микротехнологии. Презенташка Лекция 3 (п.2.1 Создание тонких плёнок)(1). Лекция 3 Создание тонких плёнок
 Скачать 3.3 Mb.
|
|
Лекция 3 Создание тонких плёнок Основные технологические процессы • Подготовка подложек Стандартный метод: очистка ультразвуком в изопропиловом спирте (сушка от спирта – в потоке азота). • Создание вакуума Многие процессы напыления плёнок проходят в вакууме или же используют предварительную откачку для очистки от частиц воздуха. • Эпитаксия – процесс наращивания монокристаллического материала на монокристалл-подложку. В результате образуется новая фаза, которая закономерно продолжает кристаллическую решётку подложки. • Создание плазмы Плазма представляет собой слабо ионизированный газ, состоящий из смеси стабильных и возбуждённых атомов и молекул, а также продуктов диссоциации молекул, электронов и ионов. Типы эпитаксиальных процессов • Автоэпитаксия (гомоэпитаксия) – процесс ориентированного наращивания кристаллического вещества, одинакового по структуре и не отличающегося химически от вещества подложки • Гетероэпитаксия – процесс ориентированного наращивания вещества, которое отличается по химическому составу от вещества подложки, но подобного ему по структуре. • Хемоэпитаксия – процесс ориентированного нарастания вещества, в результате которого образование новой кристаллической фазы – хемоэпитаксиального слоя - происходит за счёт химического взаимодействия вещества подложки с веществом, поступающим из исходной фазы. • Реотаксия – ориентированное наращивание кристаллического слоя в условиях, близких к равновесным, на подложке как на механическом носителе Основное правило, определяющее возможность эпитаксии • Эпитаксия может происходить только при наличии у срастающихся веществ двух параллельных плоских решёток, имеющих ячейки одинаковой или почти одинаковой формы с близкими периодами. предельное отклонение периодов решёток обычно не превышает 15%, иначе невозможно ориентированное наращивание Мерой несоответствия периодов считается величина, которая определяется формулой: Δа = [(ас - ап) / ас] • 100% где ас и ап – величины периодов плоских решёток слоя и подложки Эпитаксиальные процессы • Эпитаксиальные процессы можно разделить также по химическому состоянию вещества в период переноса от внешнего источника к подложке. • Прямые процессы – вещество переносится к подложке без промежуточных реакций. • Непрямые процессы – при переносе вещества от источника к подложке происходят химические превращения. • Реактивное распыление – введение в среду реакционноспособного газа, который меняет свойства плёнок. Эпитаксиальные процессы Прямые процессы Непрямые процессы Реактивное распыление Механизм испарения • Схема испарения «твёрдая фаза – парообразная фаза» называется возгонка или сублимация. • Существует так же вторая схема испарения: «твёрдая фаза – жидкая фаза – парообразная фаза.» Состояние динамического равновесия достигается, когда число молекул, покидающих испаряемое вещество за некоторое время, равно числу молекул, возвращающихся обратно. Пар в состоянии динамического равновесия называется насыщенным. Термодинамическое равновесие – состояние системы в условиях изолированности от окружающей среды, при котором остаются неизменными во времени макроскопические величины: температура, давление, объём, энтропия. Плазмотрон – устройство, генерирующее плазму. Тлеющий разряд – один из видов стационарного самостоятельного электрического разряда в газах. Рис.5.1. 1. Термовакуумное испарение • Резистивный нагрев • Электронно-лучевой нагрев • Индукционный нагрев • Лазерная абляция • Нагрев горением испарители с непосредственным нагревом с косвенным нагревом Испарители с косвенным нагревом • Проволочные испарители – испарение веществ, которые смачивают материал нагревателя-проволоки • Ленточные испарители – испарение веществ, которые плохо удерживаются на проволочных испарителях. • Лабиринтные испарители обеспечивают эффективную защиту от разбрызгивания капель, которым сопровождается процесс испарения некоторых веществ – т.н. взрывное испарение, выпускают только пар • Тигельные испарители используют для испарения больших количеств сыпучих диэлектрических материалов. 2. Взрывные методы Катодно-дуговое осаждение (Arc-PVD) или плазмодуговое распыление Лазерно-взрывная эпитаксия (ЛВЭ) Метод встречных пучков Преимущества ЛВЭ: возможность испарять любые материалы, высокая мгновенная скорость роста плёнки до 10 нм/c, резкая гетерограница между частицами и подложкой из-за быстрого охлаждения. АCМ изображение плёнки кремния без капель, толщиной 150 нм, с шероховатостью 0,5 нм. Газодинамическое напыление Газотермическое или газопламенное напыление Послойно-градиентное металлокерамическое покрытие Микрофотографии внешнего слоя и поперечного шлифа покрытия из частиц алюминия Детонационное напыление 3. Ионное распыление Ионное плакирование с применением лазера Ионное плакирование с тлеющим разрядом Ионно-плазменное распыление Ионно-лучевое распыление • Ионно-лучевое перемешивание: ионному облучению подвергается композиция из материала с уже нанесённым поверхностным слоем Ионно-плазменное распыление двухэлектродный метод четырёхэлектродный метод с применением магнитного поля Ионно-плазменное распыление Магнетронное распыление 4. Химическое осаждение Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) Электрохимическое осаждение. Электролиз • Основным недостатком CVD-метода является необходимость нагрева деталей до высоких температур: это с одной стороны оказывает отрицательное влияние на механические свойства и структуру подложки, а с другой – мешает создавать наноструктурное состояния самого покрытия. Разновидности CVD: • Парофазная эпитаксия (VPE): газовая фаза находится в термодинамическом равновесии с твёрдой фазой плёнки. • Гибридное физико-химическое парофазное осаждение (HPCVD): испарение твёрдого материала и химическое разложение молекул. • Пламенное разложение (CCVD): сгорание в открытой атмосфере. • Каталитический CVD или CVD с горячей нитью (Cat-CVD / HWCVD / HFCVD) – использует горячий носитель для ускорения реакции газов. • Быстродействующее термическое химическое парофазное осаждение (RTCVD) использует лампы накаливания или другие методы быстрого нагрева подложки. Нагрев подложки без разогрева газа позволяет сократить нежелательные реакции в газовой фазе. • Металлорганический CVD (MOCVD) использует металло-органические прекурсоры (metal-organic). Поочерёдное введение реагентов в газовый поток позволяет осадить их на подложке слой за слоем, так что химическая реакция происходит на её поверхности, а не в газе (рис. 1.7а). • Атомно-слоевое осаждение (ALCVD или ALD) или молекулярное наслаивание: поочерёдно осаждаются слои различных материалов (рис. 1.7б). Плазменно-химическое осаждение из газовой фазы (PECVD): использует ВЧ плазму (тлеющий разряд), которая снижает температуры нужные для реакции (80 – 350 ˚С) MOCVD – осаждение с металло-органическими прекурсорами ALCVD – молекулярное наслаивание • Достоинства MOCVD метода: получение плотных покрытий без микроотверстий с высокой однородностью по толщине (толщиной до 20 мкм со скоростью до 0,1 мкм/мин) даже при формировании покрытия внутри полостей изделий, что невозможно достигнуть другими распространёнными технологическими методами. Структура стекла тонкопленочного электролюминесцентного дисплея Пленка PtO x на кремниевой подложке сложной формы Плазмо-химическое осаждение из паровой фазы (PE-CVD) процесс химического осаждения тонких плёнок из паровой фазы при низком давлении с использованием плазмы тлеющего разряда. Плазма позволяет снизить температуру подложки (80-350С), в итоге увеличивается эффективность и скорость процесса. Твёрдофазная эпитаксия (ТФЭ) твёрдофазное взаимодействие в многослойной тонкоплёночной системе при изотермическом отжиге Посевная эпитаксия использует кристаллики на поверхности плёнки как шаблон-затравку Получение тонких слоёв силицидов: • наносим металл, • за ним аморфную плёнку, • при нагреве в результате термодиффузии образуются силициды (MeSi) • на монокристаллическую подложку наносят аморфную плёнку с примесями, • затем подложка нагревается, и плёнка кристаллизуется, а примеси вытесняются в узкий слой на дне плёнки 5. Жидкофазное осаждение Полив по подложке движется фильера Вытягивание из раствора (dip-coating) Слив раствора с поверхности подложки Принудительное удаление раствора Капиллярная колонка ионное наслаивание Метод вращающегося столика (spin-coating) Нанесение из аэрозоля (spray coating) (Aerosol Assisted CVD) Литиевая феррошпинель LiFe5O8, полученная методом пиролиза аэрозолей из раствора нитратов Li и Fe(III) при температуре горячей зоны печи 850°С. Технология Ленгмюра – Блоджетт (LB) • Технология Ленгмюра-Блоджетт (или метод горизонтального осаждения) была разработана Ирвингом Ленгмюром и его ученицей Кэтрин Блоджетт в 1930 г. 6. Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) • МЛЭ – выращивание одного кристаллического материала на поверхности другого в сверхвысоком вакууме. Применяется эффузия – медленное истечение газа через малое отверстие. UHV-MBE-X Механизм роста плёнок в МЛЭ зависимость энергии связи с подложкой (E) от номера положения атома (N): 1,4,5 - атом на атомно-гладком участке поверхности, 2,3 – атом на месте вакансии в поверхностном слое, 5 6 7 6 –атом у излома ступени роста, 7 – десорбированный атом. Индивидуальные атомные процессы, сопровождающие эпитаксиальный рост: • адсорбция составляющих атомов или молекул на поверхности подложки (химическая, физическая); • поверхностная миграция атомов и диссоциация адсорбированных молекул; • присоединение атомов к подложке или к выращенным ранее эпитаксиальным слоям; • термическая десорбция с поверхности кристалла атомов, не успевших встроиться в кристаллическую решётку. • абсорбция – проникновение атомов нарастающей фазы в объём материала подложки происходит: за счёт их диффузии, растворения, движения по стенкам капилляров или границам зёрен. Пример МЛЭ процесса Эпитаксия кристаллических слоёв GaAs. Модель роста плёнки AsGa: а) из пучков Ga и As2, б) из пучков Ga и As4. 𝐽 = 1,12 ∙ 10 22 𝜋𝑑 Д 2 𝑝 4𝑟 2 𝑀𝑇 𝑐𝑜𝑠(𝜃) , 𝑢 = 𝛼𝑝 2𝜋𝑀𝑘𝑇 𝑓(𝜃) 𝑒𝑥𝑝( − 𝐸/𝑘𝑇). 7. Создание диэлектрических слоёв д) устройство полупроводникового резистора, е) устройство конденсатора с тонким слоем SiO 2 , ё) изоляция системы с многоуровневой металлизацией а) защита поверхности платы, б) маска для локального легирования, в) тонкий подзатворный окисел, г) ячейка памяти на основе структуры «металл нитрид окисел полупроводник», • Применение полимерных покрытий • Оксидирование термическое (нагрев в газе-окислителе), химическое (обработка расплавами или растворами), электрохимическое (окисление в электролите), микродуговое (электрическая дуга), плазменное (окисление в низкотемпературной плазме) Термическое окисление кремния Анодирование – электрохимическое окисление металлов • Изоляция закрытым p-n-переходом Алюмооксидная технология – это применение подложек из проводящих слоёв алюминия (и/или меди) и диэлектрического пористого Аl 2 O 3 Технология кремний на изоляторе (КНИ или SOI) использует трёхслойные подложки со структурой кремний-диэлектрик-кремний вместо монолитных кремниевых пластин. Наиболее распространена технология кремний на оксиде (КМОП или CMOS – комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Внедрение ионов кислорода в поверхность кремния в процессе отжига. Печи для диффузии и термического оксидирования (LAAS, Тулуза, Франция) Способы создания подложек для КНИ Эпитаксиальный метод (seed method): рост диэлектрической плёнки на кремниевой подложке методами эпитаксии (например, МЛЭ), а затем рост кремниевой плёнки на диэлектрике. Ионная имплантация кислорода (или разделение имплантированным кислородом) (SIMOX – Separation by IMplantation of Oxygen): • в кремниевую пластину имплантируют большие дозы атомов кислорода • после отжига этой пластины образуется слой оксида кремния, который и служит изолятором. Способы создания подложек для КНИ Кремний на сапфире (UltraCMOS) – (CMOS – complementary metal-oxide-semiconductor) это выращивание структур «кремний на сапфире»: слои кремния на сапфировой подложке Al2O3 толщиной до 100 нм и менее. • эпитаксия кремния на сапфире • облучение ионами кремния и аморфизация дефектного переходного слоя • твердофазная эпитаксия (отжиг) аморфного Si (превращение его в кристаллический уже без дефектов) с последующим или одновременным окислением поверхности. Метод сращивания пластин (wafer bonding) Метод управляемого скола (Smart Cut) Рис. 5.53. Две, в сущности, одинаковые схемы управляемого скола в КНИ. 8. Адгезия и контроль толщины плёнок • Адгезией называют явление прилипания, которое возникает при контакте двух разнородных конденсированных сред (покрытие и основа). Частный случай адгезии – когезия – взаимодействие соприкасающихся одинаковых тел. 3 варианта взаимодействия подложки с плёнкой: адсорбционная, электрическая и диффузионная. Механизм коробления из-за напряжений на границе подложка-плёнка, если плёнка не очень тонкая. Определение качества адгезии • Метод ленты. На поверхность покрытия накладывают специальную липкую ленту и затем её отрывают. • Метод царапания. • Метод истирания. Исследуют сопротивление плёнки стиранию, так как сопротивление плёнки зависит не только от твёрдости слоя, но и от адгезии. • Метод нормального отрыва. Адгезию измеряют приложением сил, перпендикулярных поверхности раздела, при этом покрытие отрывают от подложки. • Метод центрифуги. Плёнка наносится на цилиндрическую поверхность ротора. Ротор приводится во вращение с постепенно увеличивающейся скоростью до тех пор, пока плёнка не отрывается. • Метод ультразвуковой вибрации. В этом случае применяется ультразвуковая вибрация. Метод основан на том, что при прохождении звуковых волн через материалы различной плотности часть волн отражается от поверхности раздела этих материалов. • Метод перегиба. Подложку многократно изгибают до момента удаления (отскока) плёнки в месте перегиба. • Метод полирования. При полировании металлического покрытия выделяемое тепло может вызвать образование вздутия на участках с неравномерной адгезией. • Метод нагрева. Никелевые, оловянные и оловянно-никелевые покрытия можно испытывать на равномерность адгезии путём нагревания до 150 – 350 ˚С и затем охлаждения в воде. • Метод распиловки. Изделие распиливают под углом 45˚, ждут отслаивание. Контроль толщины тонких плёнок Для определения толщины плёнки обычно применяют метод свидетеля. взвешивание, ультразвуковой, электромагнитный, магнитный, вихретоковый, электро-магнитно- вихретоковый. • Резистивный метод может быть использован в процессе напыления. Регистрируется электрическое сопротивление свидетеля, которое зависит от толщины плёнки на нём. Когда сопротивление достигает заданной величины, напыление прекращают. • Резонансный метод также может быть использован в процессе напыления. Используется пьезоэлектрический свидетель – тонкая кварцевая пластина, которая через внешние выводы подсоединяется к колебательному контуру генератора. Резонансная частота кварцевой пластины однозначно связана с её толщиной. В процессе напыления изменяется толщина пластины. • Оптические методы используют измерение коэффициента поглощения или же определяют толщину методами интерферометрии или эллипсометрии. • Спектральный оптический контроль по прозрачному свидетелю. Основан на спектральном широкополосном измерении коэффициента пропускания свидетеля • Интерферометр использует законы интерференции света: на образец пускают две волны, которые отражаясь от него интерферируют и создают интерференционную картину Интерферометр Линника МИИ-4М и смещение интерференционных полос на краях плёнки (искривление в одну интерференционную полосу соответствует высоте неровности на поверхности 0.27 мкм). Схема сканирующего интерференционного микроскопа. Изображение кусочка плёнки Co на подложке Si и его профилограмма. • Эллипсометр использует измерение угла Брюстера для света двух взаимно перпендикулярных поляризаций вращение поляризатора меняет поляризацию падающего на образец света (переключение между p и s – поляризованными волнами). • Механические методы могут использовать как стандартные толщиномеры, такие как стрелочный толщиномер, • так и метод процарапывания плёнки с применением АСМ • В зонде ультразвуковых толщиномеров располагается датчик, генерирующий волны высокой частоты и посылающий их через анализируемый объект. Импульс отражается от поверхности и затем преобразуется датчиком в высокочастотный электрический сигнал. • Вихретоковый толщиномер используются для проведения измерений непроводящих покрытий, нанесённых на проводящую подложку (свидетель) без разрушения самого покрытия. • Электромагнитные толщиномеры используют магнитную индукцию. Проводящая (взаимодействующая с магнитным полем) плёнка оказывает влияние на величину магнитного поля. • Магнитные толщиномеры позволяют производить замер немагнитных плёнок, нанесённых на магнитные основания. Схема электромагнитного толщиномера, работающего «на просвет Перечень методов осаждения тонких плёнок Спасибо за внимание :) ххх |