Проектирование установки вакуумного напыления пленок КР1095 ПП1 (стр. 4 из 9)
Параллельно с механизмом электродиффузии и электрохимической коррозии действует механизм деградации механических пленок, связанный с окислением Al, что ведет к увеличению омического сопротивления токоведущих дорожек. В результате роста окисной пленки на поверхности проводящих дорожек и образование окисных межзеренных прослоек, уменьшается объем и эффективное поперечное сечение проводника и, как следствие, увеличивается удельное сопротивление материала. Ухудшение условий прохождения электрического тока по токоведущим дорожкам нарушает температурный режим прибора, приводя к локальным перегревам, усилению электродиффузии и росту вероятности отказа за счет обрыва металлизации.
Кроме того, локальный перегрев токоведущих дорожек способствует укрупнению зерен и расстояние их до поперечного размера дорожки. В этих условиях происходит разрыв или отслаивание металлизации из-за больших растягивающих усилий, возникающих в местах разрастания зерен.
Действие данного механизма отказов существенно ослаблено за счет снижения плотности тока, протекающего по токоведущим дорожкам, а также добавлением в металлизацию специальных примесей, например натрия до 1% повышающих температуру рекристаллизации.
Особо опасным местом в ПП структуре является металлизация на ступеньках окисла. (рис. 5)
Рис. 5 Металлизация на ступеньке окисла.
1 – место концентрации напряжений и образование микротрещин.
При напылении вследствие резкого изменения ориентации центров кристаллизации металлическая пленка на ступеньках осаждается неравномерно. В зависимости от соотношения ширины окна, высоты ступеньки и угла, под которым поток напыляемого материала направляется к поверхности подложки, толщина стенки составляет от 15 до 35% от толщины плоской части металлизации. Из-за дефекта затенения в углах ступеньки образуются места с более тонким покрытием, имеющим повышенный уровень механических напряжений, в результате действия которых в них могут образовываться микротрещины. При последующей эксплуатации микротрещины, постепенно разрастаясь и объединяясь, приводят к обрыву металлизации.
Дефекты в окисле в виде микротрещин, проколов, неровностей края окисла, таких как вырывы, при осаждении металлических пленок на его поверхности могут приводить к коротким замыканиям активных областей в полупроводниковом кристалле и к закорачиванию проводников при многослойной металлизации. В случае несквозных трещин и проколов в слое окисла дефекты металлизации проявляются при последующей эксплуатации приборов в аппаратуре. [6]
2. Специальная часть
2.1 Теоретическая часть
2.1.1 Физический процесс механизма распыления алюминия
Магнетронные системы ионного распыления являются усовершенствованными диодными системами и отличаются от них наличием в прикатодной области электрического и кольцеобразного магнитного полей, направленных перпендикулярно друг другу.
Прежде чем рассмотреть магнетронные системы, необходимо ознакомиться с законами движения заряженных частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях. Раздельное воздействие электрического и магнитного полей на движение заряженных частиц используется в работе электронно-лучевых испарителей. Совершенно иначе ведут себя заряженные частицы при одновременном воздействии этих полей.
Остановимся на простейшем случае, когда эти поля однородны и направлены перпендикулярно друг другу (рис. 6)
Рис. 6 Траектория движения электрона во взаимно перпендикулярных магнитном и электрическом полях
Напряженность электрического поля Е отложена по вертикальной оси, а напряженность магнитного поля В в перпендикулярной плоскости рисунка. Время t отсчитывается по горизонтальной оси.
Пусть в некоторый начальный момент времени заряженная частица находится в точке О и ее скорость равна нулю. Под действием электрического поля электрон начинает ускоряться вдоль оси Е. по мере увеличения скорости сила, действующая со стороны магнитного поля, будет возрастать, т. к. она пропорциональна скорости, и движущийся электрон начинает отклоняться, т.е. траектория будет представлять собой циклоиды. Электроны, эмиттируемые катодом отклоняться в сторону то оси Е.
Постепенный поворот траектории должен привести к тому, что электрон начиная с некоторого момента времени t1, которому соответствует точка 1, начинает двигаться к горизонтальной оси t. На участке траектории от точки 1 к точке 2 скорость электрона из – за торможения в электрическом поле уменьшается и обращается в нуль, когда он, в момент времени t2 достигает горизонтальной оси – точка 2. Затем снова начинается процесс ускорения, сменяющийся фазой торможения и отклонением траектории от точки 3 до точки 4 и т.д.
Таким образом, траектория электрона состоит из периодически повторяющихся одинаковых фаз. Такая арочноподобная кривая носит название «циклоиды».
Рассмотрим влияние скрещенных полей на процесс ионного распыления. Напомним, что в диодной системе разряд поддерживается вторичными электронами, эмиттируемыми с поверхности катода – мишени под действием ионной бомбардировки. В этом случае электроны покидают катод, ускоряются в перпендикулярном к нему направлении электрическим полем и пройдя положительный столб, попадают на анод и захватываются им (рис. 7)
а) б)
Рис. 7 Влияние скрещенных полей на характер ионного распыления в диодной (а) и магнетронной (б) системах.
Если перпендикулярно электрическому полю наложить параллельно катоду и очень близко к нему магнитное поле (рис. а, б), то траектории электронов будут представлять собой циклоиды. Электроны, эмиттируемые катодом под действием ионной бомбардировки не могут при этом двигаться к аноду в перпендикулярном направлении, т. к. оказываются в своеобразной ловушке, создаваемой магнитным полем. До тех пор, пока не произойдет несколько ионизирующих столкновений электронов с атомами рабочего газа, они перемещаются в ловушке, теряя энергию, полученную от электрического поля. Большая часть энергии электронов расходуется на ионизацию в непосредственной близости от катода, где создается высокая концентрация положительных ионов. В результате возрастает интенсивность бомбардировки катода и скорость его распыления.
Так как изменение магнитного поля увеличивает эффективность ионизации, тлеющий разряд в магнетронных системах поддерживается при более низких давлениях, чем в диодных. Магнетронные системы весьма эффективно работают при давлениях вплоть до 10-2 Па и постоянном напряжении, что обеспечивает высокую чистоту наносимых пленок.
Подводя итоги, следует отметить, что источники магнетронного распыления, называемые магратронами, позволили значительно повысить параметры и расширить технологические возможности диодных распылительных систем:
- увеличить более чем на порядок скорость нанесения пленок приблизив ее к скорости нанесения термовакуумного осаждения, и уменьшить на порядок рабочее давление, а значит, и вероятность попадания газовых включений в пленку;
- исключить интенсивную бомбардировку подложки высокоэнергетичными электронами, т.е. снизить неконтролируемый нагрев подложки и повреждение структур;
- обеспечить нанесение пленок алюминия и его сплавов с большими скоростями распыления;
- заменить высоковольтное оборудование низковольтным.
Кроме того, магратроны обеспечивают длительный ресурс работы и открывают возможность создания промышленных установок полунепрерывного и непрерывного действия. В настоящее время магратроны являются одним из основных устройств нанесения тонких пленок при производстве всех типов ИМС. В оборудовании для нанесения тонких пленок используют плоские магратроны с кольцевой и овально – протяженной зонами эрозии, состоящие из следующих основных частей: водоохлаждаемого катода, магнитного блока и анода. На рисунке 8 приведена схема магнетронной системы с плоским катодом и кольцевым анодом.
Блок из постоянных магнитов расположен под катодом. Подложки – над анодом. При подаче постоянного напряжения между катодом – мишенью и анодом (положительный или нулевой потенциал) возникает электрическое поле с составляющей, перпендикулярной плоскости катода. Таким образом у катода создается скрещенное электромагнитное поле. Магнитная ловушка обеспечивает отсутствие бомбардировки подложки вторичными электронами высоких энергий.
Основным недостатком системы с плоским катодом и кольцевым анодом является неравномерность электрического и магнитного полей и, соответственно, плотности разрядного тока, приводящие к низкому коэффициенту использования материала мишени (около 25%). Распыляется только узкая кольцеобразная область поверхности мишени.
В настоящее время магнетронное распыление широко применяется в промышленном производстве для получения одно- и многослойных систем металлизации, резистивных изолирующих, защитных слоев и т.д.
2.1.2 Факторы, влияющие на свойства тонких пленок
Структура и свойства тонких пленок, полученных путем испарения в вакууме, в значительной степени определяются условиями их конденсации и зависят от следующих факторов: природы используемого вещества и соответствия его структуры структуре ее очистки, микрорельефа и температуры поверхности в процессе конденсации на ней испаряемого вещества, степени вакуума и состава остальной среды в процессе испарения вещества и его конденсации, скорости испарения вещества, угла падения молекулярного потока на подложку, толщины пленки.