Технологічні основи електроніки

Реферат

1. Зобразити та описати послідовність формування ізольованих областей в структурі з діелектричною ізоляцією

Рис. 1. Послідовність формування ізольованих областей в структурі з діелектричною ізоляцією:

а - вихідна пластина; б - виборче травлення оксиду, глибоке травлення кремнію, окислення поверхні; в - осадження полікристалічного кремнію; г - шліфування та полірування зворотного боку пластини; д - окислення поверхні; е - готова структура після базової і емітерний дифузії і отримання межз'єднань

На рис.1 представлена ​​послідовність формування структури з діелектричною ізоляцією. У вихідній пластині кремнію n-типу методом фотолітографії витравлюють ділянки окису кремнію, а потім і кремнію по контуру майбутніх елементів. У результаті утворюються канавки по замкнутому контуру. Отриману рельєфну поверхню окислюють. Далі цю поверхню покривають товстим шаром кремнію методом осадження. Внаслідок дезорієнтуючої впливу окисного шару обложений кремній має полікристалічну структуру і служить конструкційним основою майбутньої ІМС. Зворотній бік шліфують, видаляючи монокристалічний шар до розтину окису кремнію на межі областей, і виробляють доведення (для видалення порушеного шару). Після протравлювання та відмивання поверхні її окислюють. Далі в утворилися ізольованих областях монокристалічного кремнію n-типу дифузійним методом формують елементи (базові області, резистори, емітери, області під контакти). Звичайним шляхом отримують і межсоединения на поверхні пластини. Якщо вихідна пластина містить епітаксійний n +-шар, то транзистори виходять з прихованим шаром.

2. Зобразити схему технологічного процесу виготовлення ІМС епітаксійних-планарної структури без прихованого шару.

Рис. 2. Послідовність формування епітаксійних-планарної структури:

а-вихідна пластина; б-підбурювання оксиду, підготовка поверхні, по-епітаксиальні нарощування n-шару, окислення поверхні; пана розтин вікон в оксиді під ізолюючу (розділову) дифузію домішки; д - дифузія акцепторної домішки, окислення поверхні; е - готова структура після формування дифузійних базових і емітерний областей, а також отримання межз'єднань

Щоб отримати просту епітаксійних-планарную структуру, в якості вихідної заготовки використовують монокристаллическую пластину кремнію, рівномірно леговану акцепторної домішкою. Для нанесення епітаксійного шару на одну зі сторін пластини її звільняють від оксиду і ретельно очищають (рис.2), після чого проводять осадження монокристалічного кремнію шару n-типу. Далі поверхню пластини окислюють і методом фотолітографії розкривають вікна у вигляді вузьких замкнутих доріжок, відповідних контуру колекторних і ізолюючих областей ПМС. Проводячи через вікна дифузію акцепторної домішки до змикання її з р-областю, отримують таким чином ізольовані один від одного острівці рівномірно легованого епітаксіального n-кремнію. Розглянутий процес дифузії називають ізолюючої або розділювальної дифузією. В отриманій на даній стадії заготівлі (рис. 2, д) в подальшому формують базові і еміттерние області (дифузійним методом), а також контакти і межсоединения.

3. Яким чином здійснюється ізоляція в ізопланарной структурі

Рис. 3 Послідовність формування ізольованих областей

в ізопланарной структурі:

а-пластина з епітаксіальним і прихованим верствами, б - нанесення шару нітриду кремнію;

в - виборче травлення нітриду кремнію по контуру майбутніх елементів; г - глибоке окиснення кремнію; д - підбурювання нітриду кремнію і окислення поверхні;

е-готова структура після формування базових і емітерний областей а також межз'єднань

На рис. 3, е представлена ​​ізопланарная структура транзистора, в якій донна частина 2 колектора ізольована від монокристаллической пластини

р-n-переходом, а бічна 1 - товстим шаром оксиду, отриманим наскрізним локальним окисленням епітаксійного шару.

Початкові стадії процесу одержання ізопланарной структури наступні (рис. 3). На поверхню пластини, що містить епітаксиальні n + - і n-шари, осаджують (з газової фази) шар нітриду кремнію Si3N4. Методом фотолітографії в цьому шарі утворюють захисну маску з вікнами по контуру колекторних областей. В процесі окислення нітридних маска зберігається. Потім її стравлюють і всю поверхню окислюють. Далі проводять дифузію для формування бази і емітера, формують контактні вікна і межсоединения.

4. Чи використовується епітаксії при створенні КМДП-структури

Повна ізоляція МДП-транзисторів забезпечується при формуванні їх у вигляді острівців на монокристаллической ізолюючої пластині. В якості ізолюючої пластини зазвичай використовують синтетичний сапфір, що має досить хороше Кристалографічний пару з кремнієм. Тому ці структури отримали назву структур «кремній на сапфірі» або скорочено КНС. Епітаксійних вирощений на сапфірі кремній має високу щільність структурних порушень (дислокації), що помітно знижує рухливість носіїв заряду. Внаслідок цього структури на біполярних транзисторах виявилися не ефективними і найбільш широке застосування знайшли МДП-КНС-структури, особливо КМПД-КНС-структури. На відміну від структур, ізольованих р-n-переходом, коли використовується високоомних (слаболегірованная) пластина, структури на ізолюючої пластині стійкі до температурних і радіаційного впливу.

Рис. 4 Послідовність формування КМДП-КНС-структури:

а-вихідна пластина «сапфір-епітаксійний кремній-окис кремнію», б-виборчі анізотропне травлення кремнію з допомогою оксидної маски (освіта острівців), по-виборча дифузія акцепторної домішки; г - зняття маски з острівців; д - маскування острівців за допомогою SiO2 ; е - виборче покриття фосфорсілікатним склом (ФСС) р-острівців і загальне покриття боросилікатне склом (БСС); ж-структура після дифузії домішок і нацьковування БСС, ФСС і SiO2, з - готова структура після нанесення SiO2 і формування межз'єднань

У процесі формування КМДП-КНС-структури (рис. 4) методом епітаксійного нарощування (процес гетероепітаксіі) створюють суцільний шар високоомного п-Si. Після маскування окисом кремнію і анізотропного травлення одержують окремі ізольовані острівці п-Si. Провівши повторне маскування окисом кремнію, методом дифузії частина острівців легують акцепторної домішкою на всю глибину, перетворюючи їх у острівці р-Si. Попередньо захистивши маскою з окису кремнію ділянки майбутніх каналів, вибірково покривають р-острівці фосфоро-силікатною (SiO2.P2O5), а n-острівці - боросилікатне (SiO2.B2O3) стеклами. Подальшим нагріванням дифундують до-норни (Р) і акцепторних (В) домішки з легованих стекол в області стоків і витоків. Надалі скло і ділянки SiO2 стравлюють, наносять шар окису кремнію, витравлюють ділянки оксиду під затвор, вирощують тонкий шар діелектрика і формують затвори, а також межсоединения. Гетероепітаксіальние шари, отримані в таких структурах, мають невелику товщину (~ 1 мкм), що обумовлено відносним недосконалістю кристалічної структури, вирощуваної на сапфірі: зі збільшенням товщини плівки щільність дислокації збільшується.

МДП-прилади, в яких у якості носія використовується тонкий приповерхневий шар, цілком можуть бути реалізовані в тонких епітаксійних шарах порядку десятих часток мікрометра. Проте тонкі епітаксиальні шари практично виключають можливість багаторазового освіти окису кремнію за рахунок термічного окислення, так як товщина шару SiO2, необхідного для захисту при термічній дифузії, порівнянна з товщиною такого епітаксійного шару. Тому зазвичай шари окису кремнію отримують методом осадження з газової фази, що, до речі, дозволяє використовувати відносно низькі температури.

5. Вказати недоліки методів дифузії

Метод термічної дифузії домішки має ряд недоліків і обмежень.

1. Висока температура процесу призводить до перерозподілу домішки в раніше сформованих шарах і областях і зміщення р-n-переходів, що ускладнює відтворюваність активної бази транзисторів товщиною менше 0,6 мкм.

2. Наявність бічний дифузії збільшує площу окремих дифузії-онних областей і елементів в цілому.

3. Залежність коефіцієнта дифузії і розчинності домішки від температури виключають можливість використовувати багато напівпровідникові матеріали і легуючі елементи, перспективні для мікроелектроніки.

6. Бажано чи ні присутність другого максимуму на профілі розподілу домішки

Профіль розподілу. При опроміненні монокристаллической мішені іонами в напрямках, що відрізняються від основних, профіль розподілу впроваджених атомів описується нормальним законом розподілу (рис. 5):

Рис.5 Профілі розподілу електрично активних атомів бору при різних

енергіях іонного пучка

(1)

де Q - доза легування [см-2]; - ​​середня довжина пробігу іонів [см];-середньоквадратичне відхилення довжин пробігів [см].

Максимальна концентрація домішки, відповідна середній довжині пробігу,

(2)

а концентрація домішки на рівні р-n-переходу

(3)

Якщо допустити, що в процесі відпалу вся впроваджена домішка переходить в активний стан, а перерозподілом домішки можна знехтувати, то глибина залягання р-n-переходу з (2) та (3) виявиться рівною

(4)

Знак «±» вказують на можливість отримання двох переходів на різній глибині, тобто утворення заглибленого (прихованого) шару. Так, наприклад, при впровадженні бору з енергією іонів 160 кеВ і концентрацією Nmax = 1018 см-3 в пластину з концентрацією фосфору Nісх = 1016 см-3 утворюються два переходи на глибині 0,248 і 3,952 мкм. Необхідна при цьому доза легування згідно (2) дорівнює 2,9 х1013 см-2. Рішення оберненої задачі, тобто визначення енергії іонів, необхідної для утворення переходів на заданій глибині, може бути виконано лише на ЕОМ за допомогою ітераційних алгоритмів.

У монокристалах можна виділити напрямки, вздовж яких є періодично розташовані атомні ланцюжка і вільні від атомів канали. При опроміненні мішені в таких напрямках спостерігаються аномально великі пробіги іонів, так як більша їх частина проникає вглиб решітки по каналах, відчуваючи відносно слабкий гальмування. У кремнії ефект каналювання іонів спостерігається у напрямках, і. Найменша щільність атомів має місце у площинах {110} (мал. 6), найбільша - у {111}. Відповідно середня довжина пробігу іонів у напрямках вдвічі більше, ніж у напрямках.

Рис. 6 Проекція структури Si на площину (110)

При каналювання втрати енергії іонів відбуваються в основному за рахунок взаємодії з електронами. Ядерне гальмування в каналі можливо тільки при зіткненні іонів з атомами напівпровідника і домішки, розташованими в міжвузля. Частина іонів відчуває раннє гальмування поблизу поверхні кристала через зіткнення з атомами кристалічної решітки. У міру опромінення мішені щільність дефектів в приповерхневому шарі зростає (канали перекриваються атомами, зміщеними в область каналу) і ефект каналювання зникає. Характер розподілу домішок, що відповідає описаним явищам, зображений на рис. 7. При великих дозах опромінення у розподілі домішки є два максимуми.

Рис. 7 Розподіл домішки при каналювання іонів:

1 - при помірних дозах легування;

2 - при великих дозах легування

7. Який мінімальний розмір елементів можна отримати при рентгенівській літографії? Чим обмежена роздільна здатність?

За допомогою рентгенівської літографії можна досягти дозволу

до 0,05 мкм.

На відміну від фотолітографії, де експонування виробляється широкими коллімірованнимі світловими пучками, рентгенолітографія не має відповідної «оптикою» і експонування на рентгенівських установках доводиться виконувати в пучках з великим кутом розходження. При наявності зазору між шаблоном і підкладкою це призводить до спотворення розмірів і зміщення елементів малюнка, переданого в шар резиста. Максимальне зміщення елемента виникає на периферії пластини і одно, параметри на рис. 8.

Рис. 8 Схема експонування на рентгенівській установці з обертовою мішенню

Крім того, кінцеві розміри плями на поверхні мішені з-за низького ступеня фокусування знижують контрастність зображення в шарі резиста. Розмитість зображення, тобто ширина зони півтіні по контуру елемента,. Задовільні результати отримують при mm, мкм і див

Розбіжні пучки рентгенівських трубок мають в площині підкладки невисоку щільність потоку енергії. Це змушує використовувати у виробництві високочутливі негативні рентгенорезісти, мають свій обмежений (~ 0,5 мкм) дозволом.

8. Дати характеристику діелектричних паст, які використовуються при виготовленні ізоляції товстоплівкових ІМС.

Діелектричні пасти поділяють на два види: для діелектриків конденсаторів (типу ПК) і для міжшарової ізоляції (типу ПД).

Конденсаторні пасти повинні забезпечувати питомі ємності порядку тисяч пікофарад на 1 см2 при товщинах плівки до 40 мкм. У зв'язку з цим функціональну фазу складають з порошків сегнетоелектриків (наприклад, титанату барію ВаТiO3), що мають високі значення діелектричної проникності. Особливі вимоги пред'являються при цьому до конструкційної зв'язці, яка повинна не реагувати з функціональною основою, забезпечувати суцільність структури і утворювати тонкі прошарки між функціональними частками (для забезпечення високих значень). Паста ПК-1000-30 на основі титанату барію добре поєднується з провідниками на основі срібно-паладієвих паст і вжигают при t = 600-650 ° С. При товщині 25-30 мкм вона має питому ємність 3700-10000 пф/см2, тобто того ж порядку, що і тонкоплівкові конденсатори.

Пасти для міжшарової ізоляції і захисних покриттів повинні володіти питомою ємністю не вище 200 пф/см2. Товщина ізоляційних шарів досягає 70 мкм. Такі пасти складають на основі стекол, які в цьому випадку одночасно є і функціональної, і конструкційної фазами. Наприклад, пасту ПД-2 складають на основі скла СУ-273 з добавкою Al2O3 в якості наповнювача. До складу органічної зв'язки входять каніфоль, стеаринова кислота, вазелінове масло, ланолін, вакуумне масло. Паста забезпечує СO = 120 пф/см2 при пробивном напрузі 500 В.

Основна технологічна задача при формуванні шарів зі скла полягає в тому, щоб уникнути розтікання шару в процесі вжигания, а також при повторних нагревах. Розтічність зменшує товщину шару, за рахунок чого зростає питома ємність, а також призводить до затікання скла на контактні площадки.

Хороші результати при створенні міжшарової ізоляції дають пасти на основі сіталлоцементов, в яких при нагріванні утворюється кристалічна фаза (по типу ситалів), що запобігає розм'якшення шаруючи при повторних нагревах. Наприклад, сіталлоцемент марки СЦ-273, синтезований на основі стекол системи SiO2-PbO-ZnO-TiO2, вжигают при температурі 750 ° С. Для зменшення його розтікання при вжигания вводять наповнювачі: порошок Al2O3 (15-20 мас.%) І порошок 22ХС (0-5 мас.%). Питома ємність у цьому випадку становить 180 пф/см2 при товщині шару 60-70 мкм. При тій же товщині сіталлоцементи СЦ-215 і СЦ-36 на основі SiO2-BaO-Al2O3 з порошком 22ХС забезпечують Зі = 120 пФ/см2.

При приготуванні паст їх компоненти точно зважують відповідно до рецептури і ретельно перемішують.

9. Описати способи підгонки товстоплівкових елементів

Підгонка товстоплівкових резисторів полягає у видаленні частини їх матеріалу, в результаті чого опір резисторів зростає. Підгонка товстоплівкових конденсаторів полягає у видаленні частини верхньої обкладки, в результаті чого ємність конденсаторів зменшується. Тому, щоб виключити несправний шлюб, потрібно налаштовувати процес друку елементів шляхом коригування складу паст або товщини шарів так, щоб резистори мали явно занижені значення опорів, а конденсатори-завищені-значення ємності (рис. 9).

Рис. 9 Відносне розташування полів розсіювання та допуску до підгонки:

а - для товстоплівкових резисторів; б - для товстоплівкових конденсаторів (і - Поля допусків на опір резисторів і ємність конденсаторів відповідно)

При підгонці конденсаторів необхідно ретельно підбирати режими обробки щоб уникнути короткого замикання обкладок. У процесі підгонки висновки підкладки встановлюють у контактне пристосування, що зв'язує елементи схеми з вимірювальним пристроєм. Потім, послідовно «опитуючи» елементи, їх вимірюють і обробляють. Для цього кожен елемент схеми повинен мати індивідуальний вихід на висновки підкладки. При необхідності вводять або тимчасові (технологічні) перемички, згодом видаляються (рис. 2.50, а), або тимчасові армовані висновки, які відрізають після підгонки (рис. 2.50,6).

Рис. 10 Підложки з товстоплівкових резисторами (а) і конденсаторами (б)

При підгонці елементів на підкладках, що не мають висновків (за аналогією з сіталловимі підкладками тонкоплівкових мікросхем, контактування здійснюється через контактні майданчики елементів за допомогою зондів вимірювального пристрою.

Для підгонки застосовують лазерні установки «Кварц-5», «Темп-10», а у великосерійному автоматизованому виробництві-автомати підгонки «Темп-30». Установка «Кварц-5», наприклад, призначена для підгонки резисторів імпульсами випромінювання з довжиною хвилі 0,34 мкм. Потужність в імпульсі досягає 30 кВт. Продуктивність установки 300 резисторів на годину.

Гетерогенний характер структури товстоплівкових резисторів дозволяє ефективно використовувати і струмовий підгонку. При подачі на резистор високовольтного імпульсу відбуваються пробої скляній прошарку, що розділяє частки функціональної фази, і виникають додаткові канали провідності. У результаті опір резистора зменшується. Прийнятна швидкість зміни опору (%) досягається при амплітудах імпульсу 50-500 В і тривалості 2-10 мкс. При цьому-число імпульсів звичайно не перевищує трьох. Випробування підігнаних резисторів під навантаженням протягом 1000 год показують, що опір резисторів частково відновлюється.

Важливим етапом операції підгонки, як лазерної, так і струмового, є визначення необхідного впливу на резистор в залежності від результатів вимірювання його опору. При ручних методах вимірювання та управління процесом підгонки необхідний час у багато разів перевищує час власне підгонки. Висока ефективність процесу підгонки можлива лише при використанні автоматизованих систем управління процесом (АСУ).

10. Зобразити схему вакуумної системи багатопозиційної установки для вакуумного напилення

Відомо, що для отримання робочого вакууму витрачається час до 1,5-2 год (навіть при розігрітому дифузійному насосі). Так як час напилення окремого шару рідко перевищує 1-1,5 хв, то прагнуть використовувати багатопозиційні вакуумні установки, що дозволяють, не порушуючи вакууму (за один вакуумний цикл), послідовно або одночасно обробляти кілька підкладок. Ефект ще більш значний, якщо при цьому застосовують групові підкладки. Зазвичай використовують групові сіталловие підкладки стандартного розміру 60х48 або 120х96 мм.

За ступенем безперервності процесу обробки МПВУ можуть бути розділені на дві групи: однокамерні періодичної дії і багатокамерні напівбезперервного або безперервної дії.

Установки першої групи працюють з наступного циклу: установка підкладок-відкачка робочого об'єму - обробка (напилення) - зняття вакууму і розтин-зняття оброблених підкладок. Для таких установок характерно, що допоміжний час на відкачування не перекривається з основним технологічним часом, а також що установка підкладок і їх поєднання з масками виконуються вручну (безпосередньо або через відповідні механізми).

В установках, другої групи відкачка частково (МПВУ напівбезперервного дії) або повністю (МПВУ безперервної дії) поєднується з основним процесом обробки. Це досягається за допомогою багатокамерній системи з різним рівнем вакууму в окремих-камерах. У подібних установках можна виконувати повний цикл виготовлення мікросхеми, тобто напилюють всі шари, тому в обробці одночасно (на різних стадіях) можуть перебувати кілька підкладок. Управління в таких установках (транспортування підкладок і фіксація їх на робочих позиціях) здійснюється автоматично. Таким чином, встановлення другої групи представляють собою автоматичні лінії.

Однокамерна установка періодичної дії має внутрішньокамерної Багатопозиційне пристрій карусельного типу, яке виконують в одному з двох варіантів: або в кожній позиції каруселі (барабані) встановлюють підкладку в комплекті з трафаретом (якщо такі використовують у даному процесі), або на каруселі встановлюють тільки підкладки, а маски розміщують в нерухомому багатопозиційної диску і, таким чином підкладка, переходячи з позиції в позицію, послідовно поєднується з різними масками.

В установках першого типу зазвичай є одна робоча позиція (позиція напилення), тому в кожен момент часу обробляється лише одна підкладка. До таких установок, зокрема, відноситься УВН-2М-2, спрощена схема внутрішньокамерного пристрої якій представлена ​​на рис.11

Рис. 11 Схема внутрішньокамерного пристрої УВН-2М-2:

1 - карусель випарників; 2 - екрани; 3-діафрагма; 4 - карусель трафаретів і підкладок; 5 - нагрівач підкладок; 6 - імітатор з датчиками температури і опору плівки; 7 - електроди війною очищення; 8 - колектор; 9 - заслінка

У даному випадку карусель підкладок і масок має вісім позицій і може безперервно обертатися зі швидкістю 40-150 об / хв. Це забезпечує ідентичність властивостей плівки на всіх підкладках. На базовій плиті змонтована п'ятипозиційна карусель резистивних випарників таким чином, що харчування подається тільки на той випарник, який виведений на робочу позицію.

Технологічні можливості такої установки в основному полягають у напиленні елементів одного шару через трафарети, а також у напиленні двох суцільних шарів (наприклад, резистивного і яка проводить) з подальшою дворазовою фотолитографией.

Внутрішньокамерної пристрій включає в себе також систему іонного очищення, встановлену нерухомо в одній з позицій, систему нагріву підкладок, датчики контролю опору і товщини наноситься плівки.

11. Описати метод одержання плівок шляхом катодного розпилення

Атомарний (молекулярний) потік речовини можна отримати, бомбардуючи поверхню твердого зразка іонами з енергією порядку сотень і тисяч електрон-вольт. Енергія іонів при цьому в кілька разів перевищує теплоту сублімації поверхневих атомів і зразок (мішень) інтенсивно розпорошується. У процесі бомбардування мішень активно охолоджують. Це виключає протікання в ній дифузійних процесів. В умовах підвищеного в порівнянні з термічним вакуумним напиленням тиску значна частина розпорошених атомів розсіюється, що, з одного боку, зменшує швидкість осадження, а з іншого - підвищує рівномірність осадження плівки по площі підкладки. Цьому ж сприяє і велика площа мішені.

Таким чином, у порівнянні з термічним випаровуванням у вакуумі розпорошення іонним бомбардуванням дозволяє:

1) одержувати плівки з тугоплавких металів, перспективних для мікроелектроніки;

2) наносити на підкладку з'єднання і сплави без дисоціації і фракціонування, тобто без зміни вихідного складу;

3) осаджувати окисні, нітридних і інші плівки за рахунок хімічної взаємодії розпиляного матеріалу з вводяться в камеру хімічно активними газами (реактивне катодне розпилення);

4) одержувати рівномірні по товщині плівки на великій площі, зокрема, за наявності поверхневого рельєфу;

5) багаторазово використовувати мішень як джерело матеріалу, що підвищує однорідність процесу і полегшує його автоматизацію (наприклад, в установках безперервної дії);

6) забезпечувати високу адгезію плівок до підкладки завдяки специфічним умовам на підкладці і високої енергії осаждающихся атомів (часткове впровадження в грати матеріалу підкладки);

7) забезпечувати малу інерційність процесу.

Для розпилення мішені використовують 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 ВЧ-поле і т.д.), числом електродів. Таке розмаїття процесів та їх модифікацій обумовлено прагненням поліпшити основні технологічні показники - швидкість осадження, чистоту і однорідність по товщині одержуваної плівки, а також прагненням розширити коло матеріалів, які використовуються для одержання плівок цим методом.

Фізичні основи процесу доцільно розглянути на прикладі найпростішої його різновиди - катодного розпилення на постійному струмі самостійного тліючого розряду.

Рис. 12 Схема катодного розпилення (двоелектродна система) і характер розподілу потенціалу в просторі між катодом і анодом:

1-анод; 2-підкладка, 3 - ізолятор; 4-екран, 5 - катод-мішень

Фізичні основи катодного розпилення. При катодному розпиленні використовують найпростішу двоелектродну схему (рис.12), яка також називається діодним схемою розпилення, яка складається з катода (розпилюється мішені) і анода. Підложки розміщують на аноді. Тліючий розряд створюється в розрідженому аргоні при тиску 1-10 Па. У процесі розпилення безперервно працює система відкачування, а аргон з певним витратою надходить у камеру через натекатель, що і забезпечує заданий тиск газу. Катод-мішень наводиться під негативним потенціалом щодо заземленого анода.

Можливі режими самостійного тліючого розряду можна описати за допомогою вольт-амперної характеристики (рис. 13)

Рис. 13 Вольт-амперна характеристика самостійного газового розряду

У вихідному газовому проміжку «катод - анод» внаслідок фотоемісія катода, впливу космічного випромінювання та інших причин завжди присутні електрони. Крім того, при високих напругах має місце автоелектронна емісія з холодного катода. Тому пробивна напруженість електричного поля в такому проміжку при тисках 1-10 Па становить близько 0,5 кВ / см. Для відстаней між анодом і катодом L = 38 см напруга необхідне для електричного пробою і запалювання розряду (напруга запалювання) порядку 1,5-4 кВ. Купуючи в електричному полі енергію, електрони рухаються до анода, іонізуючи по шляху атоми газу, в результаті чого відбувається лавиноподібне наростання потоку електронів до аноду та (зустрічного) іонів до катода. Внаслідок цього різко підвищується провідність газового проміжку, зростає струм і знижується напруга [до декількох сотень вольт (ділянка 1 на рис. 13)]. Виникає при цьому розряд може стати стаціонарним лише за умови, якщо з катода в розрядний проміжок будуть надходити електрони в кількості, достатній для підтримання концентрації електронів та іонів в розряді. Після досягнення катода іони рекомбінують (нейтралізуються) з електронами, які надходять на катод з зовнішньої ланцюга. Вивільнювана енергія достатня (з певною ймовірністю), щоб викликати емісію електрона з поверхні катода (вторинна іонно-електронна емісія), а при певній кінетичної енергії іони можуть вибивати також атоми з матеріалу катода (розпилення). Вторинні електрони в результаті зіткнень повинні створювати таку кількість іонів (в середньому 1 / на один електрон), яке, з одного боку, компенсує їх спад в результаті нейтралізації, а з іншого - забезпечує постійний приплив вторинних електронів з катода. У цьому випадку розряд підтримує сам себе і називається самостійним тліючим розрядом.

Для тліючого розряду характерно певний розподіл потенціалу, обумовлене розташуванням просторових зарядів. Не розглядаючи тонкої структури розряду, можна виділити в ньому дві основні області: темне катодне простір і позитивний світиться стовп (див. рис. 12). Товщина dк темного катодного простору (ТКП) приблизно дорівнює середній відстані, яке проходить вторинний електрон від катода до першого іонізуючого зіткнення. Надалі електрон ще здатний багаторазово іонізувати молекули газу, оскільки його енергія в момент першого зіткнення становить сотні електрон-вольт і суттєво перевищує енергію, необхідну для іонізації атома, наприклад, аргону (15,7 еВ). Тому безпосередньо за ТКП утворюється область іонізованого газу, в якій число електронів і позитивних іонів приблизно однаково. Ця область (область позитивного стовпа) характеризується високою провідністю і малим падінням напруги. Світіння позитивного стовпа пояснюється порушенням нейтральних молекул при їх зіткненні з електронами, а також рекомбінацією іонів. Завдяки екрануючу дію електронів позитивні іони переміщуються в напрямку до катода головним чином за рахунок дифузії, так як їх дрейф у таких умовах незначний. Досягаючи кордону ТКП, іони прискорюються сильним полем і бомбардують катод. Через відмінності у швидкості іонів і електронів в ТКП утворюється позитивний просторовий заряд, який і зумовлює значне падіння напруги і високу напруженість поля. Таким чином, ТКП, в якому практично зосереджено все поле, відіграє вирішальну роль як у забезпеченні розряду, так і в процесі розпилювання. Воно забезпечує енергію електронів, необхідну для підтримання розряду, і енергію іонів, необхідну для ефективної бомбардування катода-мішені.

У сталому режимі (ділянка 2 ВАХ) падіння напруги в області ТКП приймає певне значення uнк, зване нормальним катодним напругою. Воно залежить від роду газу, його тиску р, матеріалу мішені і до певного значення не залежить від розрядного струму. Останнє пояснюється умовами існування нормального тліючого розряду: при збільшенні розрядного струму (за рахунок збільшення потужності, що підводиться) площа катода, покрита розрядом, збільшується таким чином, що щільність струму залишається незмінною і мінімально необхідної для емісії вторинних електронів, що підтримують самостійний розряд. Через низької щільності струму розпорошення мішені в режимі нормального тліючого розряду незначно.

Коли вся площа катода покриється розрядом, подальше збільшення струму призводить до зростання його щільності. Це веде до підвищення катодного падіння напруги та підвищенню коефіцієнта вторинної електронної емісії, що забезпечують самостійний розряд. Ділянку 3 ВАХ відповідає аномальному тліючому розряду і використовується для розпилення у виробничих умовах.

З підвищенням струму збільшуються щільність струму і інтенсивність розпилення. При деякому значенні щільності струму, що залежить від умов охолодження мішені, катод сильно розігрівається і починає помітно проявлятися термоелектронна емісія. Струм в розряді зростає, а напруга падає, оскільки розряд стає несамостійним і має характер дугового розряду (ділянка 4 ВАХ). Для запобігання переходу тліючого розряду в дуговий високовольтний джерело живлення повинен мати обмеження по потужності, а мішень інтенсивно охолоджуватися.

Основною характеристикою, що визначає ефективність розпилення, є коефіцієнт розпилення kp, що представляє собою середнє число атомів мішені, розпорошених одним іоном. Коефіцієнт розпилення залежить від енергії іона ОІ, його маси (роду робочого газу), матеріалу мішені і в деякій мірі від її температури і стану поверхні, а також від кута падіння іона. У табл. 1 наведені значення коефіцієнтів розпилення для деяких металів.

Таблиця 1 Значення коефіцієнта розпилення

Коефіцієнт розпилення необхідно розглядати як випадкову величину, яка має певними статистичними характеристиками. Як випливає з таблиці, збільшення коефіцієнта розпилення можливо за рахунок збільшення як енергії іонів, так і молекулярної маси газу, в середовищі якого відбувається розпорошення (Аг, Кг).

Збільшення тиску робочого газу підвищує ймовірність зіткнення розпорошених атомів з молекулами газу, в результаті чого частина атомів не приходить на підкладку, а розсіюється в об'ємі камери або повертається на мішень. При цьому швидкості розпилення та осадження падають. Таким же чином впливає на ці параметри збільшення відстані L від катода до підкладки. Мінімально допустиме значення L має кілька перевищувати ширину темного катодного простору dк, інакше ймовірність іонізуючих зіткнень вторинних електронів різко зменшиться і розряд стане нестабільним. У той же час висока енергія електронів поблизу кордону ТКП призводить до того, що інтенсивність бомбардування поверхні підкладки підвищується і вона розігрівається, результатом чого є зниження швидкості осадження, а в ряді випадків - виникнення небажаних-них радіаційних порушень поверхневого шару. На практиці відстань L підбирають експериментально.

Зі сказаного випливає, що масова швидкість розпилення речовини катода, тобто кількість речовини в грамах, розпорошеного з 1 см2 катода в 1 с, визначається для аномально тліючого розряду виразом

w = k (u-uНК) J / (pL) (5)

де і-напруга «анод-катод»; ІНК-нормальний катодне падіння напруги, при якому розпорошення дуже малий;

J-щільність розрядного струму; р-тиск робочого газу; L-відстань «катод-підкладка"; k-постійна, що залежить від роду газу і матеріалу катода.

З проведеного аналізу ясно, що всі технологічні параметри розпилення (і, ІНК, J і р) функціонально пов'язані один з одним і вибір одного з них однозначно визначає значення інших. Це положення ілюструється рис. 14, на якому представлені робочі ділянки вольт-амперних характеристик розряду при різних тисках робочого газу, а також навантажувальна вихідна характеристика блоку живлення. Точка перетину навантажувальної характеристики з ВАХ визначає режим розпилення.

Рис. 14 Сімейство ВАХ аномально тліючого розряду при різних тисках газової

суміші (р1> р2> р3> р4> Р5) і навантажувальна характеристика (N) блоку живлення

При розпилюванні сплавів швидкість процесу для різних компонентів у загальному випадку різна. Забезпечити заданий склад плівок при іонному розпиленні в більшості випадків простіше, ніж при термічному вакуумному напиленні. Один із прийомів полягає у використанні складових (мозаїчних) мішеней, причому співвідношення площ компонентів мішені розраховують, виходячи із заданого складу плівки і коефіцієнтів розпилення.

Умови конденсації розпорошених атомів. При іонному розпиленні (на відміну від термічного вакуумного напилення) потік атомів речовини на підкладку має такі особливості:

1) енергія і напрям удару атомів об поверхню підкладки носять випадковий характер по поверхні і в часі;

2) щільність потоку атомів на підкладку приблизно на порядок нижче, що зумовлює більш низькі швидкості росту плівок (~ 0,5 нм / с);

3) середня енергія атомів, що підлітають до підкладки, на 1-2 порядки вища;

4) поряд з нейтральними атомами в потоці присутні іони розпорошується речовини й електрони;

5) відносний вміст молекул залишкового газу в потоці і на підкладці більш високе.

Ці особливості надають специфічний характер процесу конденсації при іонному розпиленні. Важливим при цьому є наявність на поверхні підкладки розподіленого негативного заряду: прямуючи до аноду, частина потоку електронів залишається на поверхні діелектричної підкладки (а потім і плівки), утворюючи статичний заряд, потенціал якого може досягати 100 В (і більше) щодо заземленого анода. Під впливом негативного заряду виникають потік позитивних іонів залишкового газу, забруднюючої плівку, потік іонів робочого газу, що сприяє десорбції газів, і потік іонів розпорошеного матеріалу катода, який, рухаючись вздовж підкладки до «ямах» потенційного рельєфу, призводить до швидкого утворення великих кристалів. Зростання таких кристалів призводить до раннього утворення суцільної плівки, тобто знижує значення критичної товщини. Крім того, зарядовий механізм конденсації пояснює, чому для плівок не існують критичне значення температури підкладки і критична щільність пучка.

Утворення великих кристалів сприяють також високі енергії нейтральних атомів розпорошеного речовини і нагрівання підкладки через бомбардування. Обидва ці фактори забезпечують високу міграційну здатність атомів.

При катодному розпиленні легше, ніж при термічному вакуумному випаровуванні, досягти рівномірного розподілу конденсату по товщині, так як плоский джерело атомів - катод може за розмірами бути більше відстані до підкладки (30-80 мм). Так, при діаметрі катода 300-350 мм досягається рівномірність конденсату по товщині ± 2% на площі анода діаметром 150 мм. При планетарному русі підкладок на обертовому аноді рівномірність у розподілі конденсату поліпшується до ± 1%.

Раніше були відзначені деякі побічні явища, що сприяють десорбції залишкових газів з плівки. Тим не менш вміст газів у плівці зазвичай залишається високим. Наприклад, при парціальному тиску залишкових газів 10-4 Па осаджена плівка танталу містить до 10 ат. % Кисню. Причина підвищеного вмісту газу в обложеній плівці полягає в низькій щільності потоку розпилених атомів на підкладку, в той час як щільність потоку залишкових газів на підкладку має приблизно той же порядок, що і при термічному вакуумному напиленні. Крім того, ефективність роботи дифузійного насоса (швидкість відкачування) при тиску вище 0,1 Па помітно знижується, і незважаючи на те, що напуск робочого газу виробляють тільки після відкачування до глибокого вакууму (10-4 Па), у присутності робочого газу залишковий газ видаляється менш ефективно, і його парціальний тиск підвищується.