книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Одновременно с повышением температуры подложки, увеличивается вероятность упругого отражения атомов кон­ денсируемого вещества. Положительная роль повышенной температуры при осаждении пленок состоит в том, что кон­ денсируемые частицы приобретают дополнительную тепло­ вую энергию, которая позволяет им занять наиболее равно­ весное состояние, т.е. пленки становятся более стабильными в эксплуатации. От угла падения - осаждения потока па­ ра частиц на поверхность платы - непосредственно зависят кристаллическая структура пленки и ее свойства: электри­ ческие, адгезия, способность к химическому травлению, спо­ собность к пайке и др. Дополнительная термическая обра­ ботка осажденной пленки представляет собой процесс тепло­ вого воздействия, который направлен на упорядочение струк­ туры пленки, улучшение свойств и повышение стабильности. Температура термической обработки определяется материа­ лом осажденной пленки и составом атмосферы, в которой ее производят. В процессе термической обработки возможно про­ текание двух процессов, обусловливающих изменение состава и структуры осажденных пленок: упорядочение структуры - “отжиг” дефектов - и агломерация вещества. Протекание первого процесса положительно влияет на изменение электро­ физических свойств пленок; второй процесс ухудшает их свой­ ства.

Толщина пленок является основным - доминирующим - фактором определяющим их свойства. При термическом ис­ парении создается пространственная неоднородность потока пара, в результате на неподвижно расположенных подложках осаждается пленка неравномерной толщины.

В промышленном производстве ГИС СВЧ используют ва­ куумные установки, которые позволяют получить металличе­ ские пленки до 10 мкм и равномерной толщины на большом числе (до 100 ш т.) подложек. Для этого используют несколько тиглей-испарителей, придавая подложкам вращательное дви­ жение относительно тиглей (рис. 2.1).

а

Рис. 2.1. Схема расположения испарителей и подложек (а) и относительное распределе­ ние толщины слоя (б) в направлении движе­ ния подложек:

I - при неподвижном расположении подложек; I I - при движении; 1 - испаритель; &- экраны; 3 - под­ ложки; A D - зона осаждения

Формирование толщины пленки на поверхности подложек в этом случае происходит в двух направлениях: в направле­ нии их движения (см. рис. 2.1 , а) и в направлении, совпа­ дающем с осью вращения подложек (рис. 2.2, а). При таком взаимном расположении тиглей и подложек и их относитель­ ном перемещении характер распределения толщины осажден­ ной пленки на поверхности подложки различен (см. рис. 2.1 , б и 2.2, б). Поскольку каждая точка подложек в направлении движения последовательно проходит положение вдоль дуги AD , суммарная толщина осажденной пленки будет одинако­ вой (см. рис. 2.1, б прямая II). Толщина пленки на подлож­ ках параллельно оси вращения различается на 1 2 ... 15 % (см. рис. 2.2, б).

Рис. 2.2. Схема расположения испарителей и подложек (а) и относительное распределе­ ние толщины слоя в зоне осаждения (б) в на­ правлении, параллельном оси вращения ба­ рабана:

1 - испаритель; 2 - экраны; 3 - подложки; А В -

зона осаждения

Улучшить равномерность осаждаемого слоя позволяет планетарное движение подложек относительно испарителя. Используя планетарное движение добиваются также равно­ мерного осаждения пленок на рельефные поверхности пленоч­ ной структуры, т.е. вертикальные кромки проводников, сту­ пеньки диэлектрических пленок и др.

Схема осаждения при планетарном движении подложек приведена на рис. 2.3.

Представим плотность распределения потока пара от ис­

где 7 - плотность пара у поверхности испарения; в - угол между нормалью к плоскости испарения и направлением ис-

вз

Рис. 2.3. Схема планетарного устройства для оса­

ждения тонких пленок:

J - источник испарения; Р - точкаконденсации; R - рассто­ яние от источника J до точки P ; 1 - подложка

паряемого потока пара; Ф - угол между нормалью к поверх­ ности подложки и направлением осаждаемого потока пара; R - расстояние от источника испарения до точки Р на под­ ложке, т.е.

R= JP .

Вслучае испарения электронным лучом выражение (2Л) цожно приближенно представить в виде

где п = 2.

где v j - скорость испарения в точке x j , y j .

Перенесем координаты источника испарения J ( x j, у j) в координатную систему точки Р подложки, что в дальнейшем позволит определить направление падающего потока пара от­ носительно подложки для любого угла поворота устройства Ф а и планетарного угла Фд.

Порядок преобразований координат источника испарения

иподложки следующий.

1.Перенос в точку Z0.

2.Вращение под углом Ф^ вокруг оси z.

3.Вращение под углом ва вокруг оси у.

4.Перенос в точку Q.

5.Вращение под углом Фд вокруг оси z.

6.Вращение под углом OR + 7Г вокруг оси у.

7.Перенос в точку W

8.Вращение под углом Фд вокруг оси z.

9.Перенос в точку Р .

Серия преобразований состоит в трехэтапном преобразо­ вании “перемещение - вращение” под углами Ф и в .

Проведем серию преобразований в указанной последова­ тельности:

преобразования; 0 = О, Ф = Ф£?, z = - y /D 2 —С2/4 - для 7-го и 8-го преобразований; х1 = х —Е, у* = у, z1 = z - для 9-го преобразования.

Распределение интенсивности осаждения voc(0, Ф) будет получено за счет планетарного вращения при угловом при­ ращении ДФа на угол ДФ2 = пДФл (где п - коэффициент углового перемещения).

Используя планетарные системы, можно добиться равно­ мерности осаждения пленок в пределах ±1 %.

При термическом испарении “зеркало” расплавленного металла обычно невелико ( 1 ...5 см^). В отличие от этого способа при ионном распылении мишень может иметь значи­ тельные размеры, например 120x250 мм, что позволяет обес­ печить большую равномерность осажденного слоя.

Распределение распыленного материала по поверхности подложки также зависит от следующих параметров:

-соотношения размеров подложки и мишени, их взаим­ ного расположения и относительного перемещения;

-степени однородности распыления мишени;

-степени рассеяния распыленных частиц;

-параметров плазмы и др.

а

Рис. 2.4. Схема расположения мишени и подложек (а) и рас1 пределение профиля осажденной пленки при магнетронном распылении: при неподвижном расположении (б); при вра­ щении барабана (в):

1 - мишень; 2 - подложки; 3 - вращающийся барабан; 4 ~ линии изотолщннности; d - расстояние между мишью и подложкой 3 0 ... 40 мм

При указанных на рис. 2.4 геометрических соотношениях мишени и подложки и оптимальных параметрах распыления неравномерность толщины проводникового слоя по поверхно­ сти подложек не превышает 5 %.

2.2. Влияние технологических параметров осаждения на свойства металлических пленок

имногослойных проводниковых структур

Кпроводникам ГИС и ИС СВЧ предъявляется ряд жест­ ких требований: малое удельное электросопротивление (не более 2 • 10_6 Ом-см), высокая адгезия к подложке (усилие отрыва пленки не менее 5 Н/мм2), способность к локально­ му химическому травлению, близость ТКЛР пленки к ТКЛР подложки, коррозионная стойкость, возможность микропайки

имикросварки. Чтобы удовлетворить эти требования, прихо­ дится обычно проводник реализовывать в виде многослойной структуры, состоящей из основного - проводящего, а также адгезионного, барьерного и защитного слоев (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Структура многослой­ ного тонкопленочного проводни­ ка:

Î - плата; 2 - адгезионный слой; 3 - основной слой; 4 ~ барьерный слой; 5 - защитный слой

В качестве многослойных пленочных структур в ГИС СВЧ применяются Сг - Au, Ti - Au, Сг - Си - Au, Ti - Си - Ni - Au и др., а в полупроводниковых ИС СВЧ - Ti - Pd - Au, W - Au, Mo - Au, Ti - W - Au и др.

П р о во д ящ и е пленки . Среди материалов, используе­ мых в качестве основного слоя проводников, наибольшее при­ менение имеют: для ГИС СВЧ - медь, золото, а для полупро­ водниковых ИС СВЧ - алюминий, золото, палладий.

Медные пленки характеризуются электросопротивлени­ ем, размером зерен, микротвердостью, а также способностью к окислению (за счет хемосорбции кислорода), которые сильно зависят от технологических параметров их осаждения - ско­ рости, температуры конденсации. Из анализа приведенных на рис. 2.6 данных видно, что микротвердость медных пленок

Рис. 2.6. Зависимость микротвердости 1ГМи среднего размера зерна L медных пленок от температуры подложки ta длж различных

скоростей осаждения:

1, 4 - 40 нм/с; 2, 5 - 7 нм/с

зависит как от скорости конденсации, так и от температу­ ры подложки, при этом микротвердость осажденных пленок выше микротвердости “массивной” отожженои меди, равной 1 4 0 ... 160 Па. При температуре конденсации 170 .. .200 °С и высокой скорости (40 нм/с) происходит аномальное увеличе­ ние микротвердости; это явление можно объяснить особенно­ стью протекания процесса конденсации при этой температуре, т.е. переходов пар - жидкость - кристалл и пар - кристалл и образованием гетерогенных конденсатов.

Значительные превращения происходят при температу­ ре конденсации 170.. .200°С и вызывают рост размера зерна (табл. 2.1).

По размеру зерна и микротвердости медных пленок мож­ но судить о характере и величине внутренних напряжений.

Т а б л и ц а 2.1. Зависимость размера зерна и микронеровностей пленок меди от температуры конденсации

При разработке технологического процесса необходимо, чтобы выбранные параметры осаждения обеспечили мини­ мальные внутренние напряжения.

На величину микротвердости и структуру медных пле­ нок существенное влияние оказывают также условия дополни­ тельной термической обработки (рис. 2.7). Температура тер­ мообработки в интервале 170.. .200° С не является достаточ­ но эффективной. Медные пленки, прошедшие термообработку в вакууме при температуре 350. ..400°С, имеют микротвер­ дость отожженной меди, а также структуру с размером зерна 0 ,5 .. .0,6м км .

Рис. 2.7. Зависимость микротвердос­ ти Нц медных пленок от времени г изо­

термического отжига в вакууме:

170 {!) и 250 (2) °С

Приведенные данные относятся к конденсации медных пленок непосредственно на поверхность ситалловой подложки. Обычно при формировании проводников в качестве адгезион­ ного подслоя используют хром нихром или титан. Следует отметить, что при наличии подслоя скорость роста размеров зерен медных пленок замедляется.

При увеличении скорости осаждения происходит умень­ шение размера зерна, формирование более плотной структуры пленок меди, что в свою очередь приводит к уменьшению по­ терь мощности (рис. 2.8). Осажденные медные пленки, выне­ сенные на воздух, поглощают кислород и окисляются, образуя на поверхности слоя оксид меди (С112О), что приводит к изме­ нению электросопротивления. Изменение электросопротивле­ ния медных пленок непосредственно связано с ростом пленки СигО на ее поверхности и увеличивается при повышении тем­ пературы окружающей среды (рис. 2.9).

а,д51см

0,06 г

ОМ -

Рис. 2.8. Зависимость потерь мощности а в ми-

крополосковой линии из меди от скорости оса­ ждения «ос

Взаимосвязь физических превращений в материалах с из­ менением температуры и времени определяется законом Арре­ ниуса. Экстраполируя зависимость, приведенную на рис. 2.10, видим, что при температуре воздуха 50 °С время, за которое пленка меди окислится на 1/2 своей толщины и потеряет 50 % проводимости, превышает несколько десятков лет.