Теоретические сведения. 
Электрофизические свойства пленок металлов, полученных резистивным испарением

Резистивное испарение

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 — низкая стоимость оборудования, безопасность в работе (низкое напряжение на зажимах) и малые габаритные размеры, а также возможность нанесения покрытий из металлов, диэлектриков, полупроводников, возможность осаждения покрытий с высокой скоростью и её регулирования в широких пределах. Факторами, ограничивающими применение испарителей с резистивным нагревом, являются возможность загрязнения наносимой пленки материалом нагревателя, трудность, а в ряде случаев невозможность получения покрытий из тугоплавких металлов, высокая инерционность процесса испарения, невысокая адгезия и сплошность осаждаемых покрытий, а также малый ресурс работы из-за старения (разрушения) нагревателя, что требует его периодической (иногда довольно частой) замены. Нагрев и испарение вещества, как уже отмечалось, осуществляются с помощью испарителей. 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 легко испаряемые сплавы, так как это приводит к загрязнению наносимых пленок и разрушению испарителей. Для изготовления испарителей промышленных установок используют тугоплавкие металлы (вольфрам, тантал, молибден). Резистивные испарители в зависимости от их конструкции разделяют на проволочные, ленточные и тигельные. Проволочные испарители характеризуются простотой конструкции и технологии изготовления. В качестве материала испарителя, как правило, используются тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, тантал и др. Форма испарителя может быть различной. Проволочные испарители имеют следующие основные недостатки: не позволяют испарять порошки; атомы испаряемого вещества распространяются по всем направлениям, что обусловливает низкий коэффициент полезного использования испаряемого материала. Ленточные испарители изготавливают из тонких пластин, лент тугоплавких металлов. Они имеют на поверхности специальные углубления, в которые помещается испаряемое вещество, просты по своей конструкции и испаряют атомы металла в широком телесном угле. Вместе с тем они менее экономичны по сравнению с проволочными испарителями. Тигельный испаритель представляет собой ванночку, в которую помещают металл. Тигель может быть изготовлен из материала, который не проводит электрический ток. В этом случае для достижения необходимой температуры испарения используют отдельный нагревательный элемент. В качестве материала тигля применяют BeO (Тпл? 1800 °C), графит, Al2O3, W, Mo, Ta и другие тугоплавкие материалы. С помощью тигельных испарителей можно наносить толстые покрытия без применения специальных систем подачи испаряемого материала в зону испарения. В настоящее время разработано большое число конструкций испарителей подобного типа. Основной недостаток их в том, что газовые потоки вынуждены проходить сквозь объем расплавленного металла, так как температура наиболее высокая у стенок тигля. В результате при высоких температурах испарения (скорости испарения) в газовых потоках содержится капельная фаза. При осаждении капель металла на поверхность подложки резко снижаются физико-механические свойства покрытий. Устранить этот недостаток позволяет индукционный нагрев испаряемого материала (или материала тигля) токами высокой частоты. Нагрев осуществляется под действием электромагнитного поля индуктора, спираль которого, конструктивно выполненная в виде металлического трубопровода, охлаждается проточной водой. При плавлении масса металла под действием сил электромагнитного поля, создаваемого катушкой, поднимается таким образом, что поверхность соприкосновения нагретого до высокой температуры металла с тиглем оказывается минимальной. В результате происходит ослабление химических реакций между испаряемым металлом и тиглем. индукционного нагрева заключаются в отсутствии контакта с испарителем, что предотвращает разрушение испарителя при эксплуатации. К недостаткам метода следует отнести высокую стоимость оборудования и низкий электрический КПД (что обусловливает необходимость применения преобразователей частоты), а также невозможность непосредственного испарения диэлектриков (для этого приходится применять промежуточные нагреватели) и невозможность в практических условиях изменять частоту генератора, что приводит к необходимости использования специальных индукторов для испарения различных материалов. Кроме того, данный метод нанесения покрытий не обеспечивает высокую адгезию покрытия. Определенные трудности имеет процесс получения покрытий из сплавов и соединений сложного состава. Покрытия из сплавов можно наносить двумя основными способами: путем нагрева и испарения сплава, и нанесением покрытия путем испарения компонентов из отдельных испарителей. В ряде технологических решений при испарении сплавов с целью обеспечения сохранения стехиометрического состава покрытия и достижения более высоких физико-механических показателей применяют методы взрывного испарения (тепловой вспышки). В этом случае температуру испарителя устанавливают значительно выше температуры начала испарения вещества. При высокой температуре испарения образуются потоки высокой плотности, характеризующиеся высокой степенью ионизации. Такие испарители имеют систему дискретной либо непрерывной подачи вещества в зону испарения. К достоинствам метода осаждения тонких пленок термическим испарением относятся: высокая чистота осаждаемого материала (процесс проводится при высоком и сверхвысоком вакууме), универсальность процесса (наносят пленки металлов, сплавов, полупроводников, диэлектриков) и относительная простота его реализации. Ограничениями метода являются нерегулируемая скорость осаждения, а также низкая, непостоянная и нерегулируемая энергия осаждаемых частиц.

Существует несколько разновидностей термического напыления тонких пленок. Выбор того или иного способа зависит от поставленной задачи и материала мишени. К основным методам термического напыления можно отнести обычный резистивный нагрев испарителя и лучевые методы: лазерный и электроннолучевой. Резистивный метод основан на использовании джоулевого тепла при пропускании тока через нагреватель. Лучевые методы используют энергию квантов света и энергию ускоренных электронов. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки. Во всех случаях вещество мишени в результате фазовых превращений переходит из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное. Правда, имеется ряд веществ, которые могут сублимировать прямо из твердого состояния (цинк, кадмий, магний). Испарившиеся частицы мишени в условиях высокого вакуума не испытывают столкновений и оседают на подложку, которая обычно прогревается. Имея достаточную тепловую энергию частицы мишени, могут или реиспариться, или адсорбироваться на подложку, передавая ей часть своей энергии. В результате диффузионных процессов частицы могут мигрировать по поверхности подложки. Встретив на своем пути другую частицу, они могут объединиться, образуя постепенно группу, которая может стать центром кристаллизации или кластера. На начальном этапе формирования конденсата отдельные группы отдалены друг от друга. Таким образом, получается островковая структура, которая в дальнейшем трансформируется в сплошное покрытие по мере поступления конденсата. Структура покрытия на начальном этапе существенно зависит как от физических и механических свойств подложки, так и от ее температуры. Высокая температура подложки способствует миграционным процессам, т. е. увеличивается время диффузионного перемещения частиц, а значит, растет вероятность формирования более крупных образований (зерен и кластеров). В этом случае островковая структура может сохраняться достаточно долго, а вновь поступающие частицы идут на достройку зерен. На холодных и неориентированных подложках, например, аморфных, миграционные процессы менее выражены и островковая стадия заканчивается значительно раньше. При этом размер зерен меньше и пленка становится сплошной раньше, однако, в этом случае не следует ожидать от нее кристаллического строения. Более подробное описание механизма формирования тонкой пленки на различных подложках будет приведено позже.

Система вакуумного резистивного напыления включает необходимые элементы: вакуумное оборудование, испаритель, подложкодержатель, нагреватели, источники питания, контрольно-измерительные приборы и др. Испаряемое вещество-мишень размещается на испарителе в виде токопроводящих лент, лодочек, спирали, нити или тугоплавких тиглей, косвенного нагрева. Проводящие испарители изготовляются из тугоплавких металлов: молибден и вольфрам. Пока испаритель выводится в рабочий режим, подложка экранируется поворотной заслонкой. Температура подложки играет существенную роль при формировании покрытия и ее чистоты. Осаждение паров вещества на подложку с низкой температурой выше, чем на горячую подложку. Однако, время формирования структуры пленки снижается в виду низкой энергии миграции и диффузии адатомов. С другой стороны, скорость напыления на горячую подложку уменьшается в результате процессов реиспарения. Современные безмасляные вакуумные установки позволяют производить напыление при разряжении остаточных газов вплоть до 10−11 мм.рт.ст. Процесс термического резистивного напыления зависит от многих факторов: степени и чистоты вакуума, строения, чистоты и температуры подложки, химических свойств испарителя и мишени. При температуре испарения мишени, нагреватель не должен сам заметно испарятся, и вступать в химическое взаимодействие с веществом мишени. Проблему нарушения стехиометрии тонкопленочного покрытия в методе резистивного испарения можно частично решить, используя разновидности этого метода. Так в режиме реактивного испарения, когда компоненты бинарного соединения имеют значительные расхождения давлений паров при одинаковой температуре, в вакуумную камеру вводят реактивный газ (кислород, азот, хлор и др.). Молекулы газа компенсируют дефицит данных элементов в бинарном соединении на подложке и тем самым способствуют формированию стехиометрических покрытий. Такую же задачу решают методы дискретного взрывного испарения и испарения с двух и более резистивных нагревателей. В методе дискретного испарения на перегретый испаритель сбрасываются небольшие порции вещества мишени. Происходит почти мгновенное испарение, при котором бинарное соединение не успевает диссоциировать и оседает на подложку. Однако, в виду высоких тепловых энергий из испарителя могут лететь не только атомы и молекулы, но и крупные частицы, ухудшающие характеристику конденсата. Напыление из двух источников уменьшает риск загрязнения подложки продуктами химического взаимодействия вещества мишени и нагревательного элемента, т.к. компоненты химического соединения мишени испаряются отдельно. Но в этом случае требуется предварительная отработка температурных и временных режимов. Следует отметить, что метод резистивного вакуумного напыления стал развиваться раньше других вариантов и, может быть, по этой причине разработан глубже и надежнее других методов вакуумного напыления. В настоящее время этот метод является основным в производстве элементов приборов электроники и микроэлектроники.

К достоинствам данного метода напыления тонких пленок можно отнести:

• — относительная техническая простота;
• — технологичность;
• — высокий и относительно чистый вакуум, априори, не загрязняет подложку и конденсат;
• — возможны сочетания с другими способами напыления;
• — непосредственный технический контроль и регулирование параметров самого процесса напыления и конечного продукта обеспечивают воспроизводимость серийного продукта.

К недостаткам самого метода в чистом виде без привлечения других средств можно отнести:

• — возможность загрязнения покрытий частицами испарителя;
• — трудно испарять тугоплавкие вещества;
• — возможно селективное испарение сложных по химическому составу веществ;
• — требуется относительно длительное время для подготовки самого процесса вакуумного напыления.