Тонкие пленки

Основными преимуществами метода являются: низкая температура процесса и высокая  точность управления уровнем легирования. Снижение температуры процесса уменьшает  диффузию примеси из подложки и автолегирование. Это позволяет получать качественные тонкие слои. Легирование при использовании данного метода является безинерционным (в отличие эпитаксии из газовой фазы), что позволяет получать сложные профили легирования.

МЛЭ заключается в осаждении  испаренных элементарных компонентов  на подогретую монокристаллическую  подложку. Этот процесс иллюстрируется с помощью рис. 6, на котором приведены  основные элементы для получения  соединения (GaAs).

 

 

Рис.1.6. Схема установки молекулярно-лучевой эпитаксии

 

Каждый  нагреватель содержит тигель, являющийся источником одного из составных элементов  пленки. Температура нагревателей подбирается таким образом, чтобы давление паров испаряемых материалов было достаточным для формирования соответствующих молекулярных пучков. Испаряемое вещество с относительно высокой скоростью переносится на подложку в условиях вакуума. Нагреватели располагаются так, чтобы максимумы распределений интенсивности пучков пересекались на подложке.

Подбором  температуры нагревателей и подложки получают пленки со сложным химическим составом. Дополнительное управление процессом наращивания осуществляется с помощью заслонок, расположенных  между нагревателем и подложкой. Использование этих заслонок позволяет  резко прерывать или возобновлять попадание любого из молекулярных пучков на подложку.[5]

 

1.5. Лазерное распыление

 

Лазерное  напыление – уникальный технологический  процесс, позволяющий наносить на поверхность  деталей обладающие специальными свойствами материалы (металлы, карбиды и т.п.), добиваясь, таким образом, восстановления геометрии, повышения поверхностной  прочности, коррозионной устойчивости, снижения трения и прочих эффектов. В отличие от технологии, использующей тепло электрической дуги или сгорания смеси горючего и кислорода, лазерное напыление обеспечивает меньшее термическое воздействие и смешивание материала подложки с напыляемым материалом, при более прочном их скреплении.

Схема установки  лазерным испарением представлена на рис. 1.7.

 

Рис. 1.7. Схема установки лазерным испарением.

 

Глубина проникновения лазерного луча в  поверхность мишени мала (приблизительно 10 нм). Это означает, что только тонкий поверхностный слой материала подвержен воздействию излучения в то время, как оставшаяся часть мишени остается незатронутой.[2]

Говоря  о достоинствах лазерного испарения, можно отметить, что это один из наиболее быстрых методов получения  тонкопленочных покрытий, он предоставляет  четко ориентированное направление  распространения плазмы, наряду со стехиометрическим трансфером материи от мишени к подложке.

 

 2. Химические вакуумные методы

 

 

2.1 Реактивное  катодное распыление

 

В отличие  от физического распыления реактивное катодное распыление происходит в тлеющем  разряде смеси инертного и  активного газов. Частицы распыленного катода химически взаимодействуют  с активным газом или образуют с ним твердые соединение, и  новое вещество попадает в основу. Чтобы процесс образования вещества пленки, которая наносится, не проходил на катоде, что очень усложняет  горения разряда, применяют смеси  аргона с содержанием активных газов  не более 10%. Для получения пленок оксидов распыления проводят в плазме аргон-кислород, нитрид - в плазме аргон-азот, карбидов в плазме аргон-угарный газ или аргон-метан. При вводе в камеру различных активных газов, получают пленки различных соединений, которые практически невозможно получить термовакуумным напылением.

Реактивное  катодное распыление позволяет не только получить различные по составу пленки, но и управлять их свойствами, например удельное сопротивление резистивных  пленок. Реактивное распыление широко используется для формирования высокоомных резисторов.

Главными  техническими трудностями при реактивном катодном распылении является точное дозирование активного газа, подаваемого  в вакуумную камеру.[3]

 

2.2 Газофазная МОС-гидридная эпитаксия с использованием металлоорганических соединений (МОСГЭ)

 

Этот метод не требует дорогостоящего оборудования, обладает высокой производительностью. Достоинствами МОСГЭ являются также необратимость химических реакций, лежащих в его основе, и отсутствие в парогазовой смеси химически активных с растущим слоем компонент. Это позволяет проводить процесс эпитаксии при сравнительно низких температурах роста и осуществлять прецизионную подачу исходных веществ, что позволяет обеспечить контролируемое легирование слоев и получение структур в широком диапазоне составов твердых растворов с резкими концентрационными переходами.

К недостаткам  МОС-гидридного метода можно отнести высокую токсичность используемых исходных соединений, в первую очередь арсина, а также сложность химических процессов, приводящих к образованию слоя GaAs, что затрудняет моделирование условий образования эпитаксиальных слоев с нужными свойствами.

Особенность метода состоит в том, что в  эпитаксиальном реакторе создается  высокотемпературная зона, в которую  поступает газовая смесь, содержащая разлагаемое соединение. В этой зоне протекает реакция и происходит выделение и осаждение вещества на подложке, а газообразные продукты реакции уносятся потоком газа-носителя.

Для получения  соединений AIIIBV в качестве источника  элемента III группы используют металлоорганические  соединения (например, триметилгаллий (ТМГ) для синтеза GaAs и триметилиндий (ТМИ) для InP или InGaP). В качестве источников элементов V группы служат газы арсин и фосфин.[4]

 

2.3. Жидкофазная эпитаксия

 

Жидкофазная эпитаксия в основном применяется для получения многослойных полупроводниковых соединений, таких как GaAs, CdSnP2. Готовится шихта из вещества наращиваемого слоя, легирующей примеси (может быть подана и в виде газа) и металла-растворителя, имеющего низкую температуру плавления и хорошо растворяющий материал подложки (Ga, Sn, Pb). Процесс проводят в атмосфере азота и водорода (для восстановления оксидных плёнок на поверхности подложек и расплава) или в вакууме (предварительно восстановив оксидные плёнки). Расплав наносится на поверхность подложки, частично растворяя её, и удаляя загрязнения и дефекты. После выдержки при максимальной температуре ≈ 1000°С начинается медленное охлаждение. Избытки полупроводника осаждаются на подложку, играющую роль затравки. Существуют три типа контейнеров для проведения эпитаксии из жидкой фазы: вращающийся (качающийся), пенального типа, шиберного типа.[4]

 

 

 3. Химические вневакуумные методы

 

 

3.1 Электрохимическое осаждение покрытий

 

Это метод  получения пленок отличается от предыдущих тем, что рабочей средой является жидкость. Однако характер процессов  сходен с ионно-плазменным напылением, поскольку и плазма, и электролит представляют собой квазинейтральную смесь ионов и неионизированных молекул или атомов. А главное, осаждение происходит также постепенно (послойно) как и напыление, т.е. обеспечивает возможность получения тонких пленок.

В основе электрохимического осаждения лежит  электролиз раствора, содержащего ионы необходимых примесей. Например, если требуется осадить медь, используется раствор медного купороса, а если золото или никель – растворы соответствующих  солей.

Ионы  металлов дают в растворе положительный  заряд. Поэтому, чтобы осадить металлическую  пленку, подложку следует использовать как катод. Если подложка является диэлектриком или имеет низкую проводимость, на нее предварительно наносят тонкий металлический подслой, который  и служит катодом. Подслой можно  нанести методом термического или  ионно-плазменного напыления.

Большое преимущество электрохимического осаждения  перед напылением состоит в гораздо  большей скорости процесса, которая  легко регулируется изменением тока. Поэтому основная область применения электролиза в микроэлектронике – это получение сравнительно толстых пленок (10 – 20 мкм и более). Качество (структура) таких пленок хуже, чем при напылении, но для ряда применений они оказываются вполне приемлемыми.

Один  из вариантов химического ионно-плазменного  напыления называют анодированием. Этот процесс состоит в окислении  поверхности металлической пленки (находящейся под положительным потенциалом) отрицательными ионами кислорода, поступающими из плазмы газового разряда. Для этого к инертному газу (как и при чисто химическом напылении) следует добавить кислород. Т. о., анодирование осуществляется не нейтральными атомами, а ионами.

Химическое  напыление и анодирование проходят совместно, т.к. в газоразрядной плазме (если она содержит кислород) сосуществуют нейтральные атомы и ионы кислорода. Для того чтобы анодирование превалировало  над чисто химическим напылением, подложку располагают "лицом" (т.е. металлической пленкой) в сторону, противоположную катоду, с тем, чтобы на нее не попадали нейтральные атомы.

По мере нарастания окисного слоя ток в анодной  цепи падает, т. к. окисел является диэлектриком. Для поддержания тока нужно повышать питающее напряжение. Поскольку часть  этого напряжения падает на пленке, процесс анодирования протекает  в условиях большой напряженности  поля в окисной пленке. В результате и в дальнейшем она обладает повышенной электрической прочностью.

К числу  других преимуществ анодирования относятся  большая скорость окисления и  возможность управления процессом  путем изменения тока в цепи разряда. Качество оксидных пленок, получаемых данным методом, выше, чем при использовании  других методов.[1]

 

3.2. Химическая металлизация

 

Химическая  металлизация основана на химической "реакции серебряного зеркала" и заключается в нанесении на поверхности пластмасс, пластика, алюминия, керамики металлизируемых изделий зеркальных металлических покрытий, которые имеют высокую отражающую способность. Зеркальные металлизированные поверхности, образующиеся в результате химической металлизации, отличаются целым рядом существенных преимуществ. Во-первых, такой метод как химическая металлизация практична с экономической точки зрения. Он не является технически сложным и оптимально вписывается в технологические процессы. Во-вторых, металлизация универсальна. В-третьих, металлизированные поверхности, получаемые с применением метода, как химическая металлизациия, отличаются прекрасными механическими свойствами, в частности высокой износостойкостью и твердостью. В-четвертых, химическая металлизация удобна тем, что размеры металлизируемых деталей практически не ограниченны. В-пятых, такой процесс как химическая металлизация совершенно безвреден в экологическом отношении, он не наносит ущерба здоровью людей и окружающей среде.[4]

При использовании  метода химической металлизации технологический  процесс осуществляется в три  основных этапа. Сначала на поверхность  детали наносится слой специального связующего грунта, активного по отношению  к последующему металлическому слою. Затем при помощи установки "Мета-хром", предназначенной для химической металлизации пластмасс, на покрытую связующим грунтом поверхность напыляют специально подготовленные химреагенты, которые в результате химической реакции и образуют на поверхности детали зеркальное металлическое покрытие. Наконец, на полученное зеркальное покрытие наносится слой защитного лака, предохраняющий металлизированную поверхность от потускнения и механического износа. После затвердения и высыхания защитного лака металлизированное покрытие выглядит точно так же, как если бы оно было нанесено методом электролитического осаждения. Добавляя в защитный лак красящие пигментные тонеры, можно придать покрытию внешний вид хрома, алюминия, золота, меди, бронзы, других металлов и сплавов.

 

 

Выводы

У исследователей, заинтересовавшихся в исследовании тонких пленок, имеется широкий выбор  методов их изготовления. В общем  случае, эти методы могут быть разбиты  на два класса. Один класс объединяет методы, основанные на физическом испарении  или распылении материала из источника, например термическое испарение  или ионное распыление. В другом классе собраны методы, основанные на использовании химических реакций. Сущность реакций в этом классе методов  может быть различной: электрическое  разделение ионов, как, например, при электрохимическом осаждении и анодировании, или использование тепловых объектов, как например при осаждении из паровой фазы и термическом выращивании. В данной работе была предпринята попытка совершить классификацию методов получения тонких пленок, основанную на таком принципе подразделения.

После рассмотрения различных методов получения  тонких пленок сделан вывод, что нет  оптимального выбора метода получения  тонких пленок. Выбор метода зависит  от типа требуемой пленки, от ограничений  в выборе подложек и часто, особенно в случае многократного осаждения, от общей совместимости различных  процессов, протекающих при применении этого метода.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Смирнов В.И. Физико-химические основы технологии электронных средств: Учебное пособие. / В.И. Смирнов.  – Ульяновск: УлГТУ. – 2005. –112 с.
2. Григорьев Ф.И. Плазмохимическое и ионно-химическое травление в технологии микроэлектроники. Учебное пособие. / Ф.И. Григорьев. М. – 2003.
3. Панфилов Ю.А. Нанесение тонких пленок в вакууме / Ю.А. Панфилов  //Технологии в электронной промышленности. – 2007. –  №3. –  С. 76– 80.
4. Технология тонких пленок. Справочник. Под ред. Майссела Л., Глэнга Р. Том 1. М.: Советское радио. – 1977. – 664 с.
5. Сушенцов Н.И. Основы технологии микроэлектроники: Лабораторный практикум / Н.И. Сушенцов, В.Е. Филимонов. – 3-е изд., перераб. и доп. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. – 184с.