Технология тонкопленочных микросхем (стр. 26 )

6.2.3. Диэлектрические многослойные пленочные системы

К оптическим многослойным пленочным системам из диэлектрических материалов предъявляются постоянно возрастающие требования: желание получения определенных параметров отражения или пропускания при минимальных суммарных потерях (поглощение А, рассеяние S), а также при этом желание получения высоких механических качеств.

Бурное развитие лазеров высокой мощности, а также большой промышленный спрос на специальные отрезающие и линейные фильтры потребовали создания автоматически работающих установок для напыления и катодного распыления, которые могут производить любые оптические пленочные системы с достаточной воспроизводимостью.

С помощью электроннолучевого напыления или катодного распыления сегодня изготовляются оптические пленки из двуокиси кремния (SiO2) и двуокиси титана (TiO2).

Многослойные пленочные системы характеризуются следующими параметрами:

а) показателем преломления n

б) пропусканием T

в) отражением R

г) рассеянием S

д) поглощением A

Эти физические параметры связаны друг с другом уравнением: T + R+ A+ S=1.

В качестве примера на рис. 6.2. показана кривая пропускания лазерного зеркала, состоящего из 21 отдельной пленки. В качестве подложки использовалось стекло с показателем преломления n=1,52.

Рис. 6.2. Кривая пропускания лазерного зеркала.

Зеркало было изготовлено при помощи электроннолучевой пушки при давлении кислорода p = 5×10-2Па и температуре подложки 100°С. Были получены следующие данные по пленкам из SiO2 / TiO2:

A=0,12; T = 0,04; R = 99,78; S = 0,06.

Область применения покрытий:

- лазерная техника;

- оптико-электронные приборы;

- спектральная и спектрофотометрическая аппаратура;

- тепловизионные приборы и др.

В настоящее время накоплен опыт по созданию покрытий для оптических элементов лазеров, в том числе для управляемого термоядерного синтеза, по нанесению покрытий на крупногабаритную оптику (диаметр подложки до 600нм), по созданию светоделительных покрытий с заданным соотношением R/Т, фильтрующих покрытий и др.

7 Методические указания по самостоятельной работе студентов.

7.1 Методические указания по выполнению контрольных работ.

В пособии принять следующие обозначения и сокращения:

- интегральная микросхема – ИМС;

- фотолитография – ФЛ;

- фоторезисты –ФР;

- фотошаблон – ФШ.

В первую контрольную работу включены следующие темы:

1) фоторезисты;

2) разрешающая способность ФЛ;

3) фотолитография;

4) изготовление ФШ;

5) получение рисунка ИМС.

Сведения по фотолитографии содержатся в разделе 2. Следует обратить внимание на следующее. Фотошаблоны могут быть с негативным и позитивным изображениями по отношению к тому рисунку, который надо получить на подложке. Например, если надо сформировать окно в слое SiO2, то в позитивном ФШ на этом месте должен быть светлый участок. Если надо получить тонкопленочный резистор или другой элемент в центре подложки, то в позитивном ФШ на этом месте должен быть темный участок. Выбор ФР (негативный или позитивный) должен быть согласован с ФШ.

Технология изготовления ФШ по оптико-механическому методу включает следующие операции:

- изготовление оригинала;

- изготовление промежуточного ФШ;

- изготовление эталонного ФШ;

- изготовление рабочего ФШ.

На первом этапе вычерчивается на координатографе оригинал с большим увеличением: для полупроводниковым ИМС – в масштабе от М200:1 до М1000:1, а для пленочных схем – от М10:1 до М100:1. На втором этапе изображение оригинала переносится на редукционной установке на фотопластину с уменьшением. После проявления фотопластины получается промежуточный ФШ с единичным изображением ИМС. Масштаб уменьшения выбирается так, чтобы промежуточный фотошаблон имел масштаб М10:1 или М5:1.

Изображение с промежуточного ФШ переносится на фотопластину на фотоповторителе с уменьшением в заданное число раз до получения конечных размеров элементов (М1:1). Одновременно рисунок промежуточного ФШ размножается по всему полю фотопластины столько раз, сколько требуется затем готовых схем на подложке (групповой ФШ). После операции проявления получаем эталонный ФШ, в котором рисунок сформирован в эмульсионном слое с размерами элементов в М1:1. Эталонный ФШ нельзя использовать в качестве рабочего, так как эмульсионный слой быстро повреждается, накапливаются дефекты, и он становится непригодным к использованию. Рабочие ФШ делаются с эталонного ФШ на стеклянной подложке в технологическом слое с помощью контактной ФЛ.

Вторая контрольная работа включает в себя следующие темы:

1)  термическое испарение в вакууме;

2)  режимы напыления пленок;

3)  ионно-плазменное распыление (ИПР);

4)  тонкопленочные элементы;

5)  технология тонкопленочных элементов;

6)  типовые технологические процессы изготовлени ИМС.

Термическое испарение в вакууме достаточно подробно рассмотрено в учебном пособии в разделе 3.1. Распределение толщины пленки по подложке оценивается отношением толщины пленки в любой точке подложки d к толщине в центре подложке - d0, т. е. . Если это отношение, например, равно 0,85, то это соответствует разбросу толщины 15%. Во всех задача выбирается стандартная подложка 60×48 мм, которая устанавливается симметрично относительно испарителя на расстоянии h от него, т. е. положение испарителя соответствует центру подложки.

При расчете скорости испарения по формуле (3.7) давлеие ps следует подставлять в Па, массу – в кг, температуру испарения Тu – в К. Условная температура испарения соответствует давлению насыщенных паров ps=1,33 Па. Необходимые для расчетов константы выбираются из соответствующих приложений.

7.2 Примеры решения задач.

Тема: «Термическое испарение в вакууме».

1) Рассчитать давление насыщенных паров при термическом испарении серебра при температуре 1320 К.

Решение.

Давление насыщенных паров рассчитывается по формуле:

,

где ps – давление насыщенного пара, Па;

А, В – постоянные, приведенные в приложении 3.

Для расчета ps запишем

Тогда

Ответ:

2) Рассчитать скорость испарения серебра при температуре 1320 К.

Решение.

Скорость испарения рассчитывается по формуле:

,

где k – постоянная Больцмана;

m – масса молекулы.

При заданной температуре испарения рассчитывается давление ps. Воспользуемся значением ps из предыдущей задачи. Массу молекулы рассчитываем следующим образом: из таблицы Менделеева (приложение 2) находим молекулярный вес а. е.м. Учитываем, что 1 а. е.м.кг, и получаем массу молекулы серебра .

Ответ: .

3) Рассчитать скорость конденсации и время напыления пленок серебра толщиной 0,5 мкм.

Скорость конденсации для центра подложек () рассчитывается по формуле

- для точечного испарителя,

где - скорость испарения;

- площадь испарителя;

- плотность вещества;

- расстояние.

- для поверхностного испарителя.

С другой стороны, скорость конденсации есть скорость роста пленок, т. е.

,

где d – толщина;

t – время.

Решение.

Выбираем поверхностный испаритель с площадью ds1=1 см2 и расстояние от испарителя до подложки – 10 см. Плотность серебра выберем из приложения 3:. Воспользуемся значением скорости испарения из предыдущей задачи .

Подставляем в формулу все значения в системе СИ:

Для конденсации пленок серебра толщиной 0,5 мкм потребуется время напыления:

Ответ: 1040 с или 17,3 мин.

4) Рассчитать разброс толщины пленки на стандартной подложке при следующих условиях: испаритель – поверхностный; расстояние .

Выбираем стандартную подложку с размерами 60×48 мм, т. е. ,. Воспользовавшись формулой (3.21):