Способ увеличения адгезии тонких металлических пленок к подложкам Советский патент 1991 года по МПК H01L21/263 

Изобретение относится к технологии изготовления элементов твердотельных (электронных, акустоэлектронных, бптоэлектронных) приборов, а также зеркал.

Одним из широко применяемых при изготовлении электронных приборов . способов нанесения металлических тон копленочных покрытий на подложки из различных материалов является термическое напыление вещества в вакууме.

Весьма существенным параметром полученных покрытий является величина адгезии пленок к подложкам, характеризукнцая прочность сцепления пленки с подложкой. Низкая прочitocTb сцепления (низкая адгезия) ведет к выходу из строя изготовленных приборов. Пленки металлов, особенно такого благородного металла как золота, напыленные в широко применяемых в промышленности стандартных вакуумных установках, откачиваемых диффузионными паромасленными насосами до вакуума 10 ммрт.ст., ха;орактеризуются, как правило, низкой

со адгезией к подложкам. Бывает доста О) точно провести по пленке ватным тампосдном, чтобы снять пленку с подложки.

Известен способ получения высокой адгезии, заключающийся в том, что напыление ведут в очень чистых условиях в сверхвысоком вакууме (при давлениях остаточных газов 10 мм рт.ст.).

При этом поверхности подпожек, на которые напыляют тонкие металлические пленки, подвергают перед напылением тщательной очистке, состоящей из двух этапов: 1) предварительной очистки в атмосфере с помощью органичес ких растворителей у травителей, деиок зованной воды; 2) очистки в сверхвысоком вакууме путем высокотемператур кого термического отжига (до ) или ионного травления. Такой путь получения высокой адгезии, связанный с использованием сверхвысоковакуумной аппаратуры совместно с «итаратурой для контроля степей очистки поверхности (например f ожеспектрометром), дорогосто ящ сложен, длителен, не всегда совместим с другими технологическими операцшши при производстве элект ронного прибора или со свойствами ма териалов пленки и подложки (могут потребоваться температуры отжига, превышающие точки плавления или химического разложения материала подло ки: ионная бомбардировка может недопустимо изменить электрофизические характеристики полупроводниковой подложки). Очистка ионным травлением или тер мообработкой в вакууме 1( мм рт.ст, может быть неэффектив на из-за того, что поверхность после очистки сразу же загрязняется (при вакууме 10 мм рт.,ст. за 1 с на поверхность выс.аживается монослой чуже родных атомов). В связи с этим представляют значительный интерес способы повьопения адгезии термически напыленных пленок к подложкам путем физического воздействия на них во время или после их нанесения в обычно применяемом в производстве вакууме (10 10 мм рт.ст.). Известен способ увеличения адгезии тонких металлических пленок пу. тем их термообработки уже после напы ления. Способ этот пригоден только для некоторых пар пленка-подложка. При термообработке наряду с увеличением адгезии (когда это имеет место) необратимо изменяются структурные свой ства пленоку их химический состав на границе с подложкой, электрофизические и оптические свойства пленок и подложек. В ряде практических случае такие изменения нежелательны или вообще недопустимы. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ увеличения адгезии тонких металлических плёнок к подложкам, включакяций их обработку после напыления в вакууме корпускулярным облучением. В этом способе адгезию пленки к подложке повьщают после ее нанесения путем облучения пленки металла пучком ионов различных химических элементов с энергией порядка 10 кэВ. Облучение пучком ионов приводит к нежелательному введению структурш 1х и электрических дефектов в пленку, а также к внедрению в пленку бомбардирукицих ионов. Ионная бомбардировка частично стравливает обрабатываемую плёнку. Кроме того, ионная пушка является сложным и дорогим устройством. Цель изобретения - уменьшение воздействия нл физические и химические свойства пленки и подложки при одновременном упрощении -и удешевлении оборудования. Это достигается тем, что в способе увеличения адгезии тонких металлических пленок к подпожкам, включающем их облучение после напыления в вакууме корпускулярным излучением, пленки облучают пучком электронов с энергией меньшей 50 кэВ но достаточной для проникновения электронов сквозь пленку до границы раздела пленка-подложка, при дозах поглощенных электронов от 5-10 до 5, К/см. При облучении электроны указанных энергий вместе с порожденными ими вторичными электронами проникают сквозь пленку в подложку, воздействуя на границу пленка-подложка. Воздействие электронов, позидимому, сводится к химической активации поверхности раздела пленкаподложка, загрязненной соединениями углерода, которые под воздействием электронов распадаются, и к появлению сил химической связи между атомами пленки, подложки и разрушенного промежуточного слоя. Эффект увеличения адгезии наблюдается во всем указанном интервале .энергий,, причем, как показывает эксперимент, для электронов меньших энергий эффект больше, необходимо только, чтобы энергия первичного пучка была достаточна для его прохождения сквозь пленку до границы раздела. Поэтому энергию электронного пучка следует выбирать как можно мень шей, исходя из толщины пленки и ее удельной плотности, пользуясь данными о максимальной глубине проникнове ния электронов разных энергий в вещество. При изготовлении металлических тонкоплёночных покрытий на подложках для конкретных устройств необходимо учитывать, что под воздействием достаточно мощного электронного пучка может происходить и разогрев объекта пленка-подлоткка до температур, при которьк в приборе происходят необрат мые изменения, ухудшакпще его параметры. Поэтому в каждом конкретнее случае плотность тока пучка электронов, облучающего пленку на подложке при задранной энергии электронов, сле дует выбирать так, чтобы не происходил недопустимый разогрев объекта. При дозах облучения, меньше 51СГ К/см. не наблюдается эффект увеличения адгезии пленок К подложкам, но доза облучения не должна превышать 5-Ю К/см, ибо дальнейшее ее увеличение на эффект увеличения адгезии не влияет. При этом расту непроизводительные затраты времени и средств на обработку. Для многих пар пленка-подложка вполне 71(опустимая плотность тока при облучении площадей с характерным размером мм составляет при энергиях электронов -20 кэВ. Исходя из экспериментально найден ной дозы облучения 5 /см, требуемой дяя получения необхо димого эффекта, и из максимально допустимой Ш10ТНОСТИ тока, выбирается время облучения. Примеры реализации способа. Б каждом примере нанесение тонкой металлической пленки на подложку осуществляется термическим распыленией металла в стандартной вакуумной установке с паромасляньв4 диффузионным насосом при давлении в камере л-10 мм рт.ст. В качестве материалов подложек и пленок выбираются широко используемые в. промышленном производстве: кремний, кйарц (кристаллический и аморфшлй), ниобат лития, никель, алюминий, золото - для подложек, золото, алюминий, олово, никель для пленок. Подложки из оптически полированного кремния перед их загрузкой в вакуумную камеру очищаются кипячением в течение 10 мин в четыреххлорисfoM углероде, а затем травятся в плавиковой кислоте для удаления слоя окисла с поверхности. После этого они промьтаются при комнатной температуре в бидистшшированной и деионизованной воде. Подложки из ннобата лития, кварца, металлов хфомьшаются кипячением в четыреххлористом углероде. Пример 1. Плёнку золота толщиной 40 нм напыляют на кремний (материал наиболее широко применяемый д твердотельной электронике) марки КЭФ 0,3, а затем различные ее участки размером 200x200 мкм облучаются пучком электронов с энергией 25 кзВ до различных доз в диапазоне от tO К/см. Диаметр электронного пучка равен 2 мкм. Облучение участков размером 200x200 мкм ведется в режиме строчного сканирования. Ток пучка равен 210 А. Разогрев кремниевой подложки в месте падения пучка по расчету не превышает tK. Изменение адгезии, связанное с электронньм облучением, измеряется Ш1ФОКО известным методом царапания иглой. В измерениях применяется стальная радиусом острия «30 мкм. Результаты измерений показывают, что резкое повышение адгезиив а 800 раз наступает при дозах облучения $. 5 . П р и м ер 2. Пленка золота толщиной 40 нм напыляется на кремний марки КЭФ 0,3, а затем различные ее участки облучаются до дозы. 0,2 К/см пучком электронов с различиымк энергиями от ЗООВ до 50 кэВ. При энергиях электронов, лежапщх в диапазоне от ЗООВ до 2 кэВ, облучение ведется широким пучком диаметром 3 мм при плотности тока лЮГ А/см. При энергиях от 5 кэВ до 50 кэВ участок пленки облучается в режиме сканирования пучком электронов диаметром л-2 мкм при токе 2КГ А. Нагрев системы пленкаподложка в месте облучения не превышает 1К. Результаты измерений показывают, что в оптимальных режимах в области 5-15 кэВ достигнзгто увеличение адгезии -600 раз. Повышенная адгезия сохраняется на том же уровне и спустя 3 недели после облучения. Примерз. Пленка золота толщиной ю на ниобате лития (ма

СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ АДШЗИИ ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК К ПОДЛОЖКАМ, включающий их облучение после напыления в вакууме корпускулярным излучением ,.о тличающийся тем, что, с целью уменьшения воздействия на физические и химические свойства пленки и подложки, при одновременном упрощении и удешевлении оборудования, пленки облучают пучком электронов с энергией, меньшей 50 кэВ но достаточной для проникновения злектронов сквозь пленку до границы раздела пленка-подложка, при дозах поглощенных электронов от 510 до 5-10- К/см.