Лабораторная работа № 4 Изучение технологических операций плазменного травления и получения тонких пленок методами термовакуумного испарения и плазменного осаждения из газовой фазы при изготовлении изделий микроэлектроники (стр. 5 )

ω = к∙G∙SИ

Здесь SИ - рабочая площадь испарителя, а к - его эмиссионная характеристика.

Эмиссионная характеристика для точечного сферического испарителя

а для поверхностного испарителя (испарение в одной плоскости)

Здесь φ - угол между направлением пучка паров испаряемого материала и нормалью к подложке; Ω - угол между направлением пучка паров и нормалью к поверхности испарителя; r - расстояние от испарителя до подложки (рис.3).

Рисунок 3. Испарение из точечных сферического (а) и поверхностного (б) испарителей

На практике скорость конденcации пленки обычно измеряется в нанометрах в секунду. В этом случае при расчетах можно пользоваться формулой

(5)

где ρ*- плотность пленки (обычно принимается равной плотности массивного материала), г/cм3.

Температуры плавления и испарения наиболее важных элементов приведены в таблице 1.8.

Условной, практически установленной температурой испарения считается температура, при которой давление насыщенного пара вещества составляет приблизительно 1,3 Па.

Из таблицы видно, что условная температура испарения большинства элементов выше их температуры плавления, т. е. испарение происходит из жидкого состояния. Некоторые вещества имеют условную температуру испарения ниже температуры плавления, т. е. они достаточно интенсивно испаряются из твердого состояния. Процесс перехода вещества из твердого состояния в парообразное, минуя жидкую фазу, называют сублимацией (или возгонкой).

На практике скорость испарения, т. е. количество вещества (в граммах), покидающее 1 см2 свободной поверхности в 1с при условной температуре Ту, рассчитывают по формуле:

G = 6 ×10-4 (М/Ту)1/2 (г/см2 × с),

где М – молекулярная масса материала, г/моль.

Таблица 1.8.

Значения температур испарения и плавления некоторых металлов

Элемент	Атомная масса	tпл , °С	Ту, °С
Al	27	660	1150
Au	197	1063	1465
Cr*	52	1800	1205
Cu	63,5	1083	1273
Mo	95,5	2622	2533
Ni	58,7	1455	1510
Pt	195	1774	2090
Ta	181	2996	3070
Ti*	47,9	1725	1546
W	183,9	3382	3309

* Испаряется из твердого состояния (сублимируется)

Скорость испарения большинства элементов при Ту составляет 10-4 г/см2 с. Для получения приемлемых скоростей роста пленки, а также экономного расхода материала следует создавать условия движения частиц испаряемого вещества преимущественно по направлению к подложке. При этом необходим достаточно глубокий вакуум, при котором исключаются столкновения молекул остаточного газа с молекулами вещества и рассеивание их потока на пути к подложке.

Расчетная средняя длина свободного пробега молекул уже при давлении р = 10-2 Па составляет 50 см, что превышает реальное расстояние от испарителя до подложки (обычно не более 30 см). Таким образом, для создания прямолинейных траекторий движения молекул вещества в пространстве между испарителем и подложкой необходимо давление порядка 10-3 – 10-5 Па.

Как известно, сопротивление проводящей пленки прямоугольного сечения, измеренное в направлении, параллельном ее поверхности, равно

, (6)

где ρ – удельное сопротивление, Ом×см, l, b, h – соответственно длина, ширина, толщина образца пленки, см. Как видно из формулы (6), сопротивление пленки зависит от соотношения длины и шириныпроводящей металлической пленки. Если l = b, то

.

Величина ρS – называется удельным поверхностным сопротивлением пленки и выражается в омах на квадрат (Ом/). (Квадрат в этом случае – условная размерность, подчеркивающая ее принадлежность к поверхностному сопротивлению.) Отношение называется числом квадратов. Величина ρS определяется лишь удельным сопротивлением материала и толщиной пленки.

На рисунке 4, а показана теоретическая и экспериментальная зависимости поверхностного сопротивления пленки от толщины. Для значений толщины пленки, превышающих некоторое критическое значение hкр., можно отметить достаточно хорошее совпадение теории с экспериментом. При h < hкр. кривые резко расходятся.

Рисунок 4. Зависимость удельного поверхностного сопротивления металлической пленки от ее толщины (а) и температуры подложки (б). ρИМ – удельное сопротивление исходного объемного материала.

Для большинства металлов критическая толщина hкр. находится в пределах 10 – 30 нм. При такой (и меньшей) толщине пленки имеют островковую структуру. Причем, чем тоньше пленка, тем меньше размеры проводящих островков и больше расстояния между ними. Проводимость таких пленок осуществляется в основном в результате дрейфа электронов во внешнем поле в пределах островков, туннельного эффекта и термоэлектронной эмиссии между островками. С увеличением расстояния между островками проводимость пленки резко снижается.

Электрофизические свойства осаждаемых пленок в основном определяются их структурой и составом. Структура пленки, в свою очередь, зависит от свойств металла, режима испарения (температуры, давления паров и скорости испарения), условий и режима конденсации (давления остаточных газов, температуры и материала подложки, качества обработки ее поверхности).

Рассмотрим влияние скорости осаждения испаряемых частиц, давления остаточных газов и температуры подложки на удельное сопротивление пленок. Будем считать, что конденсация испарившегося вещества происходит в условиях идеального вакуума, т. е. влиянием оставшихся газов пренебрегаем. Тогда процесс формирования пленки для конкретных температур и материала зависит, главным образом, от температуры плавления конденсируемого материала. Для металлов с низкой температурой плавления (Sb, Cd, Zn, Sn, Pb) вследствие малой разницы между температурой плавления и температурой подложки осажденные частицы находятся в жидком («горячем») состоянии сравнительно долго; время их жизни τ на подложке достаточно велико. С увеличением скорости испарения (и осаждения) растет вероятность того, что группы близко расположенных атомов, приближаясь вследствие миграции одна к другой, находятся еще в жидком состоянии и, соединяясь, затвердевают с образованием крупных кристаллитов. В результате образуется крупнозернистая пленка с низким удельным сопротивлением. При медленном испарении концентрация осажденных частиц вследствие миграции снижается, и они затвердевают где-то на полпути друг к другу. При этом пленка получается мелкозернистой и обладает повышенным удельным сопротивлением.

Для металлов с высокой температурой плавления вследствие большой разницы температур Тк (температура конденсации) и Тп (температура подложки) конденсируемые горячие частицы очень быстро остывают, их миграционная подвижность уменьшается. Поэтому даже весьма мелкие группы этих частиц становятся малоподвижными и очень быстро застывают. В результате пленка получается мелкозернистой. Изменение скорости испарения (и осаждения) слабо влияет на характер кристаллизации структуру таких пленок. Более существенным здесь оказывается влияние остаточных газов.

В реальных условиях в вакуумной камере напылительной установки всегда содержатся активные остаточные газы (О2, Н2О и др.). При медленном испарении частицы имеют небольшие начальные скорости, и на пути своего движения к подложке часть из них может взаимодействовать с молекулами остаточных газов и увлекать их за собой на подложку. С увеличением давления остаточных газов число таких взаимодействий растет. Пленка становится менее регулярной с большим числом дефектов.

Увеличение скорости испарения уменьшает вероятность взаимодействия испарившихся частиц с молекулами остаточных газов, в результате уменьшается число молекул остаточных газов, попадающих на подложку, повышается однородность состав, структуры пленки и ее проводимость.

На рисунке 4, б показана зависимость ρS металлической пленки от ее толщины для двух значений температуры подложки. При напылении материала на подложку, имеющую более низкую температуру, образуется мелкозернистая пленка. Число границ зерен на единицу поверхности пленки увеличивается, что приводит к увеличению ее сопротивления. С ростом температуры подложки размеры кристаллических зерен на пленке увеличиваются и сопротивление ее снижается.

Процесс испарения и качество нанесенных пленок в значительной мере определяются типом и конструкцией испарителей, которые могут иметь резистивный или электронно - лучевой нагрев. Выбор типа испарителя зависит от вида испаряемого материала, его агрегатного состояния и температуры в процессе испарения, а также других факторов.

1.2.1. Испарение с помощью резистивного нагрева.