Лабораторная-работа-1

Лабораторная работа №1

Получение тонких пленок методом термического испарения на установке ВУП-4

Целью данной работы является изучение вакуумного универсального поста ВУП-4 и освоение технологии напыления тонких пленок методом термического испарения.

Термическое испарение в вакууме

Термическое испарение в вакууме нашло широкое применение в микроэлектронике для создания воспроизводимых тонкопленочных структур. Описание процессов получения тонких пленок производится известными законами кинематической теории газов, статистической физики, термодинамики и геометрической оптики.

Для осуществления процесса термического испарения необходимо обеспечить интенсивное испарение материала, направленный молекулярный поток к подложке, конденсацию пара на подложке.

Испарение вещества связано с преодолением межмолекулярных связей. В первую очередь поверхность материала покидают наиболее нагретые молекулы, обладающие наибольшей энергией. Одновременно с испарением происходит и обратный процесс конденсация вырвавшихся с поверхности молекул.

Если допустить, что процесс испарения протекает в камере, стенки которой достаточно нагреты и не конденсируют пар, т.е. отражают молекулы вещества, то процесс испарения становится равновесным, когда число испаряющихся и конденсирующихся молекул равны. Давление РS Па, соответствующее равновесному состоянию системы, зависит для данного вещества только от его температуры и выражается уравнением

lg PS A TB ,

где А и В константы, характеризующие вещество. Температура вещества, при которой давление насыщенного пара или, по-другому, равновесное давление PS = 1,33 Па называется условной температурой испарения Тусл.

В табл. 1 представлены константы и Тусл для некоторых веществ.

Известно, что теоретический максимум скорости испарения получается только в том случае, если с поверхности вещества испаряется такое количество молекул, которое необходимо для установления равновесного давления PS , причем ни одна молекула не возвращается на поверхность вещества. Это

означает, что должно установится гидростатическое давление, равное нулю.

3

Температуры плавления и условного испарения некоторых материалов

							Таблица 1
		Атомная	Тпл.	Тусл.	Коэффициенты		Рекомендуемый
	Элемент		C	C			материал испа-
		масса, а.е.			А	В
							рителя
	AG	107,9	961	1047	10,78	14090	Mo,Ta,C
	Al	27	660	1150	11,11	15630	W,C,BN
	Au	197	1063	1465	10,77	18520	W,Mo,C
	Cu	63,5	1083	1273	10,84	16580	W,Mo,Ta,C
	Cr	52	1800	1205	12,00	17560	W,Ta
	Та	181	2996	3070	12,12	40210	ЭЛИ

В реальности давление в рабочем объеме установки для напыления устанавливается 1,33 103 Па. Следовательно, число молекул, испаряющихся с поверхности вещества в реальных условиях, будет меньше теоретического максимума из-за вычета обратного потока, соответствующего гидростатическому, неравновесному давлению испаряемого вещества в газовой фазе, приблизительно приравниваемому давлению остаточных газов. Приближенно скорость испарения может быть определена для вещества, равномерно испаряющегося в замкнутом объеме, по формуле:

W 4,43 10	4 P		M	,		г		,
	S		T			см2	с

где М молекулярная масса вещества, г/моль; PS давление насыщенного пара, Па. Если принять PS = 1,33 Па, то

W 6 104		M		.
	Tусл

Эти формулы служат для приближенной оценки скорости испарения материала, а также для сравнения способности различных веществ к испарению.

Технологу важнее знать скорость конденсации паров на подложке, которую можно точно представить только эмпирическими зависимостями.

Формирование направленного потока молекул к подложке осуществляется за счет исключения соударения вещества с молекулами остаточного газа, т.е. за счет создания вакуума и за счет формирования соответствующего профиля поверхности испарителя.

Большинство испарителей может быть представлено в виде точечных или линейных источников [2]. Поток материала, наносимого на подложку, зависит от взаимного расположения поверхности испарителя и подложки, и расстояния r от испарителя до подложки (рис.1, а).

4

А

O

а) произвольная ориентация подложки

О			А

H

r

б) подложка ориентирована параллельно плоскости испарителя

Рис. 1. Схема испарения молекулярного потока от испарителя типа «элементарная площадка»

Скорость осаждения, а соответственно и толщина конденсата в произвольной точке подложки может быть вычислена по формуле:

M ос cos cos , 2 r

где угол между направлением от испарителя к точке А и нормалью к поверхности испарителя; угол между направлением от испарителя к точке А и нормалью к поверхности подложки.

5

Если подложка ориентирована параллельно плоскости испарителя (рис. 1, б), то = 0. Равномерность толщины конденсата на подложке, находящейся на расстоянии Н от испарителя, можно оценить отношением x толщины пленки в произвольной точке к 0 толщине пленки в точке 0, в зените над испарителем

X

0

		X		2	2
1					,
		H

где Х расстояние от центра подложки до произвольной точки А.

Степень неравномерности конденсата уменьшается до 3/2 для точечного источника испарения, который реализуется, например, в испарителе в виде спирали.

Для обеспечения равномерной толщины пленки в рабочем объеме вакуумных установок предусматриваются специальные приспособления (см. маятниковое устройство установки ВУП-4).

Краткое описание вакуумного универсального поста ВУП-4

Общий вид ВУП-4 показан на рис. 2.

					1.1
2.1
						1.2
2.2
						1.3
	2					1

Вакуумный универсальный пост ВУП-4 (в дальнейшем ВУП) предназначен для осуществления операций, связанных с распылением материалов в вакууме с помощью ионной бомбардировки. ВУП может быть использован

6

также для получения тонких пленок на плоских подложках методом термического испарения, для очистки подложек ионной бомбардировкой.

На вакуумной стойке 1 в верхней части рабочего объема (РО) 1.1 расположена вакуумная камера. Справа от нее расположены 1.2 наклонный и 1.3 горизонтальный пульты управления:

Внутри электрической стойки 2 расположен высоковольтный выпрямитель, питающий устройство для ионного травления, блок питания. В верхней части стойки смонтированы 2.1 наклонный и 2.2 горизонтальный пульты управления:

Конструкция рабочего объема столик для вакуумного препарирования представлена на рис. 3.

Рис. 3. Рабочий объем. Схематическое изображение

Рабочий объем образуется основанием 1 и колпаком 2. В целях обеспечения безопасности оператора колпак защищен кожухом 3. Основание уста-

7

новки расположено на каркасе. К основанию крепится термопарная манометрическая лампа, вакуумная блокировка и вакуумная система. Электрическое соединение блоков питания и контроля с устройствами, устанавливаемыми в рабочем объеме, осуществляется при помощи изолированных вводов. Так например, токоведущие стойки 4 устанавливаются на изолированных вводах, соединенных с трансформатором накала испарителей. Устройство для термического напыления смонтировано на столике. Оно включает стойки 4, держатели испарителей 5, маятниковое устройство 6 со столиком для подложек 7, заслонку (шторку) 8, датчик индикатора напыления 9.

Маятниковое устройство предназначено для получения во время напыления равномерного по толщине слоя по всей площади подложки. С этой целью столик 7 с подложкой совершает равномерное вращательное и колебательное движение. Устройство устанавливается на стойке 10 (рис.3.) столика для термического напыления. Датчик индикатора напыляемого слоя (рис.4.) устанавливается на специальной стойке 7. Он состоит из корпуса 6, в котором расположен источник света 1, светонепроницаемой пластинки 2 и фоторезистора 5.

Рис. 4. Датчик индикатора толщины

8

Диафрагма 4 и полости 3 образуют световую ловушку, которая улавливает лучи, отраженные от испарителя, и таким образом уничтожает влияние засветки.

Вакуумная система (рис.5) служит для создания рабочего вакуума в рабочем объеме 1. Она включает в себя высоковакуумный паромасляный насос 2 с водяной и азотной ловушками, механический насос 3 предварительного вакуума (форвакуумный насос), буферный баллон 4 (форбаллон), магнитные вентили 5,6,7 и манометрические лампы (термопарная 8 и ионизационная 9).

Рис. 5. Схема вакуумной системы

Соединение основных частей вакуумной системы осуществляется вакуумными резиновыми шлангами или металлическими патрубками с вакуумными уплотнениями в местах соединений. Необходимый вакуум в рабочем объеме получается с помощью высоковакуумного паромасляного насоса и

механического форвакуумного насоса в два этапа: получение низкого вакуума (Р > 0,133 Па ≈ 1 103 мм.рт.ст.) и получение высокого вакуума

Р ≤ 0,0133 Па ≈ 1 103 мм.рт.ст. При получении низкого вакуума высоковакуумный насос отсекается от рабочего объема с помощью высоковакуумного клапана 10.

При включении форвакуумного насоса магнитный вентиль 5 МВ1 открыт. Достижение необходимого низкого вакуума контролируется преобразователем манометрическим 8 типа ПМТ-2. Одновременно открыт и магнитный вентиль 6 МВ2, так что низкий вакуум создается и в форбаллоне.

При достижении в рабочей области (РО) давлений 2∙10-2 мм.рт. cт., что ≈ 2,66 Па, подключается высоковакуумный насос. Для этого магнитный вен-

9

тиль 5 МВ1 закрывается, а открывается высоковакуумный клапан 10. Достижение нужного вакуума в РО контролируется преобразователем 9 типа ПМ-2. Достигается высокий вакуум в РО за счет того, что пары специального вакуумного масла захватывают (адсорбируют) молекулы остаточного газа и увлекают их на охлаждаемые стенки насоса, где конденсируются и стекают вниз, попадая в жидкое масло.

Напыление пленки производится при непрерывно действующих и высоковакуумном, и форвакуумном насосах. После окончания процесса напыления высоковакуумный насос отсекается от РО с помощью высоковакуумного клапана 10. Напуск воздуха в РО осуществляется с помощью кнопки пуска воздуха 11.

Напуск воздуха в насос предварительного вакуума производится автоматически после окончания напыления.

Управление и контроль за работой установки производится с пульта управления. Пульт управления правой стойкой включает блоки управления вакуумной системой и измерения вакуума.

Для измерения низкого вакуума (Р > 0,133 Па) используется термопарный термометр, включающий в себя следующие элементы: источник питания подогревателя лампы выпрямительный прибор Д1, фильтр 01, переменный резистор для установки паспортного значения тока накала лампы, измерительный шунт R2 для измерения тока накала лампы, измерительный прибор ИПП, показания которого соответствуют значениям термо ЭДС.

Давление ниже 0,133 Па (l 10-3 мм.рт.ст.) измеряется с помощью ионизационного манометра, построенного на основе преобразователя ПМИ- 2. Перед началом измерений нажимается кнопка «прогрев». При этом автоматически включается питание катода от стабилизатора тока. Снимается сигнал на сетку с резистора R19, включенного в цепь коллектора. Этот сигнал (ток коллектора) пропорционален давлению остаточного газа в РО.

Когда достигается рабочий вакуум, начинается процесс напыления. По шкале измерительного прибора (ИП) выставляется требуемый уровень толщины напыляемого слоя. Индикатор напыления установлен также на пульте правой стойки. При включении кнопки «напыление» срабатывает реле Р1, включающее своими контактами накальный трансформатор испарителя. Одновременно включается сигнальная лампа Л2, а стрелка ИП возвращается в нулевое положение. В процессе напыления происходит затемнение контрольного стекла, световой поток уменьшается, а измерительный мост разбалансируется. Стрелка ИП будет отклоняться на величину, пропорциональную толщине напыленного слоя. При достижении заданного уровня толщины реле Р1 выключается, отключив своими контактами накальный трансформатор испарителя, и процесс напыления прекращается.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с кратким описанием вакуумного универсального поста ВУП-4.

10

2.Ответить на контрольные вопросы.

3.Получить разрешение преподавателя на выполнение экспериментальной части.

4.Включить насосы.

4.1.Нажать кнопку «Сеть», ФН.

4.2.Открыть клапан ПВ (предварительный вакуум в РО).

4.3.Включить индикатор вакуумметра ПМТ-4М. Проверить ток лампы (должен быть 110-140mA).

4.4.Нажать кнопку ФВ контроль низкого вакуума.

4.5.Нажать кнопку ВВ открыть воду на высоковакуумный насос, открывается клапан откачки высоковакуумного насоса.

4.6.Нажать кнопку ДН включается разогрев насоса. Ждать 30-40 ми-

нут.

4.7.Нажать кнопку «Прогр.».

4.8.Нажать кнопки ПВ, ФВ контроль низкого вакуума (1,2 мВ по верхней шкале).

4.9.Открыть затвор для откачки до высокого вакуума в РО (слева от

РО).

4.10.Включить «Эмисс.» и отверткой выставить значение напряжения

5 мВ.

4.11.Нажать кнопку «Нуль» и выставить соответствующим резисто-

ром 0 мВ.

4.12.Нажать кнопку «10-4» , ждать, когда стрелка вакуумметра зайдет

за 1мВ, нажать кнопку «10-5». Верхняя шкала показывает давление

вмм.рт.ст. приблизительно (2-4) 10-5.

5.Загрузить РО испарителями и подложкой

5.1.Закрыть затвор, нажать ФВ, открыть нагнетатель, вращая нижний винт против часовой стрелки. В РО натекает воздух.

5.2.Открыть РО рукой от себя.

5.3.Загрузить два испарителя: 3 хромом, а 4 медью. Установить

подложку.

5.4.Протереть спиртом уплотнение РО. Опустить крышку РО. Закрыть натекатель, вращая нижний винт по часовой стрелке.

5.5.Нажать кнопку ПВ откачать РО до предварительного вакуума, контролировать по верхней шкале 1,2 мВ

5.6.Нажать кнопку ВВ и кнопку «Прогр.», открыть затвор и начать откачку из РО до высокого вакуума. Ждать приблизительно 5 мин.

5.7.Включить «Эмисс.», проверить 5 мВ.

5.8. Нажать «Ноль» выставить или проверить, 0 мВ. 5.9. Повторить переход 4.12 6. Выполнить напыление.

6.1.Вставить ключ в отверстие 5В.

6.2.Замкнуть вторым ключом испаритель 3 для хрома.

11

6.3.Нажать кнопку «Исп.». Выставить медленно ручкой «Рег.напр.»

ток 60-80А. Наблюдать испарение. Внимание! Ток не должен превышать

80А.

6.4.После образования сплошной зеркальной поверхности вывести ручку «Рег.напр.» в исходное положение.

6.5.Отжать кнопку «Исп.».

6.6.Вторым ключом отключить испаритель 3 и замкнуть испаритель 5

для меди.

6.7.Повторить переход 6.3. Обратить внимание на то, что медь расплавится, прежде чем начнет испаряться. Визуально изменится цвет подложки.

6.8.Повторить 6.4 и 6.5.

6.9.Вынуть подложку с напыленной пленкой. Для этого повторить переходы 5.1 и 5.2.

7. Отключить установку.

7.1.Закрыть РО.

7.2.Закрыть натекатель.

7.3.Нажать кнопку ПВ. Ждать 1-2 минуты.

7.4.Нажать кнопку ВВ.

7.5.Отжать кнопку ДН.

7.6.Ждать около часа остывания ДН.

7.7.Нажать кнопку О (окончание).

7.8.Отжать кнопку ФН отключить форвакуумный насос.

7.9.Отключить ФВ.

7.10.Отключить индикатор вакуума.

7.11.Отжать кнопку «Сеть».

8.Рассчитать с учетом геометрии РО распределение конденсата по поверхности подложки для испарителя типа «элементарная площадка» на основе законов Ламберта - Кнудсена. Замерить расстояние от испарителя до подложки.

9.Замерить сопротивление квадрата пленки в девяти точках в центре и вдоль диагоналей подложки с помощью прибора ИУС-3.

		10.			Построить	теоретическую и экспериментальную кривые
	x	OX			,где x и	0 – толщина пленки в произвольной точке Х подлож-
0			OA

ки, и в центре подложки соответственно; OX расстояние от центра подложки до произвольной точки, ОА половина диагоналей подложки.

11. Сделать выводы. Оформить отчет.

Содержание отчета

Отчет о лабораторной работе должен содержать:

1.Цель работы.

2.Перечень основных конструктивных узлов ВУП.

12