МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ
ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК
Учебно-методическое пособие
Составители:
Л.Н. Владимирова, Е.С. Машкина,
Б.Н. Сахаров
Воронеж
Издательский дом ВГУ
2019
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………………....... 4
1. Теоретическая часть ……………………………………………… 5
1.1. Классификация проводниковых материалов твердотельной
электроники…………………………………………………………….. 5
1.2. Особенности процесса термического испарения вещества... 7
1.3. Метод термического напыления материалов ……………… 13
1.4. Механизмы роста тонких металлических пленок, их
основные характеристики …………………………………………… 33
1.5. Обеспечение равномерности толщины пленки …………… 37
1.6. Достоинства и недостатки метода термического напыления
материалов……………………………………………………………. 41
1.7. Основные характеристики контакта металл – полупроводник... 42
2. Практическая часть …………………………………………………. 49
3. Контрольные вопросы………………………………………………. 54
4. Список рекомендуемой литературы……………………………….. 55
3
Стр.3
безупречно, и оценка чистоты в сильной степени зависит от уровня
развития техники.
Существует много возможных классификаций проводниковых
материалов, на рис. 1 приведена одна из таких классификаций.
Рис. 1. Классификация проводниковых материалов
В целом, следует помнить, что номенклатура и степень чистоты
проводниковых материалов определяется требованиями, предъявляемыми к
ним технологией производства ЭКБ и условиями эксплуатации изделия
электронной техники (ИЭТ).
6
Стр.6
Используемые в микроэлектронике проводниковые материалы
условно можно подразделить на:
- материалы высокой проводимости (Al, Cu и др.);
- металлы и сплавы высокого сопротивления (манганин, константан,
хромоникелевые сплавы и др.);
- тугоплавкие металлы и сплавы (Mo, W, Nb, Ta, Cr, Re и др.);
- благородные металлы (Au, Pt, Ag, Pd и их сплавы);
- силицидные фазы (PtSi, PtSi2 и др.);
- неметаллические проводящие материалы (графит и др).
В зависимости от назначения тонкопленочного проводящего элемента
в структуре ИМС или отдельного полупроводникового прибора такой
пленочный объект должен соответствовать предъявляемым к нему
требованиям по чистоте, электрофизическим характеристикам (удельному
сопротивлению, ТКЛР и др.) и качеству сформированных границ с ниже и
вышележащими слоями различной природы.
1.2. Особенности процесса термического испарения вещества
Все методы осаждения пленок, как правило, можно разделить на
физические (Physical Vapor Deposition - PVD) и химические (Chemical
Deposition - CD).
Термин Physical Vapor Deposition (PVD) был введен в научный обиход
в 1966 г., но следует заметить, что Майкл Фарадей использовал данную
технологию для получения покрытий еще в 1838 г.
Физические методы основаны на переносе материала пленки в
атомарном виде от источника или мишени к подложке с конденсацией на
ней и ростом пленки. В основе химических методов лежит осаждение
7
Стр.7
газообразных или жидких компонентов и образование пленки в результате
химических превращений на поверхности подложки или вблизи нее.
Иногда четкое разделение физических и химических методов
провести достаточно трудно: например, физический метод испарения
металла может сочетаться с одновременным его окислением. В особую
группу методов следует выделить электрохимические методы
формирования пленок, в которых сочетаются признаки физических и
химических методик.
Процесс нанесения пленки физическими методами включает
следующие основные стадии:
– создание необходимых условий в газовой фазе;
– направленный массоперенос частиц вещества от источника к
подложке;
– конденсация частиц на поверхности подложки и образование пленки.
Необходимым условием физического осаждения пленок является
создание в рабочей камере высокого вакуума для того, чтобы обеспечить
транспорт атомов к подложке и исключить их взаимодействие с частицами
газовой фазы. Поэтому физические методы получения пленок называют
также вакуумными.
Ва́куум (от лат. vacuus — пустой) — пространство, свободное от
вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду,
содержащую газ при давлении значительно ниже атмосферного.
Для создания вакуума в рабочем объеме из него должны быть
откачаны газовые компоненты. Идеальный вакуум не может быть
достигнут, поскольку и в откачанных рабочих объемах установок всегда
присутствует некоторое количество остаточных газов, чем и определяется
давление в откачанной камере или степень вакуума.
8
Стр.8
В Международной системе единиц (СИ) единицей давления является
паскаль (Па), равный 1Н на 1 м2 (Н/м2). В вакуумной технике большое
распространение получила внесистемная единица - миллиметр ртутного
столба (мм. рт. ст.), соответствующая давлению столбика ртути 1 мм при
0°С. Между этими единицами давления существуют следующие
соотношения: 1 мм рт. ст. =133.3 Па или 1Па = 7.5·10-3 мм рт. ст.
Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного
пробега молекул газа λ и характерным размером сосуда d. Длина
свободного пробега молекулы - это среднее расстояние, которое частица
пролетает за время свободного пробега от одного столкновения до
следующего, ее обычно обозначают λ.
Длина свободного пробега каждой молекулы различна, поэтому в
кинетической теории вводится понятие средней длины свободного пробега
(<λ>). Величина <λ> является характеристикой всей совокупности молекул
газа при заданных значениях давления и температуры.
Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной
камеры, диаметр вакуумного трубопровода и др.
В зависимости от величины соотношения λ/d различают
низкий (
средний (
высокий (
),
) и
) вакуум.
Таблица 1.
Уровни вакуума по величине давления
№
п/п Вакуум
1. p, Па
2. р, мм рт.ст. 750-10 10-10-3
низкий
105-102
9
средний
102-10-1
высокий сверхвысокий
10-1-10-5
10-3-10-7
10-5-10-10
10-7-10-12
Стр.9
При низком вакууме (р > 102 Па) средняя длина свободного пробега
частиц λ значительно меньше характерного размера сосуда d, т. е. λ << d.
Частицы при этом испытывают постоянные столкновения друг с другом.
При столкновении со стенками сосуда частицы газа адсорбируются на них.
В условиях низкого вакуума на стенках сосуда постоянно имеется слой
адсорбированных частиц.
Средний вакуум (р = 102÷10-1 Па) характеризуется тем, что средняя
длина свободного пробега частиц λ приблизительно равна характерному
размеру сосуда d, т. е. λ≈ d.
В высоком вакууме (р = 10-1÷10-5 Па) средняя длина свободного
пробега частиц λ значительно больше характерного размера сосуда d, т. е.
λ >> d.
В сверхвысоком вакууме длина свободного пробега частиц
оценивается в десятки тысяч метров.
В зависимости от степени разрежения в камере и размеров самой
камеры длина свободного пробега молекул изменяется в широких пределах.
В таблице 2 приведены сравнительные расчетные данные для молекул в
воздухе при 20º С и различных давлениях.
Таблица 2.
Длина свободного пробега молекул в воздухе для различных давлений
p,Па
105
(мм рт.ст.)
(760)
101
(10-1)
100
(10-2)
10-1
(10-3)
10-2
(10-4)
10-3
(10-5)
10-4
(10-6)
λ, см 7,2*10-6 0,055 0,55 5,5 55 550 5500
Чем выше требуемый уровень вакуума, тем сложнее оборудование
для его создания, поддержания и контроля, а также для проведения
10
Стр.10