Зміст
Введення
1 Фізичні вакуумні методи
1.1 термовакуумного напилення
1.2 Іонно-плазмові методи отримання тонких плівок
1.2.1 Катодне розпорошення
1.2.2 трьохелектродна система розпилення
1.2.3 Високочастотне розпорошення
1.2.4 Реактивний розпорошення
1.2.5 магнетронного розпилення
1.3 Іонно-променеві методи отримання тонких плівок
1.4 Молекулярно-променева епітаксії
1.5 Лазерне розпорошення
2 Хімічні вакуумні методи
2.1 Реактивний катодне розпилення
2.2 газофазних МОС-гидридні епітаксії з використанням металоорганічних сполук
2.3 Жидкофазная епітаксії
3 Хімічні вневакуумние методи
3.1 Електрохімічне осадження покриттів
3.2 Хімічна металізація
Висновок
Список літератури
Введення
Один із сучасних способів модифікацій виробів машинобудування та приладобудування - зменшення геометричних розмірів їх елементів. Багато з них містять у собі тонкоплівкові покриття, характеристики яких можна змінювати, варіюючи їх товщину. За функціональним призначенням такі покриття пов'язані практично з усіма розділами фізики: механікою, електрикою, магнетизмом, оптикою, а в якості матеріалів для них використовується більшість елементів Періодичної системи.
У галузях промисловості, які виробляють електронні, в тому числі мікроелектронні пристрої, використовують різноманітні технологічні процеси, в яких вихідні матеріали і напівфабрикати перетворюються в складні вироби, що виконують різні радіо-, опто-або акустоелектричні функції. При виготовленні всіх видів напівпровідникових приладів та ІМС в тому чи іншому обсязі використовується технологічний процес нанесення тонких плівок в вакуумі - тонкоплівкова технологія.
У даній роботі представлені основні методи отримання тонких плівок, їх схеми роботи, а так само достоїнства і недоліки цих методів.
Фізичні вакуумні методи
Фізичні методи осадження різних матеріалів добре відомі й досить докладно обговорюються в науковій літературі. Можна сказати, що всі ці технології можливі для отримання оксидних плівок. Нижче наведено короткий огляд цих методів одержання плівок у вакуумі.
Термовакуумного напилення
Термовакуумного метод отримання тонких плівок заснований на нагріванні у вакуумі речовини до його активного випаровування і конденсації випарах атомів на поверхні підкладки. До переваг методу осадження тонких плівок термічним випаровуванням відносяться висока чистота осаждаемого матеріалу (процес проводиться при високому і надвисокому вакуумі), універсальність (наносять плівки металів, сплавів, напівпровідників, діелектриків) і відносна простота реалізації. Обмеженнями методу є нерегульована швидкість осадження, низька, непостійна і нерегульована енергія загрожених частинок.
Суть методу термовакуумного напилення можна пояснити за допомогою спрощеної схеми установки, представленої на рис.1.
Рис. 1 Схема установки термовакуумного випаровування
Речовина, що підлягає покриттю, поміщають в пристрій нагріву (випарник) 1, де воно при досить високій температурі інтенсивно випаровується. У вакуумі, який створюється всередині камери спеціальними насосами, молекули випаруваного речовини вільно і швидко поширюються в навколишній простір, досягаючи, зокрема, поверхні підкладки 2. Якщо температура підкладки не перевищує критичного значення, відбувається конденсація речовини на підкладці, тобто зростання плівки. На початковому етапі випаровування щоб уникнути забруднення плівки за рахунок домішок, адсорбованих поверхнею испаряемого речовини, а також для виводу випарника на робочу температуру використовується заслінка 4, тимчасово перекриває потік речовини на підкладку. У залежності від функціонального призначення плівки в процесі осадження контролюється час напилення, товщина, електричне опору або який-небудь інший параметр. Після досягнення заданого значення параметра заслінка знову перекриває потік речовини та процес росту плівки припиняється. Нагрівання підкладки за допомогою нагрівача 3 перед напиленням сприяє десорбції адсорбованих на її поверхні атомів, а в процесі осадження створює умови для поліпшення структури зростаючої плівки. Безперервно працююча система відкачування підтримує вакуум порядку 10 -4 Па.
Розігрів испаряемого речовини до температур, при яких воно інтенсивно випаровується, здійснюють електронним або лазерним променем, НВЧ-випромінюванням, за допомогою резистивних підігрівачів (шляхом безпосереднього пропускання електричного струму через зразок з потрібного речовини або теплопередачею від нагрітої спіралі). У цілому метод відрізняється великою різноманітністю як за способами розігріву испаряемого речовини, так і по конструкціях випарників.
Якщо потрібно отримати плівку з багатокомпонентного речовини, то використовують кілька випарників. Оскільки швидкості випаровування у різних компонентів різні, то забезпечити відтворюваність хімічного складу одержуваних багатокомпонентних плівок досить складно. Тому метод термовакуумного напилення використовують в основному для чистих металів.
Весь процес термовакуумного напилення можна розбити на три стадії: випаровування атомів речовини, перенесення їх до підкладки і конденсація. Випаровування речовини з поверхні має місце, взагалі кажучи, при будь-якій температурі, відмінною від абсолютного нуля. Якщо допустити, що процес випаровування молекул (атомів) речовини протікає в камері, стінки якої досить сильно нагріті і не конденсують пар (відображають молекули), то процес випаровування стає рівноважним, тобто число молекул, що залишають поверхню речовини, дорівнює кількості молекул, які повертаються в речовина. Тиск пари, відповідне рівноважного стану системи, називається тиском насиченої пари, або його пружністю.
Практика показує, що процес осадження плівок на підкладку відбувається з прийнятною для виробництва швидкістю, якщо тиск насиченої пари приблизно дорівнює 1,3 Па. Температура речовини, при якій р і = 1,3 Па (р і - тиск насиченої пари при температурі випару), називають умовною температурою Т ум. Для деяких речовин умовна температура вище температури плавлення Т пл, для деяких - нижче. Якщо Т ум <Т пл, то ця речовина можна інтенсивно випаровувати з твердої фази (сублімацією). В іншому випадку випаровування здійснюють з рідкої фази. Залежності тиску насиченої пари від температури для всіх речовин, що використовуються для напилювання тонких плівок, представлені в різних довідниках у формі докладних таблиць або графіків.
Друга стадія процесу напилення тонких плівок - перенесення молекул речовини від випарника до підкладки. Якщо забезпечити прямолінійне і спрямований рух молекул до підкладки, то можна отримати високий коефіцієнт використання матеріалу, що особливо важливо при осадженні дорогих матеріалів. За інших рівних умов це підвищує також і швидкість росту плівки на підкладці.
У міру випаровування речовини інтенсивність потоку і діаграма спрямованості для більшості типів випарників поступово змінюються. У цих умовах послідовна обробка нерухомих підкладок призводить до розкиду в значеннях параметрів плівки в межах партії, обробленої за один вакуумний цикл. Для підвищення відтворюваності підкладки встановлюються на обертовий диск-карусель. При обертанні каруселі підкладки по черзі і багаторазово проходять над випарником, за рахунок чого нівелюються умови осадження для кожної підкладки і усувається вплив тимчасової нестабільності випарника. Третьою стадією процесу напилення тонких плівок є стадія конденсації атомів і молекул речовини на поверхні підкладки. Цю стадію умовно можна розбити на два етапи: початковий етап - від моменту адсорбції першого атомів (молекул) на підкладку до моменту утворення суцільного покриття, і завершальний етап, на якому відбувається гомогенний зростання плівки до заданої товщини.
1.2 Іонно-плазмові методи отримання тонких плівок
Іонно-плазмові методи отримали широке поширення в технології електронних засобів завдяки своїй універсальності і ряду переваг у порівнянні з іншими технологічними методами. Універсальність визначається тим, що з їх допомогою можна здійснювати різні технологічні операції: формувати тонкі плівки на поверхні підкладки, труїти поверхню підкладки з метою створення на ній заданого малюнка інтегральної мікросхеми, здійснювати очищення поверхні. До переваги іонно-плазмових методів відноситься висока керованість процесом; можливість отримання плівок тугоплавких матеріалів, а також хімічних сполук і сплавів заданого складу; краща адгезія плівок до поверхні і так далі.
Суть методів іонно-плазмового напилення тонких плівок полягає в обробці поверхні мішені з потрібного речовини іонами і вибиванні атомів (молекул) з мішені. Енергія іонів при цьому становить величину порядку сотень і тисяч електрон-вольт. Утворений атомний потік прямує на підкладку, де відбувається конденсація речовини і формується плівка. Розрізняють іонно-променеве розпорошення, здійснюване бомбардуванням мішені пучком прискорених іонів, сформованим в автономному іонному джерелі, і власне іонно-плазмове розпилення, при якому мішень є одним з електродів у газорозрядної камері і її бомбардування здійснюється іонами, що утворюються в результаті газового розряду.
Для розпилення мішені використовуються іони інертних газів (зазвичай аргон високої чистоти). Джерелом іонів служить або самостійний тліючий розряд, або плазма несамостійного розряду (дугового або високочастотного). В даний час у виробництві застосовують різні процеси розпилення, що відрізняються:
- Характером живлячої напруги (постійне, змінне, високочастотне);
- Способом збудження і підтримки розряду (автоелектронна емісія, термоеміссія, магнітне поле, електричне високочастотне поле);
- Кількістю електродів у газорозрядної камері (двохелектродні, трьохелектродні та багатоелектродних системи).
Розглянемо найбільш широко використовувані іонно-плазмові методи отримання тонких плівок.
1.2.1 Катодне розпорошення
Конструкція установки для катодного розпилення, зображеної на рис. 2, складається з газорозрядної камери 1, в яку вводиться робочий газ (зазвичай аргон) під тиском 1 - 10 Па; катода 2, що виконує функцію розпилюється мішені; анода 3 та закріпленої на ній підкладки 4. Між анодом і катодом подається постійна напруга величиною кілька кіловольт, що забезпечує створення в міжелектродному просторі електричного поля напруженістю близько 0,5 кВ / см. Анод заземлений, а негативна напруга до катода подається через ізолятор 5. Щоб виключити забруднення скляного ковпака камери, поблизу катода закріплюють екран 6.
Рис. 2 Схема установки для катодного розпилення
Електричне поле, що існує між катодом і анодом, прискорює електрони, що утворюються в міжелектродному просторі в результаті фотоемісія з катода, автоелектронної (польовий) емісії, впливу космічного випромінювання або інших причин. Якщо енергія електронів перевищує енергію іонізації молекул робочого газу, то в результаті зіткнення електронів з молекулами газу виникає газовий розряд, тобто утворюється газорозрядна плазма. Для того щоб електрон міг набрати необхідну для іонізації газу енергію, йому потрібно забезпечити мінімально необхідну довжину вільного пробігу. Тільки за цієї умови електрон, рухаючись без зіткнень, здатний збільшити свою енергію до потрібної величини.
Однак, якщо довжина вільного пробігу електронів стає порівнянної з відстанню між катодом і анодом, то основна частина електронів буде пролітати межелектродное простір без зіткнень з молекулами робочого газу. Газорозрядна плазма згасне. Ці два фактори і визначають нижню і верхню межі тисків газу в камері.
Утворюється в результаті газового розряду плазма складається з електронів, іонів та нейтральних молекул робочого газу. Іони під впливом електричного поля прискорюються і бомбардують катод-мішень. Якщо енергія іонів перевищує енергію зв'язку атомів мішені, то відбувається її розпилення. Крім вибивання атомів з поверхні мішені, іони здатні вибити з неї вторинні електрони (вторинна електронна емісія). Ці вторинні електрони прискорюються і іонізують молекули робочого газу; утворюються при цьому іони бомбардують мішень, викликаючи вторинну електронну емісію, і процес повторюється. Таким чином, газовий розряд підтримує сам себе і тому називається самостійним тліючим розрядом.
З підвищенням струму, що протікає через газорозрядну плазму, збільшується щільність іонного потоку і інтенсивність розпилення мішені. При деякій щільності потоку, що залежить від умов охолодження мішені, починає проявлятися термоелектронна емісія. Струм в розряді зростає, а сам розряд стає несамостійним, набуваючи характеру дугового розряду.
Для запобігання переходу самостійного тліючого розряду в дуговий високовольтний джерело живлення повинен мати обмеження по потужності, а мішень інтенсивно охолоджуватися.
Для опису процесів катодного розпилення мішені використовують моделі, засновані на двох механізмах. Згідно першому механізму розпорошені атоми виникають в результаті сильного локального розігріву поверхні мішені самим падаючим іоном (модель "гарячого плями") або швидкої вторинної часткою (модель "теплового клину"). Другий механізм полягає у передачі імпульсу падаючого іона атомам решітки матеріалу мішені, які, у свою чергу, можуть передати імпульс інших атомів решітки, викликавши тим самим каскад зіткнень (модель зіткнень).
Основною характеристикою ефективності процесу розпилення є коефіцієнт розпилення К р, що визначається відношенням кількості вибитих атомів N ат до кількості бомбардують мішень іонів N іон:
По суті коефіцієнт розпилення представляє собою середнє число атомів мішені, вибитих одним іоном. Коефіцієнт розпилення залежить від енергії іонів Е і, його маси (роду робочого газу), матеріалу мішені і в деякій мірі від її температури і стану поверхні, кута бомбардування, тиску газу (за умови, що тиск не виходить за межі, при яких газорозрядна плазма гасне).
1.2.2 трьохелектродна система розпилення
Для підвищення чистоти одержуваної на підкладці плівки процес іонно-плазмового розпилення необхідно проводити при якомога меншому тиску робочого газу. Однак, як вже зазначалося раніше, зниження тиску призводить до того, що при великій довжині вільного пробігу електронів ймовірність їх зіткнення з атомами робочого газу стає мізерно малою, і газовий розряд гасне. Тому для підтримки розряду в камері й забезпечення розпилення мішені при низьких тисках необхідні спеціальні заходи.
Одним з варіантів вирішення проблеми є застосування трьохелектродної системи розпилення, зображеної на рис. 3. Цифрами на малюнку позначені: 1 - термокатодом, 2 - анод, 3 - мішень; 4 - підкладка; 5 - подложкодержатель. Таким чином, в даній системі є три незалежно керованих електрода: термокатодом, анод і розпилюється мішень, потенціал якої щодо термокатодом становить кілька кіловольт.
Рис 3. Трьохелектродна система розпилення
Після досягнення в камері вакууму порядка10 -4 Па термокатодом розігрівають і в камеру через натекатель подають інертний газ при тиску 0,05 - 1 Па. У результаті термоелектронної емісії з катода будуть інтенсивно випускати електрони, що прискорюються вертикальним електричним полем. При напрузі між термокатодом і анодом близько 100 В виникає несамостійний газовий розряд, при цьому розрядний струм досягає декількох ампер. Мішень, що має негативний потенціал щодо катода, відтягує на себе значну частину іонів, що утворюються в газовому розряді, і прискорює їх. У результаті бомбардування мішені іонами відбувається її розпорошення, і розпорошені атоми осідають на підкладці, формуючи тонку плівку. Такі трьохелектродні системи, в яких електричні ланцюги розряду і розпилення розділені і управляються незалежно один від одного, забезпечують гнучкість управління процесом. Швидкість осадження становить одиниці нанометрів в секунду, що в кілька разів перевищує аналогічний показник для двоелектродної схеми катодного розпилення.
Подальший розвиток трьохелектродні систем розпилення призвело до використання автономних іонних джерел. Іонний джерело являє собою газорозрядну камеру з термокатодом, в яку подається робочий газ під тиском ~ 0,5 Па, що забезпечує високу концентрацію іонів. Газорозрядна камера відділена від камери осадження отворами, що калібруються, завдяки чому забезпечується перепад тисків, і тиск в камері осадження, де розташовані мішень і підкладка, складає ~ 0,015 Па. Частина іонів надходить через отвори в камеру осадження, прискорюється і розпилює мішень. Така конструкція дозволяє збільшити швидкість розпилення мішені і підвищити чистоту загрожених на підкладці плівок.
1.2.3 Високочастотне розпорошення
Розглянуті вище методи отримання тонких плівок використовують постійні напруги, прикладаються до електродів системи розпилення мішені. Це дозволяє розпилювати мішені тільки з електропровідних або напівпровідникових матеріалів. Якщо мішень виконана з діелектрика, то при її бомбардуванню позитивно зарядженими іонами на ній дуже швидко буде накопичуватися позитивний заряд. Цей заряд створить електричне поле, яке буде гальмувати бомбардирующие мішень іони. Розпилення мішені дуже швидко припиниться.
Для розпилення діелектричної мішені необхідно між анодом і катодом-мішенню подавати змінну напругу. У цьому випадку мішень по черзі буде оброблятися потоками електронів і позитивно заряджених іонів. При негативному потенціалі на мішені буде відбуватися її розпорошення іонами, а при позитивному потенціалі - нейтралізація заряду потоком електронів. Це в принципі дозволяє розпилювати мішені з діелектричних матеріалів, однак ефективність такого методу розпилення буде невисокою.
Ефективність розпилення можна значно підвищити, якщо між анодом і катодом-мішенню подати змінну напругу частотою близько 10 МГц (зазвичай використовують частоту 13,56 МГц, дозволену для технологічних установок, що працюють в цьому частотному діапазоні). Підвищення ефективності при високочастотному розпиленні пояснюється наступним чином. Маса електронів значно менше маси іонів. Тому, володіючи значно більшою рухливістю, електрони встигають йти за швидкозмінних полем, переходячи з одного електрода на інший. Іони, будучи набагато менш рухливими, не встигають помітно переміщатися в міжелектродному просторі, в результаті чого там утворюється об'ємний позитивний заряд іонів. Крім того, кількість електронів, що надходять на мішень за полперіода, значно перевищує ту кількість, яка необхідна для нейтралізації заряду іонів на мішені. У результаті на діелектричної мішені накопичується негативний заряд електронів. Все це призводить до появи в міжелектродному просторі додаткового електричного поля, яке здатне прискорити частина іонів до великих енергій, що й збільшує ефективність розпилення мішені.
Слід відзначити ще одну важливу обставину. В умовах високочастотного розряду заряджені частинки (електрони і іони) здійснюють коливальний рух з амплітудою А, рівної
де m - рухливість частинки, що залежить від тиску газу; Е0 - амплітуда напряенності змінного електричного поля; w - циклічна частота живлячої напруги.
Якщо відстань між електродами перевищує амплітуду А, то на електроди надходять тільки ті частинки, які знаходяться від електрода на відстані, що не перевищує А. При цьому істотно, що в середній частині розряду електрони здійснюють осцилюючі руху, ефективно іонізуючи газ, тому високочастотний розряд може існувати при більш низькому тиску, і потреба в складній трьохелектродної системи відпадає.
Завдяки пониженому тиску в газорозрядної камері, високочастотні системи з успіхом використовують для розпилення не тільки діелектричних мішеней, але і мішеней з металів і напівпровідників.
1.2.4 Реактивний розпорошення
При реактивному розпиленні в газорозрядну камеру поряд з робочим газом (зазвичай аргоном) додається невелика кількість реакційного активного газу (кисню, азоту та ін), в результаті чого на підкладці утворюється плівка з хімічної сполуки, утвореного атомами мішені і активного газу. Якщо, наприклад, мішень виготовлена з алюмінію, а в якості активного газу використовується кисень, то на підкладці виходить плівка з оксиду алюмінію, якщо ж у камеру додається азот, то вийде плівка з нітриду алюмінію.
Крім оксидних і нітридних плівок, таким способом можна одержувати карбідні і сульфідні плівки, додаючи в камеру відповідно метан СН 4 або пари сірки. Для отримання хімічної сполуки необхідно чітко визначений парціальний тиск активного газу, залежне від матеріалу мішені. Тому частіше виходять не хімічні сполуки, а тверді розчини. На основі однієї мішені з якого-небудь металу і різних активних газів можна отримувати широку гаму властивостей загрожених плівок - від провідних і низькоомних резистивних до високоомних резистивних і діелектричних.
Використовувати реактивне розпорошення замість безпосереднього розпилення мішені з хімічної сполуки доцільно тоді, коли коефіцієнт розпилення цієї хімічної сполуки (оксиду, нітриду і так далі) низький, або тоді, коли технологічно важко виготовити масивну мішень з цього з'єднання. Крім того, реактивне розпорошення створює умови для гнучкого управління властивостями плівок при створенні багатошарових структур (наприклад, плівкових конденсаторів).
У загальному випадку процес осадження плівок при реактивному розпиленні обумовлений трьома механізмами, що діють паралельно:
- Освіта хімічної сполуки на поверхні мішені та його
розпорошення;
- Освіта хімічної сполуки в прогонових просторі "мішень - підкладка" і осадження його на підкладку;
- Взаємодія обложених на підкладці атомів мішені з атомами активного газу.
В умовах невисокого тиску газу в камері ймовірність другого механізму дуже мала і його внесок у загальний процес формування плівки на підкладці незначний. Що стосується співвідношення вкладів першого і другого механізмів, то це залежить від умов розпилювання, а саме, від роду матеріалу мішені і від роду активного газу, від загального тиску газової суміші в камері і від парціального тиску активного газу; від відстані між мішенню і підкладкою. На практиці часто зменшення тиску парціального газу при інших рівних умовах збільшує ймовірність утворення з'єднання безпосередньо на підкладці. У більшості випадків необхідні реакції повністю протікають при утриманні активного газу в газовій суміші (аргон + активний газ) порядку одиниць відсотків.
1.2.5 магнетронного розпилення
Прагнення знизити тиск робочого газу в камері і збільшити швидкість розпилення мішеней призвело до створення методу магнетронного розпилення. Один з можливих варіантів схем магнетронного розпилювача представлений на рис. 4.
Рис. 4 Схема установки для магнетронного розпилення
Цифрами позначені: 1 - мішень, що одночасно є катодом розпилювальної системи, 2 - постійний магніт, який створює магнітне поле, силові лінії якого паралельні поверхні мішені; 3 - кільцевої анод. Вище анода розташовується підкладка (на малюнку не показана), на якій формується плівка з матеріалу мішені.
Відмінною особливістю магнетронного розпилювача є наявність двох схрещених полів - електричного і магнітного.
Якщо з мішені-катода буде випускати електрон (за рахунок вторинної електронної емісії), то траєкторія його руху буде визначатися дією на нього цих полів. Під впливом електричного поля електрон почне рухатися до анода. Дія магнітного поля на рухомий заряд призведе до виникнення сили Лоренца, спрямованої перпендикулярно швидкості. Сумарна дія цих сил призведе до того, що в результаті електрон буде рухатися паралельно поверхні мішені за складною замкнутої траєкторії, близькій до циклоїди.
Важливим тут є те, що траєкторія руху замкнута. Електрон будуть рухатися по ній до тих пір, поки не відбудеться кілька зіткнень його з атомами робочого газу, в результаті яких відбудеться їх іонізація, а сам електрон, втративши швидкість, переміститися за рахунок дифузії до аноду. Таким чином, замкнений характер траєкторії руху електрона різко збільшує ймовірність його зіткнення з атомами робочого газу. Це означає, що газорозрядна плазма може утворюватися при значно більш низькому тиску, ніж у методі катодного розпилення. Значить і плівки, отримані методом магнетронного розпилення, будуть чистішими. Інша важлива перевага магнетронних систем зумовлено тим, що іонізація газу відбувається безпосередньо поблизу поверхні мішені. Газорозрядна плазма локалізована поблизу мішені, а не "розмазана" в міжелектродному просторі, як у методі катодного розпилення. У результаті різко зростає інтенсивність бомбардування мішені іонами робочого газу, тим самим збільшується швидкість розпилення мішені і, як наслідок, швидкість росту плівки на підкладці (швидкість досягає кілька десятків нм / с). Наявність магнітного поля не дає електронам, що володіє високою швидкістю, долетіти до підкладки, не зіткнувшись з атомами робочого газу. Тому підкладка не нагрівається внаслідок бомбардування її вторинними електронами. Основним джерелом нагріву підкладки є енергія, що виділяється при гальмуванні і конденсації загрожених атомів речовини мішені, в результаті чого температура підкладки не перевищує 100 - 200 ° С. Це дає можливість напилюють плівки на підкладки з матеріалів з малою термостійкістю (пластики, полімери, оргскло і так далі).
1.3 Іонно-променеві методи отримання тонких плівок
Тонкі плівки різних матеріалів можна наносити на підкладку, розпорошуючи матеріал мішені пучком іонів інертних газів. Основні переваги цього методу нанесення плівок у порівнянні з методом іонно-плазмового розпилення полягають у наступному:
- Можливість нанесення плівок матеріалів складного складу із збереженням компонентного складу мішені;
- Мале робочий тиск у технологічній камері, обмежене лише швидкістю відкачування вакуумної системи, а не умовами підтримки розряду;
- Відсутність електричних полів в області підкладки, що особливо важливо при нанесенні діелектричних плівок на підкладки з провідних матеріалів;
- Можливість керування зарядами в осаждаемой діелектричної плівці за допомогою електронів, еміттіруемих катодом нейтралізації.
Іонно-променевої метод найбільш ефективний для нанесення плівок багатокомпонентних матеріалів, різних діелектриків, магнітних матеріалів.
Установка іонно-променевого розпилення представлена на рис.5.
Рис. 5 Схема установки іонно-променевого розпилення
Установка містить джерело іонів на основі двокаскадного самостійного розряду з холодним порожнистим катодом 1 і модифікований варіант джерела іонів Кауфмана з відкритим торцем 2. Джерело іонів 1 служить для розпилення пучком іонів аргону з енергією 0,8 кеВ і щільністю струму 0,3 мА/см2 мішені 3 чистотою не гірше 99,8%. По напрямку потоку розпиляного матеріалу встановлено підкладки, закріплені на чотирьох позиціях обертового власника 4. Потік іонів аргону з середньою енергій 80 еВ і щільністю струму 0,45 мА/см2 з джерела іонів 2 служить для очищення та активації поверхні робочої підкладки протягом 2 хвилин перед нанесенням плівки. Джерело іонів 2 під час нанесення плівки відключається, подача аргону через нього припиняється, а термокатодом використовується для нагріву поверхні робочої підкладки.
1.4 Молекулярно-променева епітаксії
В даний час існують два основних технологічних методу епітаксії, що дозволяють формувати багатошарові структури з надтонкими шарами. Це молекулярно-променева (МЛЕ) і газо-фазна епітаксії, в тому числі з використанням металоорганічних сполук (МОС) і гідридів (ГФЕ МОС).
Молекулярно-променева епітаксії проводиться у вакуумі і заснована на взаємодії декількох молекулярних пучків з нагрітою монокристаллической підкладкою.
Основними перевагами методу є: низька температура процесу і висока точність управління рівнем легування. Зниження температури процесу зменшує дифузію домішки з підкладки і автолегірованіе. Це дозволяє отримувати якісні тонкі шари. Легування при використанні даного методу є безінерційним (на відміну епітаксії з газової фази), що дозволяє отримувати складні профілі легування.
МЛЕ полягає в осадженні випарах елементарних компонентів на підігріту монокристаллическую підкладку. Цей процес ілюструється за допомогою рис. 6, на якому наведені основні елементи для одержання сполуки (GaAs).
Рис. 6 Схема установки молекулярно-променевої епітаксії
Кожен нагрівач містить тигель, що є джерелом одного із складових елементів плівки. Температура нагрівачів підбирається таким чином, щоб тиск пари випаровувані матеріалів була достатньою для формування відповідних молекулярних пучків. Випаровувані речовина з відносно високою швидкістю переноситься на підкладку в умовах вакууму. Нагрівачі розташовуються так, щоб максимуми розподілів інтенсивності пучків перетиналися на підкладці.
Підбором температури нагрівачів і підкладки отримують плівки зі складним хімічним складом. Додаткове управління процесом нарощування здійснюється за допомогою заслінок, розташованих між нагрівачем і підкладкою. Використання цих заслінок дозволяє різко переривати або відновлювати попадання будь-якого з молекулярних пучків на підкладку.
1.5 Лазерне розпорошення
Лазерне напилення - унікальний технологічний процес, що дозволяє наносити на поверхню деталей володіють спеціальними властивостями матеріали (метали, карбіди і т.п.), домагаючись, таким чином, відновлення геометрії, підвищення поверхневої міцності, корозійної стійкості, зниження тертя і інших ефектів. На відміну від технології, що використовує тепло електричної дуги або згоряння суміші пального і кисню, лазерне напилення забезпечує менший термічний вплив і змішування матеріалу підкладки з напилюваним матеріалом, при більш міцному їх скріпленні.
Схема установки лазерним випаровуванням представлена на рис. 7.
Рис. 7 Схема установки лазерним випаровуванням.
Глибина проникнення лазерного променя в поверхню мішені мала (приблизно 10 нм). Це означає, що тільки тонкий поверхневий шар матеріалу схильний до дії випромінювання в той час, як решта мішені залишається незачепленою.
Говорячи про переваги лазерного випаровування, можна відзначити, що це один з найбільш швидких методів отримання тонкоплівкових покриттів, він надає чітко орієнтований напрям розповсюдження плазми, поряд зі стехіометричним трансфером матерії від мішені до підкладки.
2 Хімічні вакуумні методи
Метод хімічного осадження тонких плівок здійснюється за напуск в робочу камеру суміші газів, що містить компоненти одержуваної плівки. Головними перевагами методу хімічного осадження є широкий діапазон швидкостей осадження і можливість отримання заданої кристалічної структури плівки (аж до монокристалів), а основним недоліком - використання токсичних, екологічно небезпечних газових сумішей.
2.1 Реактивний катодне розпилення
На відміну від фізичного розпилення реактивне катодне розпилення відбувається в тліючому розряді суміші інертного і активного газів. Частинки розпорошеного катода хімічно взаємодіють з активним газом або утворюють з ним тверді з'єднання, і нова речовина потрапляє в основу. Щоб процес утворення речовини плівки, яка наноситься, не проходив на катоді, що дуже ускладнює горіння розряду, застосовують суміші аргону з вмістом активних газів не більше 10%. Для отримання плівок оксидів розпилення проводять в плазмі аргон-кисень, нітрид - в плазмі аргон-азот, карбідів в плазмі аргон-чадний газ або аргон-метан. При введенні в камеру різних активних газів, отримують плівки різних сполук, які практично неможливо отримати термовакуумного напиленням.
Реактивний катодне розпилення дозволяє не тільки отримати різні за складом плівки, а й керувати їхніми властивостями, наприклад питомий опір резистивних плівок. Реактивний розпорошення широко використовується для формування високоомних резисторів.
Головними технічними труднощами при реактивному катодному розпиленні є точне дозування активного газу, що подається у вакуумну камеру.
2.2 Газовазная МОС-гидридні епітаксії з використанням металоорганічних сполук (МОСГЕ)
Цей не вимагає дорогого устаткування, володіє високою продуктивністю. Достоїнствами МОСГЕ є також незворотність хімічних реакцій, що лежать в його основі, і відсутність у парогазової суміші хімічно активних зі зростаючим шаром компонент. Це дозволяє проводити процес епітаксії при порівняно низьких температурах росту і здійснювати прецизійну подачу вихідних речовин, що дозволяє забезпечити контрольоване легування шарів і отримання структур в широкому діапазоні складів твердих розчинів з різкими концентраційними переходами.
До недоліків МОС-гідридного методу можна віднести високу токсичність використовуваних вихідних сполук, в першу чергу арсин, а також складність хімічних процесів, що призводять до утворення шару GaAs, що ускладнює моделювання умов утворення епітаксійних шарів з потрібними властивостями.
Особливість методу полягає в тому, що в епітаксіальних реакторі створюється високотемпературна зона, в яку надходить газова суміш, яка містить розкладається з'єднання. У цій зоні протікає реакція і відбувається виділення і осадження речовини на підкладці, а газоподібні продукти реакції несуться потоком газу-носія.
Для отримання сполук AIIIBV в якості джерела елемента III групи використовують металоорганічні з'єднання (наприклад, тріметілгаллій (ТМГ) для синтезу GaAs і тріметіліндій (ТМІ) для InP або InGaP). В якості джерел елементів V групи служать гази арсин і фосфін.
2.3 Жидкофазная епітаксії
Жидкофазная епітаксії в основному застосовується для одержання багатошарових напівпровідникових сполук, таких як GaAs, CdSnP2. Готується шихта з речовини наращиваемого шару, легуючої домішки (може бути подана і у вигляді газу) і металу-розчинника, що має низьку температуру плавлення і добре розчиняє матеріал підкладки (Ga, Sn, Pb). Процес проводять в атмосфері азоту і водню (для відновлення оксидних плівок на поверхні підкладок і розплаву) або у вакуумі (попередньо відновивши оксидні плівки). Розплав наноситься на поверхню підкладки, частково розчиняючи її, і видаляючи забруднення і дефекти. Після витримки при максимальній температурі ≈ 1000 ° С починається повільне охолодження. Надлишки напівпровідника осідають на підкладку, що грає роль запалу. Існують три типи контейнерів для проведення епітаксії з рідкої фази: що обертається (що коливається), пенального типу, шиберного типу.
3. Хімічні вневакуумние методи
3.1 Електрохімічне осадження покриттів
Це метод одержання плівок відрізняється від попередніх тим, що робочою середовищем є рідина. Проте характер процесів подібний з іонно-плазмовим напиленням, оскільки і плазма, і електроліт представляють собою квазинейтральной суміш іонів і неіонізованих молекул або атомів. А головне, осадження відбувається також поступово (пошарово) як і напилення, тобто забезпечує можливість отримання тонких плівок.
В основі електрохімічного осадження лежить електроліз розчину, що містить іони необхідних домішок. Наприклад, якщо потрібно осадити мідь, використовується розчин мідного купоросу, а якщо золото або нікель - розчини відповідних солей.
Іони металів дають у розчині позитивний заряд. Тому, щоб осадити металеву плівку, підкладку слід використовувати як катод. Якщо підкладка є діелектриком або має низьку провідність, на неї попередньо наносять тонкий металевий подслой, що й служить катодом. Підшар можна нанести методом термічного або іонно-плазмового напилення.
Велика перевага електрохімічного осадження перед напиленням полягає в набагато більшій швидкості процесу, яка легко регулюється зміною струму. Тому основна сфера застосування електролізу в мікроелектроніці - це отримання порівняно товстих плівок (10 - 20 мкм і більше). Якість (структура) таких плівок гірше, ніж при напиленні, але для ряду застосувань вони виявляються цілком прийнятними.
Один з варіантів хімічного іонно-плазмового напилення називають анодуванням. Цей процес полягає в окисленні поверхні металевої плівки (що знаходиться під позитивним потенціалом) негативними іонами кисню, що надходять із плазми газового розряду. Для цього до інертному газу (як і при чисто хімічному напиленні) слід додати кисень. Т. о., Анодування здійснюється не нейтральними атомами, а іонами.
Хімічне напилювання і анодування проходять разом, тому що в газорозрядної плазмі (якщо вона містить кисень) співіснують нейтральні атоми й іони кисню. Для того щоб анодування превалювало над суто хімічним напиленням, підкладку своєму розпорядженні "обличчям" (тобто металевою плівкою) у бік, протилежний катоду, з тим, щоб на неї не потрапляли нейтральні атоми.
У міру наростання окисного шару струм в анодному ланцюзі падає, тому що оксид є діелектриком. Для підтримки струму потрібно підвищувати напругу живлення. Оскільки частина цієї напруги падає на плівці, процес анодування протікає в умовах великої напруженості поля в окисной плівці. У результаті й надалі вона володіє підвищеною електричною міцністю.
До числа інших переваг анодування відносяться велика швидкість окислення і можливість управління процесом шляхом зміни струму в ланцюзі розряду. Якість оксидних плівок, одержуваних даним методом, вище, ніж при використанні інших методів.
3.2 Хімічна металізація
Хімічна металізація заснована на хімічній "реакції срібного дзеркала" і полягає в нанесенні на поверхні пластмас, пластику, алюмінію, кераміки металлизируемого виробів дзеркальних металевих покриттів, які мають високу відображає здатність. Дзеркальні металізовані поверхні, що утворюються в результаті хімічної металізації, відрізняються цілим рядом істотних переваг. По-перше, такий метод як хімічна металізація практична з економічної точки зору. Він не є технічно складним і оптимально вписується в технологічні процеси. По-друге, металізація універсальна. По-третє, металізовані поверхні, одержувані з застосуванням методу, як хімічна металізації, відрізняються прекрасними механічними властивостями, зокрема високою зносостійкістю і твердістю. По-четверте, хімічна металізація зручна тим, що розміри металлизируемого деталей практично не обмежені. По-п'яте, такий процес як хімічна металізація абсолютно нешкідливий в екологічному відношенні, він не завдає шкоди здоров'ю людей та навколишньому середовищу.
При використанні методу хімічної металізації технологічний процес здійснюється в три основних етапи. Спочатку на поверхню деталі наноситься шар спеціального сполучного грунту, активного по відношенню до подальшого металевому шару. Потім за допомогою установки "Мета-хром", призначеної для хімічної металізації пластмас, на вкриту сполучною грунтом поверхню напилюють спеціально підготовлені хімреагенти, які в результаті хімічної реакції і утворюють на поверхні деталі дзеркальне металеве покриття. Нарешті, на отримане дзеркальне покриття наноситься шар захисного лаку, що охороняє металізовану поверхню від потьмяніння і механічного зносу. Після затвердіння і висихання захисного лаку металізоване покриття виглядає точно так само, як якщо б воно було нанесено методом електролітичного осадження. Додаючи в захисний лак фарбувальні пігментні тонери, можна додати покриттю зовнішній вигляд хрому, алюмінію, золота, міді, бронзи, інших металів і сплавів.
Висновок
У дослідників, що зацікавилися в дослідженні тонких плівок, є широкий вибір методів їх виготовлення. У загальному випадку, ці методи можуть бути розбиті на два класи. Один клас об'єднує методи, засновані на фізичному випаровуванні або розпиленні матеріалу з джерела, наприклад термічного випаровування або іонне розпилення. У іншому класі зібрані методи, засновані на використанні хімічних реакцій. Сутність реакцій в цьому класі методів може бути різною: електричне розділення іонів, як наприклад при електрохімічному осадженні і анодування, або використання теплових об'єктів, як наприклад при осадженні із парової фази і термічному вирощуванні. У даній роботі була зроблена спроба зробити класифікацію методів отримання тонких плівок, засновану на такому принципі підрозділи.
Після розгляду різних методів отримання тонких плівок зроблено висновок, що немає оптимального вибору методу отримання тонких плівок. Вибір методу залежить від типу необхідної плівки, від обмежень у виборі підкладок і часто, особливо у випадку багаторазового осадження, від загальної сумісності різних процесів, що протікають при застосуванні цього методу.
Список літератури
1. В. І. Смирнов. Фізико-хімічні основи технології електронних засобів. Навчальний посібник. Ульяновськ. 2005.
2. Технологія тонких плівок. Довідник. Під ред. Л. Майссела, Р. Гленга. Том 1. М.: Радянське радіо. 1977.
3. М. І. Сущенцов. Основи технології мікроелектроніки. Лабораторний практикум. Йошкар-Ола. 2005.
4. Ю. Панфілов. Нанесення тонких плівок у вакуумі. "Технології в електронній промисловості, № 3'2007", С 76-80.
5. Ф. І. Григор 'єв. Плазмохимическое та іонно-хімічне травлення в технології мікроелектроніки. Навчальний посібник. М.: 2003.