Нанесение тонких пленок в вакууме

Юрий Панфилов

Осаждение тонких пленок в вакууме включает три этапа: генерацию атомов или молекул, перенос их к подложке и рост пленки на поверхности подложки. Состав и структура пленки зависят от исходных материалов, метода и режимов нанесения, обеспечивающих необходимый энергомассоперенос материала.

В таблице представлена классификация методов нанесения тонких пленок в вакууме, в основу которой положены физические принципы генерации и переноса потоков атомов или молекул, способы реализации этих принципов и конструктивное исполнение.

Основными технологическими режимами нанесения тонких пленок в вакууме являются: давление в рабочей камере ρ_βακ (остаточных газов — вакуума) и р_{р г} (рабочего газа — инертного, химически активного; смеси газов), Па; Т„ — температура подложки (изделия), К; V_amax — максимальная скорость осаждения пленки, мкм/с; Е— энергия осаждающихся атомов, молекул, ионов и кластеров, эВ; К_и.— доля ионизированных частиц.

В приведенных в таблице формулах использованы также следующие обозначения: р_нас—давление насыщенного пара, Па; М— молекулярная масса испаряемого материала, кг/кмоль; Т_ит — температура испарения, К; F_{u p} — площадь поверхности испарения или распыления, м²; d— расстояние от источника до подложки, м; р — плотность осаждаемого материала, кг/м³; j_u — плотность ионного тока, А/м²; S —
коэффициент распыления, атом/ион; q_dan — допустимая плотность потока энергии на поверхность конденсации, Вт/см²; Е_тт — оптимальная энергия осаждающихся частиц, эВ; p_i ρ _i и М_i — соответственно, парциальное давление (Па), плотность (кг/м³) и молекулярная масса (кг/кмоль) осаждающихся из газовой смеси компонентов п.

Условные обозначения методов приняты с целью использования их в базах данных и автоматизированных экспертных системах.

Осаждение тонких пленок в вакууме методом термического испарения DO осуществляется путем подведения к веществу энергии резистивным D00 (прямым D000- D002 и косвенным D003) и высокочастотным D01 нагревом, электронной бомбардировкой D02,

электронно-лучевым нагревом D03 и нагревом с помощью лазерного излучения D04. При температуре вещества, равной либо превышающей Т_иш, частицы покидают испаритель, переносятся в вакууме на подложку и конденсируются на ее поверхности в виде тонкой пленки.

Если помимо физических процессов, происходящих во время осаждения тонкой пленки, при напуске в рабочую камеру реактивного газа в пространстве между источником и подложкой или на поверхности подложки протекает химическая реакция, то соответствующий метод называется реактивным D___R, например, для получения пленок нитрида титана 2Ti + N₂ = 2TiN.

К достоинствам метода осаждения тонких пленок термическим испарением относятся высокая чистота осаждаемого материала (процесс проводится при высоком и сверхвысоком вакууме), универсальность (наносят пленки металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков) и относительная простота реализации. Ограничениями метода являются нерегулируемая скорость осаждения У₀, низкая, непостоянная и нерегулируемая энергия осаждаемых частиц Е.

При молекулярно-лучевом методе D05 используются эффузионный источник в виде ячейки Кнудсена и капиллярный испаритель, в которых энергия к веществу подводится благодаря резистивному нагреву. Наличие тепловых экранов и контроль температуры обеспечивают одинаковую энергию испаренных частиц Е и идеальную диаграмму распределения частиц по направлениям (косинусоидальный закон Кнудсена).

Сущность метода осаждения тонких пленок в вакууме ионным распылением D1 заключается в выбивании (распылении) атомов вещества из поверхностных слоев мишени высокоэнергетичными ионами рабочего газа (обычно инертного Аг). Ионы образуются в газовом разряде при давлении р_{р г} = 10-5· 10^-2 Па и ускоряются до энергии 0,7-5 кэВ вследствие приложения к мишени отрицательного потенциала в 0,7-5 кВ. Распыленные из мишени атомы осаждаются в виде тонкой пленки на поверхности
подложки.

Таблица. Методы нанесения тонких пленок в вакууме

Различают ионно-плазменный D10 и ионно-луче-вой D11 методы, в которых используются тлеющий (типы D100, D101, D103, D104 и D105) и несамостоятельный (D102) газовый разряды, а также автономные источники ионов Кауфмана (с горячим катодом — тип D110) и Пеннинга (с холодным катодом — тип Dili). При использовании в качестве рабочего газа смеси из Аг и химически активного газа (0₂, N₂ и т. п.) реализуется реактивный метод
осаждения оксидов, нитридов и т. п. (типы — D10_R и D11_R).

Достоинствами метода осаждения тонких пленок ионным распылением являются универсальность (можно наносить металлы, сплавы, диэлектрики, магнитные композиции), регулируемая скорость осаждения У₀ и относительно простая конструкция. К недостаткам относятся невысокая чистота осаждаемой пленки (из-за наличия рабочего газа), низкая и нерегулируемая энергия осаждаемых частиц Е.

Тонкопленочные покрытия получают путем испарения вещества взрывом D2 при импульсном воздействии на него лазерного излучения D20 или электронного пучка D21, а также при пропускании мощного импульса тока через образец из наносимого материала в форме тонкой проволоки или фольги D22. Продукты взрыва с большой скоростью (энергия частиц Е составляет 1-10 эВ) переносятся к подложке (детали) и конденсируются на ее поверхности в виде тонкой пленки.

Достоинством метода является высокая скорость осаждения У₀ и хорошая адгезия тонкопленочного покрытия, однако его применение ограничено сложностью реализации и большой неравномерностью толщины пленки.

Осаждение тонких пленок дуговым разрядом в вакууме D3 происходит за счет эрозии вещества в сильноточных дуговых разрядах (с холодным D30 и горячим D31 катодом), образования ионизированной паровой фазы (20-100% ионов), переноса ее с большой скоростью (энергия частиц Е — до 10 эВ) и конденсации на поверхности подложки.

К достоинствам метода осаждения тонких пленок дуговым разрядом в вакууме относятся: практически неограниченная электрическая мощность; высокий коэффициент ионизации испаряемых частиц K_u; возможность получения пленок сплавов, окислов, нитритов, карбидов и т. п., причем, как путем использования мишеней из этих материалов, так и реактивным методом (типы D30_R и D31_R); отсутствие необходимости в дополнительном газе для ионизации; скорость осаждения V₀ — максимально возможная (ограничивается
допустимым
потоком энергии на поверхность конденсации). Недостатками являются наличие в потоке осаждаемого вещества капельной фазы, нерегулируемая энергия частиц Е и относительная сложность конструкции дуговых источников.

Продолжение таблицы. Методы нанесения тонких пленок в вакууме

В основе методов ионного осаждения тонких пленок D4 лежит сочетание двух процессов: 1) генерации плазмы исходного вещества с помощью одного из типов электрического разряда или ВЧ-индуктора и 2) ускорения ионов или всей квазинейтральной плазмы с последующей конденсацией на поверхности подложки (детали). Исходное вещество получаютс помощью одного из методов термического испарения DO (термоионный метод D40); из газовой смеси, содержащей компоненты
осаждаемой пленки (ионно-плазменный D41 и ионно-лучевой D42 методы); с помощью дугового разряда D3, который используется как первая ступень плазменного ускорителя (плаз-мотронный метод D43).

Основными достоинствами метода ионного нанесения тонких пленок являются регулируемая в широких пределах энергия осаждаемых частиц Е (оптимальной считается энергия Е_опт = 100 эВ) и высокая скорость осаждения V₀, а главными недостатками — сложность реализации и распыление конструкционных материалов, а следовательно, и загрязнение плазмы и получаемой пленки.

Метод химического осаждения тонких пленок D5 осуществляется при напуске в рабочую камеру (реактор) смеси газов, содержащей компоненты получаемой пленки, и делится на осаждение атомов и молекул непосредственно из газовой фазы D50 и плазмо-химическое осаждение электрически нейтральных атомов, молекул и радикалов D51. Существуют CVD-методы (D500 и D501), газофазная эпитаксия (D502), термическое окисление (D503), методы плазмо-химического осаждения (D510 — D513).

Главными преимуществами метода химического осаждения являются широкий диапазон скоростей осаждения V₀ и возможность получения заданной кристаллической структуры пленки (вплоть до монокристаллов), а основным недостатком — использование токсичных, экологически небезопасных газовых смесей.

Особенностью технологии тонких пленок является возможность управлять параметрами тонко пленочных покрытий с помощью изменения структуры и геометрических размеров пленки (в первую очередь толщины), а также ее состава. Получать пленки с заданным составом можно реактивным нанесением, путем использования мишеней сложного состава, с помощью одновременного осаждения различных материалов из нескольких источников.

Реактивным методом можно получить пленки оксидов, нитридов, карбидов и т. п. Условием стабильности процесса является выполнение неравенства р_реак<р_кр, где р_реак — парциальное давление реактивного газа; р_кр — критическое давление, при котором происходит изменение химического состава поверхности мишени, приводящее к заметному изменению режимов осаждения пленки (т. е. скорость испарения или распыления мишени должна быть больше, чем скорость действия
на ней оксида, нитрида и т. п.). В качестве примера можно привести изменение энергии межатомных связей U₀ распыляемого материала и его оксида: U_0(Ti) = 4,9эВ;U_0(TiO) = 6,8 эВ;U_0(Al)=3,2 эВ;U_0(Al2O3) = 19,2 эВ. Величина рассчитывается исходя из условия наибольшей вероятности осуществления химической реакции на подложке:

p_кр =5,4×10¹⁰V_p/ΔG [Па],

где V_p — скорость распыления мишени, нм/с; AG — свободная энергия образования оксида,

нитрида, карбида и т. п., Дж/атом. Парциальное давление реактивного газа р_ртк можно рассчитать из условия превышения плотности ионного тока Ji на мишени над потоком реактивного газа на мишень N⁺_Ar> Nреак,  т. е.:

где z— кратность ионизации атомов аргона; q_e — заряд электрона, Кл; М— молярная масса распыляемого материала, кг/кмоль; R₀— универсальная газовая постоянная, Дж/(Ккмоль); T— температура реактивного газа, К.

С помощью реактивного осаждения наносят, например, пленки иттриевого феррограната Y₃Fe₅0₁₂ в среде Аг с добавлением 20% 0₂, причем поликристаллическая пленка получается при температуре подложки 922 К, а аморфная — при меньшей температуре. Пленки силицидов металлов MoSi, WSi, PtSi и других получают распылением металлических мишеней в плазме смеси газов Ar-SiH₄ и последующим нагревом подложки при температуре более 1300 К. Сверхпроводящие пленки NbN (температура
сверхпроводимости Т_с=11-15 К) —прираспы-лении мишени из Nb в среде Xe-N₂. Пленки ПАВ из A1N — на стеклянной подложке в среде N₂-H₂, пленки фторопласта-4 — при распылении мишени из политетрафторэтилена с хорошим охлаждением с добавлением CF₄ к Аr.

Испарением или распылением мишеней сложного состава можно получать, например, магнитооптические пленки GdCo или SmCo, причем в первом случае состав мишени: 25% гадолиния и 75% кобальта, а во втором — 50% самария и 50% кобальта. Осаждение многокомпонентных или легированных пленок из нескольких источников, например полупроводниковой пленки Si легированной Sb, позволяет получать необходимый стехиометрический состав тонкопленочного покрытия, например сверхпроводящей пленки Nb_0,748Ge_0,252,
строго управлять уровнем легирования (можно получать сложные профили легирования, сверхрешетки с практически любым λ-пара-метром кристалла).

Толщина пленки оказывает существенное влияние на ее свойства, которые могут на порядки отличаться от свойств данного материала при толщине, большей приблизительно 1 мкм. Так, удельное сопротивление резистив-ной пленки р_с имеет следующую зависимость от толщины h (рис. 1а): увеличение до бесконечности при толщине, соответствующей островковой стадии роста (h <h_min), почти линейное уменьшение, соответствующее пленке нанометровой толщины, и независимое от толщины значение,
соответствующее объемному материалу (р_с0).

Сопротивление тонкой пленки R можно рассчитать по следующей формуле:

R = ρ_c b/(ha) = ρ_п b/a,

где а и Ъ — ширина и длина тонкопленочного резистивного элемента, м; р_с в Οм·м и р_п («ро квадрат») в Ом/м являются константами материала, причем р_п соответствует максималым возможному для данного материала значению удельного сопротивления при h=h_min и равен (рис. 16):

Чтобы получить тонкопленочные слои с уникальными свойствами, необходимо сохранить атомарно чистую поверхность подложки, для чего парциальное давление посторонних примесей должно быть существенно ниже 10⁴ Па. Подготовка поверхностей перед осаждением тонких пленок является важным процессом для получения хорошей адгезии и других требуемых свойств на границе раздела «подложка-пленка». Для очистки подложек от поверхностных
загрязнений служит вакуумно-плазменное травление ионами инертных или химически активных газов.

Развитие оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме происходит по мере совершенствования тонкопленочной технологии и ужесточения требований к качеству рабочей среды, необходимости повышения

производительности и степени автоматизации. На рис. 2 показаны этапы развития оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме, где можно выделить установки периодического действия (рис. 2а-б), полунепрерывного (рис. 2г) и непрерывного (рис. 2д) действия, автоматические линии (рис. 2е). В настоящее время наряду с совершенствованием перечисленных типов установок все более широкое распространение получает оборудование кластерного типа [2] (рис. 3).

Установки периодического действия легко адаптируются к изменению технологии, так как принцип их конструирования основан на использовании базовых моделей, включающих в себя рабочую камеру и вакуумную систему, а источники нанесения пленки, приемные устройства для закрепления подложек, устройства нагрева и т. п. комплектуются исходя из требований к конкретному изделию. Эти установки имеют ограниченную производительность из-за того, что большую часть времени цикла занимает откачка рабочей

камеры до необходимого давления, т. е. холостой ход. Для его устранения стали использоваться установки шлюзового типа, без разгерметизации рабочей камеры при загрузке и выгрузке изделий.

Повышая производительность, необходимо стремиться совместить во времени вспомогательные операции (загрузки, разгрузки и откачки шлюзовой камеры, нагрева и очистки подложек и т. д.) с основной операцией — осаждением пленки. Этого можно добиться в установках прямоточного шлюзования (рис. 2г), которые можно отнести к типу УВН полунепрерывного действия, когда цикл состоит из стадии осаждения пленки и смены позиции изделия.

Основным движущим фактором развития оборудования для производства сверхбольших интегральных схем (СБИС) является противоречие между тремя составляющими фактической производительности: быстродействием (массовый характер производства), надежностью функционирования (бесперебойность работы и высокая «цена» отказов) и выходом годных (воспроизводимость технологических режимов и минимум привносимой дефектности) изделий.

При переходе на подложки диаметром 150 и 200 мм использование группового метода обработки становится причиной большого количества брака из-за разброса параметров тонкопленочного покрытия по диаметру подложки. По этой причине появились УВН нового поколения (рис. 2д), реализующие, как и самые первые УВН (рис. 2а), индивидуальные метод обработки. Задача создания высокопроизводительного оборудования заставила компоновать УВН по принципу непрерывного действия.

Генеральным направлением развития вакуумного технологического оборудования для изготовления все более усложняющихся полупроводниковых приборов и интегральных микросхем во всем мире признано объединение вакуумных загрузочных, транспортных и рабочих модулей в многокамерные установки.

Переход к новому уровню параметров полупроводниковых пластин и интегральных схем определяет необходимость создания нового класса автоматических систем — модульных многокамерных установок с интеграцией различных технологических операций, разновидностью которых является оборудование кластерного типа. По определению MESC (Modular Equipment Standards Committee), кластерная установка — это «интегрированная с изолированным объемом производственная система, состоящая из технологических модулей, модуля транспортирования
и модулей загрузки и выгрузки полупроводниковых пластин, механически соединенных вместе».

Структурно-компоновочные варианты оборудования кластерного типа бывают с радиальной (рис. За), линейной (рис. 36) и смешанной (рис. Зв) архитектурой [2]. Использование такого оборудования позволяет реализовать целый ряд преимуществ, основными из которых являются: возможность объединения нескольких технологических операций в одной установке; снижение в несколько раз затрат на чистые производственные помещения; обеспечение необходимой чистоты проведения операций за счет разделения технологических сред, транспортирования
изделий в высоком вакууме.

Литература

1. Панфилов Ю. В., Ковалев Л. К., Блохин В. Г. и др. Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении / Под общ. ред. Ю. В. Панфилова. Энциклопедия «Машиностроение». М.: Машиностроение. 2000. Т. 3-8.
2. Мальгин С. Н., Панфилов Ю. В. Кластерное оборудование в микроэлектронике // Обзоры по электронной технике. Сер. 7. ТОПО. Вып. 1 (1701). М.: ЦНИИ «Электроника». 1994.