Файл: Рыбинский, О. А. Пассивные элементы гибридных интегральных схем.pdf

шихты для прокатки; формование (прокатка) ленты; изготовление плоских деталей.

Первый этап этого процесса уже подробно рассмотрен.

Из полученной эластичной ленты специальными штампами вы­ рубают плоские детали требуемой конфигурации. Изделия для уда­ ления из них связки и образования материала с заданными свойст-

Рис. 7. Схема технологического процесса прокатки ферритовой пленки

20

сами подвергаются высокотемпературному обжигу. Для проведе­ ния обжига изделия свободно в один ряд укладываются на плитку из того же материала, что и изделия, и обожженную при темпера­ туре на несколько десятков градусов выше, чем должна быть тем­ пература обжига вырубленных деталей. Так как за счет огневой усадки детали могут испытывать коробление, сверху они также по­ крываются пластиной, размеры и вес которой должны быть таки­ ми,, чтобы не нарушать целостности вырубленных изделий. Времен­ ный график процесса обжига для лент свинцового феррита приве­ ден на рис. 8. Как следует из приведенной зависимости, операция обжига состоит из двух частей — фазы удаления связки и фазы

Рис. 8. Временной график процесса обжига ферритовой пленки

спекания. Требуется значительное время для выбора оптимального процесса обжига, так как подбор его осуществляется опытным пу­ тем для каждого состава. Для рассматриваемого феррита скорость подъема температуры в фазе удаления составляла 10°/ч и скорость

вфазе спекания 220°/ч; выдержка при температуре обжига 45 ми­ нут. Скорость охлаждения равнялась скорости нагрева; это позво­ ляло предупреждать нарушение целостности изделий в результате возникновения в них термических напряжений. После проведения процесса обжига наблюдалась огневая усадка деталей, доходящая

вряде случаев до 13% по диаметру (ширина, длина)'* и 15% по тол­ щине ленты. Наличие несколько большей усадки по толщине объ­ ясняется преимущественной ориентировкой частиц вдоль направле­

ния прокатки. Плотность изделий после обжига увеличивалась с 3,7 до 5,3 г/см3.

21

Рис. 9. Классификация электровакуумных методов

Электровакуумные методы

Для получения неавтономных слоев различных материалов на: подложках для создания пассивных элементов ГИС наиболее часто используют электровакуумные методы. Классификация применяе­ мых в электронной промышленности электровакуумных методов приведена на рис. 9. Из них мы рассмотрим только наиболее совер­ шенные и сравнительно новые разновидности катодного распыле­ ния, которые позволяют практически получать на любых подлож­ ках тонкие пленки всех материалов, необходимых для производ­ ства пассивных элементов ГИС.

Процесс получения пленок осаждением в тлеющем разряде за­ ключается в том, что напыляемый материал размещается на нити накала и после испарения его частиц до попадания на подложку проходит через область тлеющего разряда, расположенную между источником и подложкой, которая используется как катод. Так как; атохмы испаряемого вещества проходят через тлеющий разряд, то они ускоряются и частично ионизируются, в результате чего резко возрастает адгезия пленки к подложке (например, золото,-которое не сцепляется с подложкой при других способах нанесения). Это может быть объяснено дополнительной очисткой подложки за счет ионной бомбардировки и проникновением с большой энергией ио­ нов распыленного материала в материал подложки.

Принципиальная схема установки для нанесения пленок в-тлею­ щем разряде показана на рис. 10. Нанесение пленки осуществляет­ ся следующим образом.

1.Испаряемое вещество наносится на нить накала.

2.Подложка закрепляется в держателе.

3.Вакуумный колокол откачивается до давления 10-2 мм рт. ст.

4.В откаченный объем впускается инертный газ и зажигается

тлеющий разряд, в котором производится очистка поверхности под­ ложки.

5. Через нить накала пропускается ток, нагревающий ее до тем­ пературы испарения испаряемого вещества, при поддержании тлеющего разряда.

В настоящее время имеется уже несколько методов генерации положительных ионов для распыления материалов в вакууме, но наиболее простым из них является создание тлеющего разряда.

Для получения равномерного слоя по всей толщине и на всей поверхности подложек площадь электродов должна превышать. площадь подложек (однородность покрытия по толщине у подло­ жек диаметром 7,5 см была на 1% выше, чем у подложек диамет­ ром 17,5 см, при диаметре катода 35 см и расстоянии катод—под­

ложка 7,5 см и скорости напыления 100—500 А мин.).

Перед впуском инертного газа необходимо освободить рабочую камеру от адсорбированных ее деталями газов (водяные пары, углеводороды и т. д.).

23.

Адсорбированные газы в процессе напыления пленки под дей­ ствием ионной бомбардировки или нагрева выделяются и будут присутствовать в тлеющем разряде. Избежать этого можно, интен­ сивно охлаждая все элементы, находящиеся в зоне разряда, либо нагревая их до высокой температуры в период откачки.

Давления,' при которых производится напыление, способствуют утечке паров из диффузионных насосов в рабочий объем. Примене­ ние различных экранов малоэффективно, так как пластины экра­ нов разделены зазорами, эквивалентными нескольким длинам сво­ бодного пробега при этих давлениях. Устраняется это применением так называемых «молекулярных» насосов.

Рис. ГО. Принципиальная схема установки для напыления в тлеющем разряде:

1— вакуумная камера; 2 — активная зона разря­ да; 3 —анод; 4—высокочастотная катушка; 5 —ка­ тод; 6 — подложка; 7 — катод

Наиболее очевидным, источником загрязнения является сама подложка, на поверхности которой осаждается пленка. Поэтому вводится дополнительная очистка поверхности подложки непосред­ ственно в рабочей камере перед напылением.

Исследования атмосферы напыления показали, что с момента возникновения разряда ее состав резко изменяется. Происходит уменьшение количества реактивных газов азота, кислорода, водя­ ного пара, что объясняется поглощением их распыляемым матери­ алом при его конденсации на подложке.

' Введение реактивного газа в рабочую камеру для изменения свойств получаемой пленки осуществляется в методе реактивного

24

напыления. Этот процесс позволил получить пленки из материалов, разлагающихся при их испарении в вакууме, в частности из окис­ лов различных металлов. В этом случае в качестве реактивного газа применялся кислород, который также в ряде случаев был ис­ пользован и в качестве среды тлеющего разряда. Однако при по­ лучении окисных пленок обычно применяют смесь относительно малого количества реактивного газа с инертным, так как при высо­ кой концентрации реактивного газа поверхность катода покрывает­

сорбируются очень быстро, процент реактивного газа может умень­ шаться по мере увеличения пропускной способности системы, в то время как общее давление в системе сохраняется постоянным; о б ­

должна уменьшаться для сохранения заданных свойств пленки. Использование нанесения в тлеющем разряде для получения

многокомпонентных пленок имеет ряд существенных преимуществ над вакуумным испарением. Химический состав пленки тот же са­ мый, что и у катода, от которого она осаждалась, даже в том слу­ чае, если его компоненты имеют различные скорости распыления.

Для получения пленок с более совершенной кристаллической структурой необходимо снизить содержание инертного газа в плен­ ке, что может быть достигнуто понижением его давления в системе напыления. При понижении давления улучшается адгезия получае­ мой пленки к подложке за счет того, что энергия напыляемых ато­ мов повышается. Однако с понижением давления темное простран­ ство расширяется и при достижении им плоскости анода разряд гаснет. Поэтому были разработаны специальные методы нанесения пленок при низких давлениях.

Метод создания разряда в рабочей камере при низком давле­ нии— это применение радиочастотного возбуждения без добавле­ ния каких-либо дополнительных электродов в системе. Схема такой системы приведена на рис. 11. В ней использована для радиочас­ тотного возбуждения плазмы высокочастотная катушка 1, окру­ жающая рабочую камеру. Катод 2 и подложка 3 расположены так, что они находятся в активной зоне разряда, анод 4 полностью раз­ мещается в ней. При использовании установки (рис. 10) напряже­ нием смещения на катоде 500 В достигается скорость осаждения

о

пленки 1А в секунду. Этот метод имеет некоторое преимуще­ ство перед предыдущим, так как здесь отсутствуют дополнитель­ ные электроды в системе, что особенно важно при реактивном рас-

25,

■пылении, где остро стоит проблема загрязнения пленки. Сущест­ вуют и другие схемы применения радиочастоты для напыления при низком давлении, отличающиеся тем, что напряжение высокой час­ тота подается непосредственно на катод, находящийся под напря­ жением постоянного тока.

Рис. 11. Схема установки высокочастотного распыления

Помимо того, что радиочастотные методы позволяют проводить осаждение пленки при низких давлениях, они могут использовать­ ся при нормальных давлениях, что резко повышает скорость осаж­ дения и дает более равномерное распределение получаемой пленки по всей поверхности подложки. Кроме того, при этих методах мож­ но получать более прочную адгезию пленки к подложке, что объ­ ясняется следующим образом: для обеспечения хорошей адгезии пленка должна располагаться как можно ближе к подложке (без промежуточного загрязняющего слоя). Радиочастотные обладают тем преимуществом перед термическим напылением в вакууме, что осаждаемые атомы в этом случае имеют большую энергию и таким образом могут проникать в материал подложки и выбивать неболь­ шие количества загрязнений с ее поверхности. В результате на гра­ нице раздела подложка-пленка образуется переходный слой, со­ стоящий из твердых растворов материалов пленки и подложки.

Радиовысокочастотные методы имеют и то преимущество, что -они позволяют получать пленки из материалов, обладающих ди­

26

электрическими свойствами, в то время как другие методы для этой дели непригодны. Причина заключается в том, что заряд, воз­ никающий на катоде под действием ионной бомбардировки, нельзя нейтрализовать и поле будет концентрировать в теле катода. В этом случае энергия ионов будет недостаточной, для того чтобы вызвать значительное распыление катода. В случае радиочастотного напы­ ления распыление катода происходит под действием ионной и элек­ тронной бомбардировок. Катод крепится на проводящем держате­ ле, к которому подводится высокочастотное напряжение, что позво­ ляет нейтрализовать положительный заряд на катоде во время по­ ловины цикла, когда, катод заряжен положительно.

Давление газа-распылителя, ВЧ—мощность и температура под­ ложки могут влиять на свойства пленки, поскольку они изменяют число атомов газа, входящих в пленку во время ее образования. Как показали эксперименты, применение аргона в качестве газараспылителя в случае ферритов нецелесообразно, хотя аргон хими­ чески инертен и имеет высокую частоту и скорость распыления в инертных газах прямо пропорциональна их атомному весу. Фер­ ритовые пленки, полученные напылением в аргоне при температуре подложки намного ниже 550° С, не давали отражений при исследо­ вании их структуры рентгеновскими методами, что свидетельство­ вало об их аморфности. Повышение температуры подложки до 600°С позволило получить ферритовые пленки с кристаллической структурой. Однако определение катионной концентрации (рентге­ новскими методами) показало, что состав получаемых пленок от­ личается от состава мишени (N i: Fe : 0= 0,36 : 0,64 : 20,0). Наблю­ дается сильное уменьшение концентрации цинка с увеличением температуры подложки. Выше 600° С количество цинка в пленке падает до нуля. Рентгеновские спектры помимо пиков, соответст­ вующих шпинельной структуре, также показывают пики, характер­ ные для свободных металлов. Это свидетельствует о том, что в пленках не хватает кислорода. Поскольку давление паров цинка очень высоко ПО тор при 600°С), это объясняет уменьшение цин­ ка в пленках.

Реактивные газы ведут себя по-другому. В них значительно большая энергия требуется для поддержания разряда, а ионы, бомбардирующие мишень, имеют энергию меньшую, чем в инерт­ ном газе. В результате скорость напыления в кислороде в 2 раза ниже, чем в аргоне.

Скорость напыления не зависит от давления газа распылителя. В диапазоне давлений от 2хЮ~3 до 15Х10-3 мм рт. ст. скорость практически постоянна,а при дальнейшем росте давления — резко падает. Постоянство скорости напыления в указанном диапазоне объясняется тем, что здесь приблизительно компенсируются повы­ шение плотности ионного тока и уменьшение средней длины сво­ бодного пробега с ростом давления. Поэтому в качестве газа-рас­ пылителя применяют смесь аргона с кислородом.

27

Химические методы получения пленок

Данная группа методов получения пленок основана на разло­ жении сложных химических соединений. Указанные химические соединения могут относиться к различным классам: солям, метал­ лоорганическим соединениям и т. д. Любой из химических методов получения пленок состоит из трех основных этапов:

1. Приготовление раствора разлагаемых соединений с концен­ трацией, необходимой для обеспечения получения ферритовой пленки с требуемым катионным составом.

2.Транспортировка полученного раствора к подложке и разло­ жение соединений с образованием пленки.

3.Проведение термообработки полученных пленок с целью упо­ рядочения их кристаллической структуры и улучшения магнитных свойств.

Химические методы в отличие от ранее рассмотренных являют­ ся наиболее быстрыми, для их осуществления применяется более

простое оборудование и вследствие этого они экономичнее. Однако эти методы имеют и существенные недостатки. Их сложно и труд­ но контролировать; в случае отклонения от условий равновесия возникают различные побочные реакции, что затрудняет воспроиз­ водство свойств пленки; в ряде случаев требуют устойчивости подложки к высоким температурам и различным растворителям.

Все это привело к тому, что химические методы применяют только в том случае, когда требуемую пленку не удается получить другими методами.

Получение пленок осуществлялось на установке, представляю­ щей собой трубчатый кварцевый реактор длиной 675 мм и диамет­ ром 75 мм с расположенным на его наружной поверхности элек­ тронагревателем. В реакторе создается разряжение и в него при помощи струи аргона вводится водный раствор хлоридов требуе­ мой концентрации. Подложки из жаропрочной керамики помеща­ лись в горячую зону реактора, где и нагревались до 800° С. Обычно подача растворов осуществлялась импульсами. Их длительность и интервал между ними определялся параметрами установки к ско­ ростью реакции разложения. Примером реакции разложения, про­ текающей на подложке, может служить реакция образования оки­ си железа:

2FeCl2 + 3H20 — Fe2Oe + 6HCl 1 .

Образовавшиеся окислы взаимодействуют между собой, обра­ зуя ферритовую пленку:

0,4 № 0 + 0,573 ZnO + 0,027 СО + Fe20 3 Nio,4Zn0,573COo,o27Fe04.

Изменяя начальную концентрацию раствора хлорида, темпера­ туру подложки, градиент температур в реакторе и длительность протекания реакции, можно регулировать состав и структуру пленок.

28