Наиболее широко применяемыми материалами для подложек являются керамика, ситалл и стекло. Керамикой называются мате­риалы, получаемые спеканием порошков окислов алюминия, берил­лия и других элементов. Основной минералогической фазой кера­мики на основе оксида алюминия является корунд (кристаллофаза µ § ЎЄ Аl2О3). Корундовая керамика обладает способностью образо­вывать вакуумплотные спаи с металлами и сплавами, что позволяет использовать ее не только в качестве материала для подложек и плат, но и для изготовления металлокерамических корпусов микро­схем.

Свойства корундовой керамики зависят от содержания в ней основной фазы, т. е. А12О3. Чем выше содержание А12О3, тем луч­шими характеристиками обладает керамика, однако при этом по­вышается ее стоимость. Наиболее широкое применение находит керамика типа ВК 94-1 (прежнее наименование 22ХС). При удов­летворительных свойствах затраты на ее получение относительно невелики. Керамика с содержанием корунда 99,8% (например, типа ВК 100-1) носит название поликор. В отличие от керамики ВК 94-1 она имеет лучшие электрические характеристики, более высокую теплопроводность, поддается полированию, но обладает более вы­сокой стоимостью.

Для подложек мощных микросхем и микросборок используется керамика на основе окиси бериллия ВеО, называемая также брб-керитом. Ее основное достоинство ЎЄ высокий коэффициент тепло­проводности, составляющий примерно 2 Вт/(см*град). Однако по­добная керамика с трудом обрабатывается, а пыль, образующаяся при ее обработке, токсична.

Ситаллы представляют собой аморфно-кристаллические стекла. Они допускают обработку поверхности до высокого класса чисто­ты, обладают высокой механической прочностью, удовлетворитель­ной теплопроводностью. Ситаллы очень широко используются в ка­честве подложек для тонкопленочных микросхем. Некоторые свой­ства корундовой керамики и ситаллов наиболее употребительных марок приведены В таблице 4.1.

Бесщелочные стекла марок С41-1, С48-3 и другие иногда приме­няются в качестве подложек микросхем там, где не требуется хо­рошей теплопроводности и значительной механической прочности. Теплопроводность стекол несколько ниже теплопроводности ситал­лов, а прочность на изгиб ЎЄ меньше приблизительно в два раза. Однако стекла легко обрабатываются до получения качественной гладкой поверхности и довольно дешевы.

Помимо описанных основных материалов, подложки могут из­готавливаться из металлов и полимеров. Стальные и медные под­ложки, покрытые эмалью, иногда находят применение для мощных низкочастотных микросхем. Использование полимерных материа­лов (чаще всего тонких лент из полиимида) целесообразно с точки зрения автоматизации технологического процесса. Кроме того, по­добным микросхемам может быть придана более удобная, чем плос­кая, форма. Например, полиимидная пленка с нанесенными на нее элементами может быть свернута в плотную цилиндрическую спи­раль и т. п.

При изготовлении тонкопленочных микросхем плохо поддаю­щаяся полировке керамика (например, ВК 94-1) для улучшения качества поверхности покрывается глазурью, т. е. тонкой (0,1ЎЄ 0,2 мм) стекловидной пленкой, прочно сплавляющейся с керамикой. Кроме того, для изготовления толстопленочных микросхем поверх ность подложек должна сохранять определенную шероховатость для улучшения адгезии пленок.

Размеры подложек и плат ограничиваются стандартами. Наибо­лее употребительные размеры подложек и плат из керамики и си-талла приведены ниже.

Длина, мм 60 48 30 24 20 16 16 12 10

Ширина, мм 48 30 24 20 16 12 10 10 8

Кроме того, для крупногабаритных МСБ изготавливаются под­ложки с размерами 120X96 и 96X60 мм. Возможно также исполь­зование плат с размерами, меньшими, чем 10X8 мм, в частности, для производства навесных компонентов (чипов) с нестандартными параметрами (резисторов и т. п.).

Заметим, что платы из ситаллов изготавливаются путем разре­зания подложек с исходными размерами 60X48 мм, а платы из ке­рамики ЎЄ сразу с необходимыми размерами, поскольку керамика плохо поддается размерному разделению.

Толщина подложки и плат из керамики и ситалла составляет 0,2ЎЄ1,6 мм. Наиболее часто используются платы толщиной 0,6 мм.

Базовые технологические процессы изготовления ИС.

5.1 Вакуумно-термическое испарение

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

Температуры плавления и испарения наиболее важных элементов приведены В таблице. Из этой 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).

Скорость испарения, т. е. количество вещества (в граммах), покидающее 1 см свободной поверхности в 1 с при условной температуре Тy , рассчитывают по формуле

По этой формуле можно определить, например, какова скорость испарения алюминия, имеющего М = 27 и Ту - 1423:

Скорость испарения большинства элементов при Ty состав­ляет 10-4 г/(см2.с). Для получения приемлемых скоростей роста пленки, а также экономного расходования материала (нередко дорогостоящего) 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.

Поток испаренного вещества, состоящий из молекул (ато­мов) , не претерпевающих на своем пути столкновений и рассе­яний и движущихся вследствие этого прямолинейно, называют молекулярным потоком. Для определения условий существова­ния молекулярного потока удобнее характеризовать степень вакуума не давлением остаточного газа, а средней длиной сво­бодного пробега его молекул.

Из формулы (3) следует, что уже при давлении р = 10-2 Па средняя длина свободного пробега молекул µ § 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.

Кроме того, необходимо обеспечивать равномерность рас­пределения толщины пленки на подложке, что является одним из основных ее параметров. Толщина пленки в данной точке подложки определяется количеством частиц, достигающих ее в единицу времени. Если бы поток наносимых частиц был одинаков на всю поверхность подложки, пленка получалась бы одинаковой толщины. Однако площадь испарителей вещество много раз меньше площади подложкодержателей (поэтому их называют точечными источни­ками) . В результате добиться равномерности потока невоз­можно. Как видно из Рисунок 5.1 а, скорость нанесения пленки будет неодинакова в точке 0 и в точ­ках А и В: чем дальше от оси 0S эти точки, тем ниже скорость нанесения пленки и тем меньше ее толщина за данное время нанесения. При плоском подложкодержателе неравномер­ность толщины пленки состав­ляет ± 20 %.

Наиболее простым способом снижения неравномерности рас­пределения пленки по толщине является увеличение расстояния dип. Однако это уменьшает ско­рость конденсации пленки, что отрицательно сказывается на ее свойствах. Максимально воз­можное расстояние dип ограни­чено размерами рабочей камеры установки.

На практике применяют бо­лее сложные способы, одним из которых является придание подложкодержателю сферичес­кой формы (Рисунок 5.1,6).

Неравномерность толщины пленки снижается при этом до ± 10 %. Если этого недостаточ­но, используют систему с двой­ным вращением, так называе­мую планетарную карусель (Рисунок 5.1 17, в), состоящую из приводной вращающейся оси 9, на которой установлены три подложкодержателя 7. Каждый подложкодержатель может вращаться вокруг собственной оси 8 при обкатывании по кольцу 6 . Так осуществляется планетар­ное движение подложек. Планетарные карусели стоят довольно

Рисунок 5.1.1 . Схемы осаждения пле­нок из точечного источника на плоский (а) и сферический под-ложкодержатели (б) и на пла­нетарный подложкодержатель с двумя направлениями вращения (в):

1,5, 7 ЎЄ плоский, сферический и планетарный подложкодержатели, 2 - подложки, 3 ЎЄ поток осаждаемых частиц, 4 ЎЄ то­чечный источник потока осаждае­мых частиц, 6 ЎЄ кольцо, 9 - ось подложкодержателя, 9 ЎЄ привод­ная вращающаяся ось
дорого, однако при их использовании неравномерность пленок по толщине составляет ± (3 - 4) %.

Для проверки неравномерности толщины нанесенных пле­нок в пяти точках на пластине ЎЄ в центре и по краям взаимно перпендикулярных диаметров ЎЄ измеряют с помощью микро­скопа МИИ-4 толщину пленки dп. Выбирают из полученных значений толщины максимальное dmax и минимальное dmin и вычисляют (%) неравномерность (отклонение толщины от среднего значения) по формуле

(5.1.3)

Рассмотрим пример расчета неравномерности толщины пленки. Получены замеры в пяти точках(нм): 1260, 1255, 1290, 1280, 1265. Из этого ряда выберем dmax = 1290 и dmin = = 1255 и вычислим неравномерность по формуле (5) :

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.

5.2. Типы и конструкции испарителей

Нагрев электропроводящего тела, обладающего высоким электрическим сопротивлением при прохождении через него электрического тока, называют резистивным. При этом, как правило, используют переменный ток.

Достоинства резистивного нагрева ЎЄ высокий КПД, низкая стоимость оборудования, безопасность в работе (низкое напря­жение на зажимах) и малые габаритные размеры. Факторами, ограничивающими применение испарителей с резистивным на­гревом, являются возможность загрязнения наносимой пленки материалом нагревателя, а также малый ресурс работы из-за старения (разрушения) нагревателя, что требует его периоди­ческой (иногда довольно частой) замены.

Испарители этого типа различных конструктивных вариан­тов могут быть с непосредственным или с косвенным нагревом испаряемого вещества.

Материалы, используемые для изготовления испарителей, должны отвечать следующим требованиям. Испаряемость ма­териала испарителя при температуре испаряемого вещества должна быть пренебрежимо малой. Для хорошего теплового контакта материал испарителя должен хорошо смачиваться рас­плавленным испаряемым веществом. Между материалом испа­рителя и испаряемым веществом не должны происходить ника­кие химические реакции, а также образовываться легкоиспа-ряемые сплавы, так как это приводит к загрязнению наноси­мых пленок и разрушению испарителей.

Для изготовления испарителей промышленных установок используют тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал, молибден).

Следует особо отметить, что алюминий, применяемый для нанесения пленок, в расплавленном состоянии обладает высокой химической активностью и взаимодействует практичес­ки с любыми металлами, из которых изготовляют испарители. Это значительно снижает их срок службы. Поэтому такие испа­рители являются одноразовыми и после каждого процесса испарения их заменяют.

В испарителях с непосредственным нагревом ток в несколь­ко десятков ампер проходит непосредственно через испаряе­мый материал. Такой метод испарения может быть применен только для сублимирующихся металлов, т. е. металлов, темпе­ратура плавления которых выше температуры испарения (хром, титан и др. - см. Таблица 2).

Основное достоинство этих испарителей - отсутствие тепло­вого контакта между их нагретыми элементами и испаряемым металлом, что обеспечивает высокую чистоту наносимой пленки. Однако они обеспечивают низкую скорость испарения, дают возможность испарять малое количество материала, который может быть использован только в виде ленты или проволоки, а также не позволяют испарять диэлектрики и большинство металлов. Сечение таких испарителей должно быть одинаковым на всем протяжении, иначе в месте утонения возникает перегрев и они перегорают.

Испаритель с резистивным непосредственным нагревом показан на рисунке 5.2.1. Испаряемый материал 3 в виде проволоки или ленты вставляют в изготавливаемые из титана или нер­жавеющей стали и закрепляемые винтами 2 массивные кон­тактные зажимы 1, к которым подводится электропитание. Для снижения тепловых потерь за счет излучения, а также огра­ничения потока пара 4 в направлении к подложке 5 служит многослойный экран 6.

Испарители с косвенным нагревом, в которых испаряемое вещество нагревается за счет теплопередачи от нагревателя, бо­лее универсальны, так как позволяют испарять проводящие и непроводящие материалы в виде порошка, гранул, проволоки, ленты и др. Но при этом из-за контакта с нагретыми частями испарителя, а также из-за испарения материала подогревателя осаждаются менее чистые пленки.

Поверхность резистивных испарителей предварительно очи­щают, промывая в растворителях. Часто их также отжигают в вакууме. Так как форма испарителя с косвенным нагревом зависит от агрегатного состояния, в котором находится испа­ряемый материал, их подразделяют на проволочные, ленточные и тигельные.

Рисунок 5.2.1. Испаритель с резистивным непо­средственным нагре­вом:

1 ЎЄ контактный за­жим, 2 - винт, 3 -испаряемый матери­ал, 4 ЎЄ поток пара, 5 ЎЄ подложка, 6ЎЄ многослойный эк­ран

Проволочные испарители применяют для испарения веществ, которые смачивают материал нагревателя. При этом расплавленное вещество силами поверхностного натя­жения удерживается в виде капли на проволочном нагревателе. Проволочные испарители изготавливаются V- и W-образной формы, а также спирале- и волнообразной.

Проволочный испаритель простейшей конструкции (Рисунок 19, а) используют для нанесения пленок алюминия, который хорошо смачивает вольфрамовый проволочный нагреватель ЎЄ цилиндрическую проволочную спираль 2. Испаряемое вещество в виде скобочек (гусариков) 3 навешивают на спираль, которую отогнутыми концами 1 вставляют в контактные зажимы. По мере нагрева это вещество плавится и формируется на про­волоке в виде капель. Снизу размещаются тепловой и ограни­чивающий экраны. Проволочные испарители предназначены для создания протяженного потока испаряемого материала, что достигается использованием одновременно нескольких навесок.

При плохой смачиваемости испаряемого вещества, а также для испарения навесок в форме гранул или кусочков при­меняют испарители в виде конической проволочной спирали 6 (Рисунок 5.2.2, б), закрепляемой на зажимах 4 токоподвода. Спи­раль окружена цилиндрическим тепловым экраном 5, а снизу размещается ограничивающий экран 7.

Наиболее распространенными материалами для изготовле­ния проволочных испарителей является проволока Ф 0,5 ЎЄ1 мм из фольфрама и тантала.

Существенным достоинством проволочных испарителей является простота их конструкции и возможность модификации под конкретные технологические условия. Кроме того, они хорошо компенсируют расширение и сжатие при нагреве и охлаждении. Недостаток этих испарителей ЎЄ малое количество испаряемого за один процесс материала.

Ленточные испарители применяются для испа­рения металлов, плохо удерживающихся на проволочных испа­рителях, а также диэлектриков и изготавливаются с углублени­ями в виде полусфер, желобков, коробочек или лодочек. Наибо­лее распространенными материалами для таких испарителей является фольга толщиной 0,1 ЎЄ 0,3 мм из вольфрама, молиб­дена и тантала. Испаритель с углублением в виде полусферы, предназначенный для испарения относительно малых количеств вещества, показан на рисунке 5.2.3, а. Для снижения теплового потока из зоны испарения к зажимам токоподвода по краям полу­сферы имеются утонения сечения (шейки). Испарители лодочного типа (Рисунок 5.2.3, б) предназначены для испарения относительно больших количеств вещества. Чтобы скомпенсировать деформации испарителя, его профиль усложнен отгибом лапок, которыми он крепится к зажимам токоподвода.

Рисунок 5.2.2. Проволочные испарители косвенного нагрева с цилиндрической (о) и конической (б) проволочной спиралью:

1 ЎЄ отогнутый конец спирали, 2, 6 ЎЄ цилиндрическая и коническая спи­рали, 3 ЎЄ испаряемый материал (гусарик), 4 ЎЄ зажимы токоподвода, 5,7 ЎЄ цилиндрический тепловой и ограничивающий экраны

молибдена и тантала толщиной 0,1 - 0,5 мм:

а - с углублением в виде полусферы, б - лодочного типа
Если для металлов благодаря их высокой теплопровод­ности испарение в вакууме есть явление поверхностное, то для таких неметаллических веществ плохой теплопроводности, как диэлектрики (например, SiO2), существует большая вероят­ность из разбрызгивания при форсированном испарении. В этих случаях применяют испарители коробчатого типа услож­ненной конструкции (Рисунок 5.2.4), выполненные из ленты толщи­ной 0,1 мм в виде коробочки /, в которую засыпают испаряе­мое вещество 5. Сверху коробочка закрывается однослойным или двухслойным экраном 3 с отверстиями, через которые проходят пары 4 наносимого материала.

В случае применения двухслойного экрана отверстия рас­полагают в шахматном порядке, что полностью исключает прямой пролет крупных частиц испаряемого вещества. Помимо предохранения от разбрызгивания такие испарители позволяют создавать над поверхностью испаряемого вещества ограничен­ное пространство, в котором пар 4 близок к насыщенному, что затрудняет обеднение соединения более легко испаряющимся компонентом.

Эффективную защиту от разбрызгивания капель, которым сопровождается процесс испарения некоторых веществ, обеспе­чивают лабиринтные испарители. Как видно из названия, эти испарители имеют форму, исключающую прямой путь для выхода крупных частиц вещества в момент взрывного испаре­ния. В результате поступающее в лабиринтный испаритель гра­нулированное вещество выходит из него только в виде пара в предпочтительном направлении в сторону подложек.

Лабиринтный испаритель для оксида кремния (Рисунок 5.2.5) выполнен в виде коробочки 1, по краям которой имеются лапки 2 для подсоединения к зажимам токоподвода. Сверху коробочка закрыта крышкой 5, имеющей боковой и нижний 6 экраны для снижения тепловых потерь излучением. В верхней части крышки имеются два патрубка. Через патрубок 3 в левую часть коробочки засыпают испаряемый материал 7, а затем этот патрубок закрывают круглой крышкой 4. Через правый патру­бок 10 поступают пары наносимого материала, которые пред­варительно в коробочке проходят по лабиринту, образованно­му экранами 8 и 9, и из них отсеиваются макроскопические час­тицы.

Рисунок 5.2.4. Испаритель косвенного нагрева коробчатого типа:

1 ЎЄ коробочка, 2 ЎЄ поток па­ров наносимого вещества, 3 ЎЄ экран, 4 ЎЄ пары испаряемого вещества, 5 - испаряемое ве­щество

Рисунок 5.2.5. Испаритель косвенного нагрева лабиринтного типа:

1 - коробочка, 2 - лапки, 3, 4 ЎЄ патрубок для загрузки материала и его крышка, 5 - крышка испа­рителя, 6 ЎЄ нижний экран, 7 -испаряемое вещество, 8, 9 ЎЄ разде­лительные экраны, 10 ЎЄ выходной патрубок
В производстве часто бывает необходимо наносить пленки, состоящие не из одного вещества, а являющиеся сплавами. Это представляет наибольшую трудность в тонкопленочной тех­нологии. Вследствие различной упругости паров компонентов сплава состав пленки может заметно отличаться от исходного (эффект фракционирования сплава). Так, при нанесении спла­ва нихрома (Ni 80 %, Сr 20 %) при t = 1400° С на подложке образуется пленка, имеющая следующий состав: Ni- 60 %, Сr - 40 %.

Для получения состава пленок, соответствующего составу исходного сплава, применяют метод микродозирования (дис­кретное или взрывное испарение). Сущность этого метода (Рисунок 5.2.6) состоит в том, что из дозатора 4 на ленточный разо­гретый испаритель 5 дискретно сбрасываются небольшие порции порошка 1 испаряемого сплава с размерами частиц 100ЎЄ 200 мкм. Испарение микродоз происходит практически мгно­венно и полностью, в результате чего на подложке 3 последова­тельно осаждаются очень тонкие слои. В пределах каждого слоя наблюдается неоднородный состав (вследствие фракционирования сплава), однако уже в процес­се нанесения взаимной диффу­зией атомов составляющих ком­понентов выравнивается кон­центрация каждого из них по толщине пленки.

Этот метод особенно эффек­тивен при нанесении многокомпо­нентных сплавов (например, МЛТ-2М, нихром ЎЄ оксид кремния). Достоинством его является также отсутствие загрязнений пленки материалом испарителя (малое время контакта микродозы спла­ва с испарителем).

Основной недостаток метода микродозирования ЎЄ сложность наладки дозатора для подачи особо мелких порций испаряемого сплава. В условиях большого теплоизлучения (от перегретого металлического испарителя) устойчивую работу дозатора обес­печить трудно. Кроме того, имеется опасность не испарения, а разбрызгивания вещества в виде капель или твердых частиц.

Рисунок 5.2.6. Метод дискретного испарения:

1 - испаряемый порошок, 2 - пары наносимого вещест­ва, 3 ЎЄ подложка, 4 ЎЄ доза­тор, 5 - ленточный испари­тель
Тигельные испарители используют, как прави­ло, для испарения больших количеств сыпучих диэлектрических материалов. Тигли изготовляют из тугоплавких металлов, квар­ца, графита, а также керамических материалов (нитрида бора ВN, оксида алюминия А12Оз - алунда). Максимально допусти­мая температура кварца составляет 1400° С, графита - 3000° С, оксида алюминия - 1600° С.

Два типа испарителей с тиглями из керамики показаны на рисунке 5.2.7, а, б.

В испарителе первого типа (Рисунок 5.2.7, а) нагреватель в виде плоской улиткообразной спирали 1 располагается в полости керамического тигля 2, куда насыпается испаряемый материал. Такой испаритель позволяет испарять с высокими скоростями большое количество вещества.

В испарителе второго типа нагреватель в виде конусо­образной спирали 1 расположен с внешней стороны керамичес­кого тигля 2. ,

При равной мощности питания первый испаритель нагрева­ется до более высокой температуры, чем второй. Однако досто­инством второго является отсутствие контакта испаряемого материала со спиральным нагревателем. Эксплуатационным недостатком тигельных испарителей является то, что они доволь­но инерционны, так как малая теплопроводность материала, из которого изготовляют тигель, не обеспечивает быстрого нагрева испаряемого вещества.

Рисунок 5.2.7. Испарители прямого нагрева с тиглями с внутрен­ним (а) и внешним (б) спиральными нагревателями:

1 - спираль, 2 - тигель
5.3. Лазерное, электронно-лучевое, «взрывное» испарение

Принцип электронно-лучевого нагрева состоит в том, что кинетическая энергия потока ускоренных электронов при бомбардировке ими поверхности вещества превращается в теп­ловую энергию, в результате чего оно нагревается до темпе­ратуры испарения.

Для образования электронного луча необходим источник свободных, т. е. не связанных с другими частицами, электронов. Для того чтобы электрон вылетел из металла наружу, его ско­рость должна быть направлена в сторону поверхности металла и он должен преодолеть действие сил, стремящихся возвратить его обратно в металл.