Файл: Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие.pdf

Пленки ТагСЬ могут быть выращены также с помощью анодного окисления тантала. В качестве металлических обкладок чаще всего применяют напыленное золото. Для увеличения емкости осуществ­ ляют многослойное напыление проводящих и диэлектрических пле­ нок, соединяемых параллельно.

§ 8.6. Контроль качества тонких пленок

Качество тонких пленок оценивают, контролируя толщину плен­ ки, ее адгезию с подложкой и структуру. Обычно в зависимости от целевого назначения пленок определяется метод контроля и конт­ ролируется какой-либо один или два параметра.

И з м е р е н и е т о л щ и н ы п л е н о к

Определение толщины пленок представляет значительные мето­ дические трудности, так как понятие «толщина» в применении к слоям от 50 А до 5 мкм теряет свою определенность. Плотность, Удельное сопротивление, оптические свойства пленок и массивных материалов различаются. Поэтому измеренная каким-либо методом толщина будет эффективной, отличающейся от значения «истин­ ной» толщины. Значения эффективных толщин пленки, полученные различными способами измерения, не совпадают.

При выборе способа определения эффективной толщины следу­ ет ориентироваться на требования, связанные с использованием изготовляемых тонких пленок. Например, при использовании тон­ ких пленок в интерферометрии нередко имеет значение фазовый сдвиг, вносимый наличием пленки, и, следовательно, необходимо знание ее «интерферометрической» толщины. При измерении тол­ щины диэлектрических пленок, применяемых для изготовления пле­ ночных конденсаторов, определяют емкость этих пленок.

Наиболее распространенными методами измерения толщины тонких пленок являются: микровзвешивание, многолучевая интер­ ферометрия, наблюдение цвета пленок, измерение электрического сопротивления или емкости, использование кварцевого резонатора, ионизация молекулярного потока.

245

В основе метода микровзвешивания лежит определение толщи­ ны пленок по приращению в весе АР подложки после осаждения пленки:

где у — удельный вес вещества пленки; S — площадь, занимаемая пленкой.

При измерении толщины пленки путем взвешивания принима­ ют, что плотность вещества пленки равна плотности массивного вещества. При этом под эффективной толщиной пленки понимают ту толщину, которую имел бы слой, если бы образующий его ма­ териал был равномерно распределен по поверхности с плотностью, равной плотности массивного вещества.

В зависимости от чувствительности весов и площади S абсо­ лютная чувствительность метода составляет 1—10 мкм/м2.

так и на подложке смещены относительно друг друга у границы пленки на величину / (рис. 8.14). Измерение смещения I произво­ дят с помощью микроинтерференционного микроскопа. Толщину пленки рассчитывают по формуле

где д — длина волны монохроматического света.

Точность измерения составляет 20—30 А на лучших интерферо­ метрах и 150—300 А на обычных. В отличие от метода взвешива­ ния данный метод применим только для непрозрачных пленок. Если пленка прозрачная, то на пленку и подложку в районе «сту­ пеньки» осаждают дополнительно непрозрачную хорошо отражаю­ щую металлическую пленку, например, алюминия. Для уменьше­ ния вносимой погрешности ее толщина должна быть много меньше

246

стояние между соседними интерференционными максимумами столь велико, что вся пленка окрашивается равномерно в один цвет. С увеличением толщины пленки окраска ее меняется, причем, один и тот же цвет повторяется несколько раз с достижением пленкой толщин, кратных Я/4. Поэтому для измерения толщины пленки по ее цвету нужно знать не только соответствующую данному цвету длину волны, но и порядок интерференции k = l, 2, 3, . . . . Толщи­ на пленки с коэффициентом преломления п

где д — длина волны, соответствующая данному цвету пленки.

В этом случае под толщиной пленки понимают ту толщину, ко­ торую имела бы пленка с показателем преломления, равным п, определенному для массивного диэлектрика.

Чувствительность метода составляет 200—300 А. Недостаток за­ ключается в его субъективности — различные люди не наблюдают одного и того же цвета для пленок одинаковой толщины.

Образец, на котором производят измерение толщины пленки, в большинстве случаев не пригоден для производства. Поэтому из нескольких одновременно напыляемых в идентичных условиях об­ разцов один служит только для измерения толщины. Его называют «свидетелем».

При изготовлении проводящих и резистивных пленок толщину определяют непосредственно в процессе напыления путем измере­ ния продольного электрического сопротивления на «свидетеле»,

обладающем известными геометрическими размерами. Измеритель­

толщин. Толщина пленки

В данном случае под толщиной пленки понимают толщину, ко­ торую имел бы слой, если бы удельное сопротивление этого слоя было равно удельному сопротивлению массивного металла. Чув­ ствительность метода 10—50 А, предельная толщина измеряемых пленок около 1 мкм. Точность измерения невелика вследствие неоп­ ределенности значения р.

Толщину диэлектрических пленок в процессе осаждения опреде­ ляют путем измерения емкости между металлическими поло­ сками, нанесенными на «свидетель». «Свидетель» проходит

247

предварительную калибровку для каждого напыляемого материа­ ла. Предельная толщина наносимой пленки около 30 мкм, но точ­ ность также невелика.

Для более точного измерения толщины пленок в процессе напы­

Исходя из общей формулы (8.21), связывающей геометрические размеры и вес пленки, можно получить следующее выражение для определения толщины пленки:

пленок. Для тонких пленок и большой чувствительности использу­ ют высокие частоты. Чувствительность кварцевого резонатора Am/A/== 10-10 кг/кгц. Применение радиотехнической аппаратуры при f = 20 Мгц позволяет определять сдвиг А/= 20 гц, что дает воз­ можность измерять приращения массы около 10-8 кг/м2 или 0,1—1 А толщины. Практически точность равна 50—200 А.

Выпускаемые серийно кварцевые измерители толщин предназ­ начены для измерения толщин тонких металлических, полупровод­ никовых и диэлектрических пленок в диапазоне толщин от 100 А до 5 мкм с точностью ±10%. Приборы позволяют задавать требуе­ мую толщину пленки, после достижения которой подается сигнал на прекращение напыления. Для точного измерения толщины про­ изводят градуировку приборов.

Принцип действия приборов для измерения скорости осаждения пленок основан на частичной ионизации паров напыляемого веще­ ства и измерения полученного тока, пропорционального плотности молекулярного потока, проходящего через рабочий объем датчика. Для разделения молекулярного потока и остаточных газов исполь­ зуется модуляция молекулярного потока. В измерительном приборе переменная составляющая ионного тока датчика, пропорциональ­ ная скорости осаждения испаряемого вещества, выделяется, усили­ вается, детектируется и подается на стрелочный индикатор, пока­ зания которого пропорциональны скорости осаждения, и на циф­ ровой интегратор, фиксирующий толщину осажденной пленки. Чув­ ствительность метода составляет около 1 А/сек, погрешность —

1-5% .

Выпускаемые серийно измерители скорости осаждения и толщи­ ны пленки измеряют скорости осаждения в диапазоне 10—200А/с<?к и толщину пленки в диапазоне 0,1—1 мкм с погрешностью ±15%.

248

И з м е р е н и е а д г е з и и п л е н о к

В настоящее время не существует доступных промышленных методов точного количественного измерения адгезии тонких пленок с подложками.

Сравнительный контроль адгезии осуществляют путем измере­ ния усилия, которое надо приложить к стальной закругленной игле, для того чтобы при движении этой иглы вдоль поверхности пленки вызвать ее отслаивание от подложки. Усилие, при котором пленка отслаивается, характеризует адгезию. Метод применим для сравне­ ния адгезии пленок постоянной толщины и одного состава.

Адгезию металлических пленок с подложкой измеряют по уси­ лию отрыва пленки с напаянным на ее поверхность металлическим цилиндром. В центре свободного торца цилиндра закрепляют гиб­ кий тросик, связанный через рычаг с чашкой весов. Чтобы по уси­ лию отрыва Р вычислить адгезию F, нужно точно знать площадь контакта 5 и исключить перекос цилиндра, вызывающий неравно­ мерное распределение усилия по площади контакта. Адгезия

F = P/S.

Площадь торца цилиндра составляет около 1 мм2. Для получе­ ния надежных данных необходимо измерить адгезию несколько раз, каждый раз контролируя, не произошел ли отрыв по месту спая и не растворилась ли пленка в припое.

Разновидностью данного метода является контроль адгезии ме­ таллических пленок по отрыву от подложки с помощью тонкой зо­ лотой или алюминиевой проволоки, присоединяемой к пленке мето­ дом термокомпрессии. Площадь контакта составляет при этом 50—200 мкм2, что позволяет более точно определять адгезию в ло-. кальных участках пленки.

К о н т р о л ь с т р у к т у р ы п л е н о к

Изучение структуры тонких пленок сводится к различным мето-. Дам лабораторного контроля, что позволяет устанавливать связь, между физическими свойствами пленок и условиями их осаждения. Наиболее распространенными методами контроля структуры поликристаллических и монокристаллических пленок являются элект­ ронная микроскопия, электронография и рентгенография. Эти же методы применяют для исследования аморфных пленок.

Метод электронной микроскопии чаще всего осуществляют с по­ мощью просвечивающей микроскопии, что дает возможность конт­ ролировать пленки толщиной 100—1000 А. Тонкие пленки получают путем напыления вещества в вакууме на свежий скол кристалла каменной соли. После напыления соль растворяют в воде, а остав­ шуюся пленку помещают в электронный микроскоп. Наблюдение структуры и дефектов пленки возможно благодаря амплитудному контрасту, который создается главным образом упруго и неупруго Рассеянными электронами в области углов, лежащих за пределами

249,