Технология напыления тонких пленок

Самое простое применение тонких пленок — декоративное — создание зеркал и покрытий для ювелирных изделий. Однако, в основном, покрытия малых толщин используются в НИИ для изучения электрических свойств новых материалов при формировании контактов; при нанесении резистивных и проводящих покрытий в промышленности и при изготовлении элементов интегральных микросхем в микроэлектронике; в создании светофильтров, отражающих и светопроводящих покрытий оптоэлектроники; современных литографических процессах.

Современные методы получения тонкопленочных структур

В последние годы, благодаря интенсивным экспериментальным и теоретическим исследованиям, в технологии тонких пленок достигнут значительный прогресс. В зависимости от решаемой задачи, в распоряжении исследователей имеются различные методики получения образцов, гарантирующие воспроизводимые и стабильные характеристики конечного продукта.

Таблица 1. Методы нанесения тонкопленочных покрытий
Наименование метода	Условия реализации метода	Основные виды покрытий	Преимущества метода	Недостатки метода
Термовакуумное (резистивное) испарение	Рабочая среда: вакуум 10-2…10-3 Па. Испарение металлов резистивным нагреванием	Металлические покрытия: Al, Ag, Cu, Zn, Cd, Cr, Ni, Co, Si	Высокая скорость осаждения. Возможность получения толстых покрытий	Недостаточно плотная структура покрытий. Невысокие механические свойства
Электронно-лучевое испарение	Рабочая среда: вакуум 10-4…10-3 Па реактив. газы N2, O2, CH4. Испарение металлов сфокусированным электронным пучком с дополнительной ионизацией	Металлические покрытия: Al, Ag, Cu,Ti, Cr, Ni, Co, Si Керамические покрытия: TiN, ZrN, TiC, ZrC, TiCN, ZrCN, Al2O3, TiO2, SiO2, ZrO2, ZrO2/Y2O3	Высокая скорость осаждения. Возможность получения толстых покрытий (до 200 мкм). Высокая чистота покрытий (минимум примесей)	Трудно обеспечить равномерность толщины и стехиометрии на изделиях сложной конфигурации. Низкая степень загрузки изделиями объема рабочей камеры
Лазерное испарение (абляция)	Рабочая среда: вакуум 10-5…10-3 Па. Испарение материалов различного состава лазерным импульсом длительностью от мкс до фс.	Покрытия для микроэлектроники: Sb2S3, As2S3, SrTiO3, BaTiO3, GaAs Алмазоподобные покрытия (DLC) с высокими характеристиками	Получение покрытий сложных соединений Высокая чистота покрытий (минимум примесей)	Сложность реализации
Вакуумно-дуговое испарение	Рабочая среда: вакуум 10-3…10-2 Па. Реактив. газы N2, O2, CH4; Р = 0,01…1 Па, Т = 300…600°С. Испарение металлов в катодном пятне дугового разряда. Осаждение покрытий с высокой степенью ионного воздействия	Металлические покрытия: Ti, Zr, Hf, Cr, Ta, Ni, Co,Si, MCrAlY (M=Ni, Co) Керамические покрытия: TiN, ZrN, CrN, TiC, TiCN, ZrCN, TiAlN, AlCrN, TiO2, ZrO2 Нанокомпозиты: TiAlN/Si3N4, AlCrN/Si3N4. Покрытия DLC	Высокая скорость осаждения. Относительная простота технической реализации. Эффективная ионная очистка изделий перед нанесением покрытий. Высокие свойства керамических покрытий	Наличие в структуре покрытий микрокапельной металлической фазы. Относительно высокие температуры осаждения покрытий
Магнетронное распыление	Рабочая среда: чистые газы Ar, N2, O2, CH4; Р = 0,05– 1 Па, Т = 60…6000°С Ионное распыление металлов в магнетронном разряде	Полный спектр металлических покрытий: Al, Ag, Au,Cu, Zn, Sn, Cd Ti, Zr, Hf, Cr, Ta, Ni, Co, Si, MCrAlY (M=Ni, Co) и др. Керамические покрытия: TiN, ZrN, CrN, TiC, TiCN, ZrОN, TiAlN, AlCrN, TiBN CrAlTiYN, TiO2, ZrO2, Al2O3, SiO2. Нанокомпозиты: 3D: TiAlN/Si3N4, TiN/BN, AlCrN/Si3N4, ZrN/Cu, ZrO2/Al2O3. 2D: TiN/NbN, TiN/CrN, TiN/AlN, CrN/AlN, TiN/CN. Покрытия DLC	Плотная микро- (нано-) кристаллическая структура металлических и керамических покрытий при полном отсутствии капельной фазы Возможность нанесения покрытий на термочувствительные материалы при низких температурах Наиболее широкий спектр покрытий различного назначения; высокая скорость осаждения; высокие свойства металлических и керамических покрытий	Относительная сложность технической реализации метода при получении реактивных (керамических) покрытий. Относительно высокая стоимость оборудования

Параметры магнетронного распыления установки CS-1000	Параметры термовакуумного испарения установки CS-1000
Скорость осаждения Cu для 300 Вт — 125 Å/мин Скорость осаждения Ni и Cr для 200 Вт — 45 Å/мин	Скорость осаждения Cu, V и др. для 70% мощности — 0,33 Å/с Скорость осаждения Ni для 25% мощности — 0,25 Å/с

Методы получения пленок подразделяются на физические (PVD — Physical Vapor Deposition), химические и промежуточные газофазные химические методы (CVD — Chemical Vapor Deposition). Все методы нанесения пленок характеризуются такими параметрами как скорость получения покрытий и диапазон достигаемых толщин. Для РVD и CVD эти параметры, соответственно, обычно находятся в пределах 1…1000 мкм/ч и 0,01…10 (100) мкм. Для химических методов они составляют 100…1000 мкм/ч и 0,1…1000 мкм; для взрывных (детонационных) и плазменных методов — до 10…100 мм/ч и 0,1…10 мм, соответственно.

Процесс получения пленочных покрытий сопровождается рядом специфических явлений. Рост пленки происходит в два этапа: образование зародыша на поверхности подложки и рост зародыша. При взаимодействии двух атомов друг с другом между ними может возникнуть химическая связь. В результате атомы дольше остаются на поверхности и успевают присоединить следующий атом и т.д. Так образуются скопления адсорбированных атомов, более длительное время связанных с подложкой и имеющих тенденцию к дальнейшему росту, который происходит за счет присоединения мигрирующих по поверхности атомов, падающих атомов и более мелких кластеров. Таким образом, на поверхности формируется сеть объединенных кластеров, затем происходит их объединение, и образуется сплошная пленка. При этом в зависимости от скорости осаждения, природы подложки и типа осаждаемого материала возможны три типа роста пленки:

– островковый рост;

– послойный рост;

– послойно-островковый, или смешанный рост.

Тип роста определяется взаимодействием атомов пленки с атомами подложки и между собой. Островковый рост происходит, если осаждаемые атомы напыляемой пленки сильнее взаимодействуют между собой, чем с атомами подложки. Послойный рост происходит при образовании больших по площади двумерных зародышей на поверхности подложки вследствие того, что атомы напыляемого материала сильнее связываются с атомами подложки. Послойно-островковый рост имеет место, когда островки начинают расти после того, как сформируется пленка толщиной в несколько атомных монослоев.

Рассмотрим особенности методов магнетронного распыления и термовакуумного испарения на примере установки CS-1000 Sputter & PVD Deposition System фирмы Asia Pacific Systems Inc. (см. рис. 1, 2).

Рис. 1. Внешний вид установки CS-1000 Sputter & PVD Deposition System

Рис. 2. Схематическое изображение основных узлов установки CS-1000 Sputter & PVD Deposition System

Установка CS-1000 обеспечивает реализацию двух методов нанесения — термовакуумного и магнетронного.

Преимущества и недостатки этих методов

Магнетронное распыление

Работа магнетронного распылительного устройства (см. рис. 3) основана на свойствах катодной области аномального тлеющего газового разряда, в которой катод (мишень) распыляется под действием ионной бомбардировки. Приложенное в области катода перпендикулярно электрическому магнитное поле позволяет снизить рабочее давление плазмообразующего газа без уменьшения интенсивности ионной бомбардировки и улучшить условия транспортировки распыляемого вещества к подложке. Это происходит благодаря уменьшению рассеяния, вызванного соударениями с молекулами газа. Между катодом и подложкой возникает зона низкотемпературной плазмы. Распыляемые частицы осаждаются в виде тонкого слоя, а также частично рассеиваются и осаждаются на стенках рабочей камеры.

Рис. 3. Внешний вид установки CS-1000 Sputter & PVD Deposition System

При использовании разряда постоянного тока (DC-магнетрон) можно распылять различные металлы и их сплавы (ванадий, хром, никель, титан, медь, серебро, нержавеющая сталь, латунь, бронза и др.), а также получать их химические соединения, добавляя в плазмообразующий газ (аргон) соответствующие реактивные газы (кислород, азот и др.).

Так, если в содержащую титановую мишень систему во время распыления вводить азот, то можно получить пленку нитрида титана, а введение, например, кислорода, позволяет получать на поверхности подложки пленку двуокиси титана.

Варьируя содержание реактивного газа и скорость напыления, удается получать пленки разной толщины, химического и фазового состава.

Используемые газы:

– Ar для напыления Cu, Cr, Ni, V и т.д.;

– O2 для очистки подложек в ВЧ-плазме и напыления оксидов VxOx-y (CuxOx-y и т.д.) в совокупности с Ar;

– N2 для напыления нитридов различных материалов.

DC-магнетрон является современным вариантом устройства катодного распыления материалов в вакууме с использованием источника постоянного тока для нанесения проводящих покрытий на изделия. Принцип его действия основан на явлении физического распыления катода (материала мишени) ускоренными ионами рабочего газа, которые бомбардируют поверхность мишени под действием приложенного отрицательного потенциала.

Характерной особенностью магнетронов является использование специальной магнитной системы, которая создает над распыляемой мишенью замкнутое по контуру туннелеобразное магнитное поле. Благодаря этому полю создаются условия для получения локализованной плазмы высокой плотности и, соответственно, высокой плотности ионных токов, распыляемых мишенью. В результате достигается высокая производительность распыления материалов. Конструктивные принципы построения магнетронных устройств позволяют достаточно просто реализовать задачу нанесения однородных покрытий на широкоформатные поверхности.

Адгезия металлических слоев с подложкой у пленок, полученных магнетронным способом, существенно выше, чем у таких же пленок, полученных термовакуумным напылением, при сравнимых скоростях напыления. Это связано с более высокой энергией конденсирующихся частиц при магнетронном распылении и дополнительной активацией поверхности действием плазмы.

В отличие от других способов нанесения тонкопленочных покрытий, способ магнетронного распыления позволяет достаточно тонко регулировать толщину металлического слоя, а значит, его сопротивление, что очень важно при создании структур с определенной проводимостью.

Метод магнетронного распыления позволяет получать тонкие пленки высокого качества с рекордными физическими характеристиками (толщина, пористость, адгезия и пр.), а также проводить послойный синтез новых структур (структурный дизайн), создавая пленку буквально на уровне атомных плоскостей.

Термовакуумное испарение

Суть процесса термовакуумного испарения (см. рис. 4) состоит в переводе осаждаемого материала с помощью нагрева в парогазовую фазу. Образующийся при этом парогазовый поток в высоком вакууме распространяется прямолинейно, т.к. отсутствует соударение с молекулами остаточного газа — длина свободного пробега молекул в остаточном газе на порядок превышает расстояние от источника до подложки; газ попадает на подложку, поверхность которой холоднее источника пара; при этом происходит конденсация и образование пленки.

Рис. 4. Принцип термовакуумного испарения

Заключение

В настоящее время Россия входит в этап активного освоения современных технологий производства микроэлектроники и нанотехнологий. Современное производство требует перестройки технологического процесса под реалии современности. Потенциальные возможности применения магнетронных распылительных систем в настоящее время еще далеко не полностью выяснены и реализованы, но уже сейчас применение магнетронных установок весьма широко распространено. Они заняли прочные позиции в технологиях изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. В частности, эти системы применяются для формирования контактов на поверхности полупроводниковых и пассивных элементов схем: например, при изготовлении резистивных пленок гибридных микросхем, магнитных пленок, низкоомных контактов, создании новых многокомпонентных тонкопленочных материалов и т.д.

Компания AP Systems — партнер ЗАО Предприятие Остек — создает индивидуальные установки напыления тонких пленок различными методами под конкретные нужды клиента. Клиент получает новейшее оборудование, отвечающее всем современным стандартам качества. Специалисты компании готовы разработать индивидуальную технологию, специальную оснастку и решить стоящие перед клиентом задачи. Тщательная проработка проекта специалистами Предприятия Остек позволит добиться улучшения эффективности и технологичности производства заказчика.

Александр Иванов, icro@ostec-smt.ru, старший инженер отдела сервиса направления производства электронных компонентов ЗАО Предприятие Остек. Окончил Рязанский Государственный Радиотехнический университет с красным дипломом, инженер по специальности «физическая электроника». Работал технологом на предприятии производства лазерных и усилительных оптоволоконных систем ООО «ВОЛИУС», последние три года — инженером сервиса в ЗАО «Предприятие Остек».