Разработка измерителя влажности (стр. 4 из 10)
При изготовлении конденсаторов в качестве диэлектрика используем моноокись кремния. Плёнки моноокиси кремния получают термическим испарением.
Таблица 4.3 Основные параметры диэлектрических материалов конденсаторов
| Моноокись кремния | Моноокись германия | Пятиокись тантала | Боросили-катное стекло | |
| Удельная ёмкость С0, пФ/см2 | 5000...10000 | 5000...15000 | 60000... ...100000 | 2500...15000 |
| Электрическая прочность Епр, В/см | 2...3*106 | 1,0*106 | 2,0*106 | 3...4*106 |
| Диэлектрическая проницаемость e при f = 1МГц | 5...6 | 11...12 | 23 | 4 |
| Тангенс угла диэлектрических потерь tgd при f = 1 МГц | 0,01...0,02 | 0,005... ...0,007 | 0,02 | 0,001... ...0,0015 |
| Температурный коэффициент ёмкости ТКС при Т= -60...1250С, град-1 | 2*10-4 | 3*10-4 | 4*10-4 | 0,35*10-4 |
| Изменение ёмкости после работы в течение 1000 ч, % | 1,5 | 2 | - | - |
4.3 Формирование тонких плёнок методом термовакуумного напыления
Общие требования к методам формирования тонкоплёночных структур на поверхности подложки
Для определения этих требований рассмотрим вначале влияние методов нанесения плёнки на подложку с точки зрения получения требуемой точности параметров элементов ГИС. Например, погрешность резистора может быть представлена суммой составляющих [6]:
GR = Gr + Gl + Gв + Gd, (4.1)
где GR – относительная погрешность резистора;
Gr– погрешность за счёт удельного сопротивления материала плёнки;
Gd, Gв, Gl – погрешности за счёт длины, ширины резистора, толщины плёнки соответственно.
Предположив, что составляющие погрешности примерно одинаковы, а значение GR = 10%, получим значения составляющих 2,5%. Для толщины плёнки равной 100А значение её абсолютной погрешности составляет 2,5А, что соизмеримо с толщиной нескольких атомных слоёв. Следовательно, для получения таких слоёв метод нанесения плёнки должен обеспечивать диспергирование исходного материала до атомного (молекулярного) уровня.
Вторым требованием, предъявляемым к методам нанесения тонких плёнок, является требование особой чистоты среды, в которой происходит их осаждение. Будучи объективно необходимым, оно дополнительно обусловлено уровнем диспергирования материала, когда значительно облегчается возможность вступления атомов исходного материала в химические соединения с материалами, загрязняющими среду, в которой происходит процесс осаждения.
Третьим требованием можно назвать требование универсальности метода, позволяющего осаждать плёнки различных материалов.
Перечисленным методам удовлетворяют следующие методы формирования тонких плёнок:
– метод термовакуумного напыления плёнок;
– метод катодного распыления материалов и его модификации;
– метод осаждения из жидкой фазы;
– метод осаждения из газовой фазы.
Метод термовакуумного напыления
Данный метод является одним из наиболее универсальных методов получения плёночных структур самого различного назначения. Широкое использование этого метода основывается на возможности проведения большинства технологических операций в контролируемых и "чистых" условиях, что позволяет использовать ряд известных соотношений геометрической оптики, кинетической теории газов, статистической физики, термодинамики и физики твёрдого тела для объяснения эффектов роста и структурных преобразований изготавливаемых тонкоплёночных структур.
Сущность метода термовакуумного напыления заключается в испарении наносимого материала в условиях низкого давления и дальнейшей его конденсации на поверхности подложки. Принцип действия оборудования, реализующего этот метод, поясняется на рис. 4.1.
Основание 1 и колпак 2 образуют рабочую камеру, из которой непрерывно откачивается воздух. Испаряемый материал путём нагрева доводится до температуры, при которой он начинает интенсивно испаряться. Поток пара, имея определённую диаграмму испарения, достигает подложки 6 и конденсируется на ней. Условия конденсации могут меняться путем изменения температуры подложки с помощью нагревателя 7. Заслонка 5 служит для открытия или закрытия пути потоку пара.
1 - основание; 2 - колпак; 3 - испаряемый материал;
4 - испаритель; 5 - заслонка; 6 - подложка;
7 - нагреватель подложки.
Рис. 4.1 Схема вакуумной установки
Определение технологических режимов напыления
Одной из задач технологии является установление связи между условиями, в которых оптимально протекает используемый физико-химический процесс, и параметрами технологических режимов оборудования, обеспечивающими выполнение этих условий.
Наносимая плёнка должна удовлетворять двум основным требованиям:
– заданному значению параметра, определяемому функциональным назначением плёнки ( r, Со и т.п.);
– сохранению этих параметров на всей площади подложки с заданной точностью.
Любой источник испарения обладает некоторой диаграммой направленности (испарения), определяемой его размерами и конструкцией. Это значит, что плотность потока пара в различных направлениях различна и, следовательно, различна толщина осаждаемой плёнки на подложке. Это различие также зависит и от расстояния подложки до испарителя.
С этой точки зрения наиболее целесообразным было бы иметь испаритель с площадью не менее площади подложки и близко расположенный к ней. Это обеспечивало бы не только высокую равномерность плёнки по толщине, но и снизило бы расход испаряемого материала. Однако такое решение, оказывается, практически реализовать довольно трудно по двум основным причинам. Первая связана с относительно большими энергетическими затратами на разогрев испарителя. Вторая заключается в резком повышении плотности потока пара, что приводит к трудно управляемому во времени процессу напыления (малое время напыления, следовательно, больше погрешности параметров плёнки).
В связи с этим при термовакуумном напылении тонких плёнок используют испарители с площадью значительно меньшей площади подложки, что позволяет рассматривать их приблизительно как точечные, а диаграмму испарения подчиняющейся закону косинуса [6].
Для обеспечения требуемой точности воспроизведения параметров плёнки в этом случае расстояние между испарителем и подложкой должно быть не менее определённой величины. Иными словами, требование к параметрам изделия трансформируются к конструктивным требованиям оборудования.
Для получения приемлемых скоростей роста плёнки, а также для экономного расходования испаряемого материала, необходимо создать условия движения молекул (атомов) преимущественно в сторону подложки.
Это может быть создано за счёт уменьшения вероятности столкновения частиц пара с молекулами остаточного газа в рабочей камере, а также за счёт формирования испаряющей поверхности.
Таким образом, устанавливается связь между концентрацией остаточного газа в рабочей камере (физический параметр) с остаточным давлением (параметр технологического режима) в ней. Однако удобнее степень вакуума связать не с концентрацией молекул остаточного газа, а со средней длиной пробега частицы пара в промежутке испаритель-подложка. При этом очевидно, что средняя длина свободного пробега должна быть больше, чем расстояние от испарителя до подложки. Для воздуха при комнатной температуре средняя длина пробега L приблизительно равна:
(4.2)где p – давление остаточного газа в рабочей камере, Па.
Из этого выражения можно определить, что при
p = 10-2 Па L= 665 мм.
Или при
L = 100 мм, p = 6,65 * 10-2 Па [6].
Из рассмотренного выше, устанавливается связь: от погрешности толщины к расстоянию между испарителем и подложкой, к минимальному давлению в рабочей камере.
Однако, давление, найденное только исходя из обеспечения средней длины пробега, является удовлетворительным крайне редко. Как отмечалось ранее, вероятность вступления частиц испаряемого материала в химическую реакцию с частицами остаточного газа достаточно высока. Поэтому, для сохранения свойств осаждаемого на подложку материала концентрация частиц остаточного газа должна быть на несколько порядков ниже, чем концентрация частиц испаряемого материала. Поэтому давление в рабочей камере, как установлено практикой и расчётами, не должно быть выше 10-3 Па.
Другими параметрами, определяющими технологический режим осаждения плёнки, являются температура подложки и температура испарителя. Чем выше температура подложки, тем больше вероятность реиспарения атомов (молекул) осаждаемого материала, а центров кристаллизации образуется меньше. Структура плёнки становится "крупнокристаллической". При низких температурах наоборот - осаждённая плёнка имеет "мелкокристаллическую" структуру.
При высокой температуре испарителя, что соответствует высокой плотности потока пара и, следовательно, малому времени осаждения плёнки, вероятность образования центров кристаллизации выше. Следовательно, образуется мелкокристаллическая структура плёнки. Однако при высокой скорости испарения процесс становится трудно контролируемым. При низких температурах испарителя плотность потока пара меньше, скорость осаждения плёнки меньше, вероятность образования химических соединений больше, структура крупнокристаллическая. Структура плёнки непосредственно влияет на функциональные свойства осаждаемого материала.