и более забезпечують трівалу Безперервна роботу без добавки віпаровується, Який, кроме того, не контактує в розплавленому виде з міднімі стінкамі тигля.
Недоліки ціх віпарніків - складність апаратури харчування і управління, Труднощі випаровуваності металів вісокої теплопровідності (мідь, алюміній, срібло, золото) з водоохолоджуваного тигля, необходимость частої заміні катода , А також харчування високими напругами.
Забезпечення рівномірності товщини плівки
Необхідно забезпечувати рівномірність розподілу товщини плівки на підкладці, що є одним з основних її параметрів.
Мал. 7. Схема осадження плівок з точкового джерела на плоский (а) і сферичний (б) подложкодержателі і на планетарний подложкодержатепь з двома напрямками обертання (в) 1, 5, 7 - плоский, сферичний на планетарний подложкодержателі; 2 підкладки; 3 потік загрожених частинок; 4 - точкове джерело потоку загрожених частинок; 6 - кільце; 8 - вісь подложкодержателя; 9 - приводний обертається вісь.
Товщина плівки в даній точці підкладки визначається кількістю частинок досягають її в одиницю часу. Якби потік наносяться частинок був однаковий на всю поверхню підкладки, плівка вийшла б однакової товщини. Однак площа випарників речовин у багато разів менше площі подложкодержателей. В результаті добитися рівномірності потоку неможливо. Як видно з рис. а, швидкість "несення плівки буде неоднакова в точці О і в точках А і В: чим далі від осі О8 ці точки, тим нижче швидкість нанесення плівки і тим менше її товщина за дане час нанесення. При плоскому підкладки-пержателе нерівномірність товщини плівки становить 20%. Найбільш простим способом зниження нерівномірності розподілу плівки по товщині є збільшення відстані о! (див. рис.7, а). Однак це зменшує швидкість конденсації плівки і коефіцієнт використання речовини. Тому на практиці застосовують більш складні способи, одним яких є надання подложкодержателю сферичної форми (ріс.7,6). Нерівномірність товщини плівки при цьому знижується до 10%. Якщо цього недостатньо, використовують систему з подвійним обертанням, так звану планетарну карусель (рис.7, в), що складається з приводний обертається осі 9, на якій встановлені три подложкодержателя 7. Кожен подложкодержатель може обертатися навколо власної осі 8 при обкатуванні по кільцю 6.
Метод лазерного випаровування
Мал. 8. Лазерний випарник
У методі лазерного випаровування речовина нагрівається при помощц фокусированного випромінювання лазера, що знаходиться поза вакуумної камери . Нанесення плівок за допомогою лазерів можливо завдяки таким властивостям променя: точної фокусуванні світлового плями з допомогою нескладних оптичних систем (рис.8), високої щільності енергії в промені (108-1010 Дж / см2), достатньої для випаровування будь-якого непрозорого матеріалу, точної дозуванні енергії випромінювання. Значна перевага цього способу полягає в тому, що при випаровуванні з допомогою лазерного випромінювання може бути розігрітий тільки невелику ділянку испаряемого речовини, що дозволяє виключити забруднення, що вносяться газовиділення з розігрітих частин звичайних випарних систем.
Методи контролю тонкоплівкових елементів.
Методи контролю тонкоплівкових елементів доцільно розділити на дві групи методи контролю електричних характеристик напилюються елементів і методи контролю основних фізичних характеристик, які аналітично пов'язані з електричними характеристиками напилюваних плівок
Резистивний метод.
Електричний опір плівок вимірюють резистивним датчиком із зовнішнім вимірювальним приладом (рис) Цей метод заснований на тому, що в міру потовщення плівки в процесі росту опір її зменшується. Це дозволяє безпосередньо при нанесенні контролювати опір плівки, а при досягненні номінальної її товщини припинити процес
При вимірах (рис) попередньо виготовляють спеціальну контрольну підкладку (свідок) 1 з ізоляційного матеріалу (скла, ситалла), на яку наносять плоскі контактні площадки 2 з срібла або іншого матеріалу високої провідності. Потім цю підкладку - "свідок" встановлюють в робочу камеру якомога ближче до робочої підкладці 3 Це необхідно для того, щоб обидві підкладки при нанесенні плівки перебували в однакових умовах резистивний плівку наносять на контрольну і робочу підкладки одночасно
Контрольну підкладку встановлюють в подложкодержатель поруч з робочою підкладкою Опір контрольної підкладки в процесі напилювання Rк реєструється за допомогою зовнішнього приладу - мостової схеми При досягненні певного опору Rк ланцюг зворотного зв'язку забезпечує припинення процесу напилення. Перебудову системи на заданий Rк виробляють змінним резистором ПЗ (див рис)
Вимірювання опору контрольної підкладки визначає пропорційно величину опору квадрата конденсованої плівки (резистивной) згідно з формулою:
Ом,
Наближено коефіцієнт використання речовини можна обчислити таким чином. Спочатку визначають масу речовини, що завантажується на випарник (Мв) Потім, після напилення, визначають масу речовини плівки на підкладці (Мп) Для цього вимірюють товщину плівки dп (м) і обчислюють площу плівки SП (м2)
Масу речовини плівки визначають за формулою:
Мп = ρ 'Sn' dn
де р - щільність речовини, кг / м3
Коефіцієнт використання речовини визначають за формулою
Переваги та недоліки термічного випаровування
Відзначимо переваги і недоліки методу термічного випаровування в порівнянні з іншими методами нанесення плівок.
Перевагами методу термічного випаровування є:
1) висока швидкість випаровування речовин і можливість регулювання її в широких межах за рахунок зміни підводиться до випарника потужності;
2) висока продуктивність при груповий завантаженні і обробці підкладок;
3) можливість одночасно з осадженням плівки отримувати необхідну конфігурацію тонкоплівкових елементів пасивної частини ІС за рахунок використання металевих ( "вільних") масок;
4) можливість вести процес як у високому вакуумі, так і в окислювальному і відновної середовищі розрідженого газу.
Недоліками методу термічного випаровування є:
1) невисока відтворюваність властивостей плівок;
2) труднощі випаровування тугоплавких матеріалів і матеріалів складного складу;
3) поява поверхневих дефектів в результаті вильоту дрібних частинок, які порушують безперервність плівкового покриття;
4) недовгий термін служби і висока інерційність випарників;
5) забруднення плівки матеріалом випарників;
6) невисока адгезія плівок до підкладки.
багатошарові системи
У зв'язку з тим, що жоден з елементів періодичної таблиці не задовольняє всім вимогам, що пред'являються до матеріалів контактних майданчиків, зазвичай застосовують багатошарові системи з декількох матеріалів, нижній з яких (товщиною 10-20 нм) забезпечує необхідну адгезію до підкладки, верхній, ( товщиною 300-800 нм) - високу провідність, необхідні режими зварювання і пайки. У багатьох випадках застосовується третій матеріал товщиною 30-50 нм, з низькою провідністю, проте з гарну корозійну стійкість і високу паяемости або свариваемостью. Як адгезійного шару можуть служити перехідні метали Тi, V, Zr, Cr, Ta, Nb, Hf, NiCr, сплави PC, кермети; в якості провідного шару: Au, Ag, Cu, Al; в якості захисного шару: Ni і ін.
