Способ увеличения адгезии тонких металлических пленок к подложкам

Способ увеличения адгезии тонких металлических пленок к подложкам

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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.

СОЮЗ СОВКТСНИХ

ОВ

РЕСПУБЛИН (1c9 (111

А1 (Sl)S Н 01 1 2-1/26

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ю\

° ° эа

МФ

ГОСУДМРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

fl0 ИЭОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ CCCP

1 (21) 3249525/25 (22) 25.02.81 ((46) 30.05.91. Бюл. P 20 (71) Институт радиотехники и электроники АН СССР. (72) А.Б.Ормонт и Н.П.Кухта (53) 621.382.002(088.8) (56) Chapman В.Н., Thin Film

Adhesion", Journal Vacuum Scien and

Technology", 1974, v.11, Ф 1, 106.

Зимон А.Д. Адгезия тонких пленок.

И.: Химия, 1977, с.8.

Патент Великобритании 0 1333106, кл. Н1К, опублик. 1975.

Изобретение относится к технологии изготовления элементов твердотельных (электронных, акустоэлектронных, оптоэлектронных) 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, характеризующая прочность сцепления пленки с подложкой. Низкая прочность сцепления (ниэкая адгезия) ведет к выходу из строя изготовленных приборов. Пленки металлов, особенно такого благо2 (54) (57) СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ АДГЕЗИИ

ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК К ПОДЛОЖКАМ, включающий их облучение после напыления в вакууме корпускулярным излучением,отличающийся 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 электронов сквозь пленку до границы раздела пленка-подложка, при дозах поглощенных электронов от 5 ° 10 до 5 10 К/см . родного металла как золота, каныленные в широко применяемых в промьппленности стандартных вакуумных установках, откачиваемых диффузионными паромасленными насосами до вакуума 10 - 10 мм рт.ст., характеризуются, как правило, низкой адгезией к подложкам. Бывает доста- . точно провести по пленке ватным тампоном чтобы снять пленку с подложки.

Известен способ получения высокой адгезии, заключающийся в том, что напыление ведут R очень чистых условиях в сверхвысоком вакууме при давлениях остаточных газов +10 мм рт.ст., При этом поверхности подложек, на которые нанылявт тонкие металлические пленки, подвергают перед напыле-. нием тщательной очистке, состоящей из двух этапов: 1) предварительной очист3 1019965 4 ки в атмосфере с помощью органических растворителей, травителей, деиони- зованной воды; 2) очистки в сверхвысоком вакууме путем высокотемператур- 5 ного термического етжига (до 1200 С) или ионного травления.

Такой путь получения высокой адгезии, связанный с использованием сверхвысоковакуумной аппаратуры сов- 1о местно с аппаратурой для контроля степени очистки поверхности {например, ожеспектрометром), дорогостоящ, сложен, длителен, не всегда совместим с другими технологически- f$ ми операциями при производстве электронного прибора или со свойствами материалов пленки и подложки (могут потребоваться температуры отжига, превышающие тачки плавления или хи- . щ мического разложения материала нодлож" ки: ионная бомбардировка может недопустимо изменить электрофизические

"характеристики полупроводниковой подложки) . 25

Очистка ионным травлением или термообработкой в вакууме 1(Г

10 мм рт.ст. может быть неэффективна из-за того, что поверхность после очистки сразу же загрязняется (при вакууме 10 мм рт,ст. за f с на поверхность высаживается монослой чужеродных атомов).

В связи с этим представляют значительный интерес способы повышения адгеэии термически напыленных пленок к подложкам путем физического воздействия на них во время или после нх нанесения в обычно применяемом в производстве вакууме (10"

4О

10™ мм рт.ст.).

Известен способ увеличения адгезии тонких металлических пленок путем их термообработки уже после напыления. 45

Способ этот пригоден только для некоторых пар пленка-подложка. При термообработке наряду с увеличением адгезии (когда это имеет место) необратимо изменяются структурные свой 50 ства пленок, их химический состав на границе с подложкой, электрофизические и оптические свойства пленок и подложек. В ряде практических случаев такие изменения нежелательны или вообще недопустимы.

Наиболее близким к изобретению по. технической сущности является способ увеличения адгезни тонких металлических пленок к подложкам, включающий их обработку после напыления в вакууме корпускулярным облучением.

В этом способе адгезню пленки к подложке повышают после ее нанесения путем облучения пленки металла пучком ионов различных химических элементов с энергией порядка 10 кэВ.

Облучение пучком ионов приводит к не— желательному введению структурных и электрических дефектов в пленку, а также к внедрению в пленку бомбардирующих ионов. Ионная бомбардировка частично стравливает обрабатываемую пленку. Кроме того, ионная пушка является сложным и дорогим устройством.

Цель изобретения - уменьшение воздействия на 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 подложкам, включающем их облучение после напыления в вакууме корпускуляриым излучением, пленки облучают пучком электронов с энергией меньшей 50 кэВ но достаточЭ ной для проникновения электронов сквозь пленку до границы раздела пленка-подложка, при дозах поглощенных электронов от 5 10 до

5.10 К/см . При облучении электроны укаэанных энергий вместе с порож-. денными имн вторичными электронами проникают сквозь пленку в подложку, воздействуя на границу пленка-подложка. Воздействие электронов, повидимому, 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 меньшей, исходя из толщины пленки и ее удельной плотности, пользуясь данны19965 6 том углероде, а затем травятся в плавиковой кислоте для удаления слоя окисла с поверхности. После

5 этого они промываются при комнатной температуре в бидистиллированной и деионизованной воде. Подложки иэ ниобата лития, кварца, металлов промываются кипячением в четыреххлористом углероде.

П р и м e p 1. Пленку золота толщиной 40 нм напыляют на кремний (ма териал наиболее широко применяеыяй в твердотельной электронике) марки

КЭФ 0,3, а затем различные ее участки размером 200х200 мкм облучаются пучком электронов с энергией .25 кэВ до различных доз в диапазоне от

10 до !О К/см . Диаметр элект20 ронного пучка равен 2 мкм. Облучени@ участков размером 200х200 мкм ведется в режиме строчного сканирования. Ток пучка равен 2 ° 10 А. Разогрев кремниевой подложки в месте

25 падения пучка по расчету не превышает 1К. Изменение адгезии, связанное с электронным облучением, измеряется широко известным методом царапания иглой. В измерениях применяется

30 стальная игла с радиусом острия

«30 мкм.

Результаты измерений показывают, что резкое повышение адгезии в

800 раз наступает при дозах облуче35 ния „-. 5-10 К/см .

П р и и е р 2. Пленка золота тол-щиной 40 нм напыляется на кремний марки КЗФ 0,3, а затем различные ее участки облучаются до дозы, щ 0,2 К/см пучком электронов с различными энергиями от ЗООВ до 50 кэВ.

При энергиях электронов, лежащих в диапазоне от ЗООВ до 2 кэВ, облучение ведется широким пучком диамет<5 ром 3 мм при плотности тока

«10" А/см . При энергиях от 5 кэВ

4. до 50 кэВ участок пленки облучается в режиме сканирования пучком электронов диаметром «2 мкм при то50 ке 2 ° 10 А. Нагрев системы пленка-., 8 подложка в месте облучения не превышает 1К. Результаты измерений показывают, что в оптимальных режимах в области 5-15 кэВ достигнуто увеличение адгезии « 600 раз ° ПОВыпенная ад гезия сохраняется на том же уровне и спустя 3 недели после облучения.

Hp и м е р 3. Пленка золота тол5 10 ми о максимальной глубине проникновения электронов разных энергий в вещество.

При изготовлении металлических тонкопленочных покрытий на подложках для конкретных устройств необходимо учитывать, что под воздействием достаточно мощного электронного пучка может происходить и разогрев объекта пленка-подложка до температур, прикоторых в приборе происходят необрати мые изменения, ухудшающие его параметры. Поэтому в каждом конкретном случае плотность тока пучка электронов, .облучающего пленку на подложке . при заданной энергии электронов, следует выбирать так, чтобы не.происходил недопустимый разогрев объекта.

При дозах облучения, меньше

5 10 К/см . не наблюдается эффект

2 увеличения адгеэии пленок к подлож- кам, но доза облучения не должна превышать 5 .Ю K/åìm, ибо дальнейшее ее увеличение на эффект увеличения адгезии не влияет. При- этом растут непроизводительные затраты времени и средств на обработку.

Дпя многих пар пленка-подложка . вполне допустимая плотность тока при облучении площадей с характерным размером 1 мм составляет 410 А/см при энергиях электронов -20 кэВ.

Исходя из экспериментально найденной дозы облучения 5 ° 10 до 5 ° 10 K/

/см, требуемой для получения необходимого эФФекта, и иэ максимально допустимой плотности тока, выбирается время облучения.

Примеры реализации способа.

В каждом примере нанесение тонкой металлической аленки на подтопку осуществляется термическим распылением металла в стандартной вакуумной установке с паромасляным днф" фузионннм насосом при давлении s камере «10" мм рт.ст.

В качестве материалов подложек и пленок выбираются широко используемые в.промышленном производстве: кремний, кварц (кристаллический и аморфный). 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 четыреххлорисщиной п50 им на ниобате лития (материал, широко применяемый для изготовления акустозлектронных приборов), на кристаллическом и аморфном кварце облучается в режиме сканирования в условиях, близких к оптимальным, электронным пучком диаметром 2 мкм при энергии электронов 25 кэВ и токе пучка 8 10Г А. В результате облу9 чения на ниобате лития получают увели-, 10 чение адгеэии и 100 раз, на кварце . в .6 раз (измерено методом царапания стальной иглой).

Пример 4. В указанных в примере 3 режимах (близких к оптимальньик) облучают пленки алюминия и олова толщиной 50 нм, напиленные на под ложки иэ кремния, ниобата .лития, ни" келя, алюминия. Увеличение адгеэии на облученных местах контролировалось известным методом адгезиониой ленты. Облученные места пленки ие сдираются с подложек с помощью адгезионной ленты, тогда как необлучеиные участки пленок полностью снимаются с 25 подложек.

Пример 5. Берут другой металл и сочетании с подложкой из кремния.

Напыляется пленка никеля толщиной

50 нм. Облучение до дозы 0,2 К/см ЗО проводится электронами с энергией, 1,5 кзВ вблизи нижнего предела того интервала энергий электронов, где наблюдается эффект. Диаметр пучка электронов составляет 3 мм. Методом царапания зарегистрировано 70-кратное

35 увеличение адгеэии после облучения.

П р и и е р 6. Образец кремния раскалывают в вакууме s потоке терми чески распыляемого золота, таким обра-4 зом, сразу же после скола в максимально чистых условиях при вакууме

10 мм рт.ст. напыляется пленка золота толщиной 50 нм. Облучение части яленки электронами с энергией

25 кэВ приводит к увеличению адгезии по сравнению с необлученным участком в 400 раэ (измерено методом царапания).

Приведенные примеры показывают, что предлагаемый способ применим для целого ряда пар материалов пленка=подложка, широко применяемых s современном промышленном производстве.

Полученные термическим напылением пленки, обработанные затем электрон ным пучком, характеризуются высокой

1 адгеэией к подложкам. Использование предлагаемого способа повышения адгезии тонких металлических пленок обеспечивает следующие преимущества по сравнению с прототипом, который можно считать также базовым объектом: а) электронная бомбардировка с энергиями электронов 1-50 кэВ в отличие от ионной бомбардировки с теми же энергйями ионов не приводит к образо,.ванию дефектов в твердом теле в результате смещения атомов иэ узлов решетки под ударами бомбардирующих частицу б) нри электронной бомбардировке не происходит частичного распыления уже нанесенной пленки, что имеет место нри ионной бомбардировке;

s) при электронной бомбардировке не происходит внедрения инородных ионов в приповерхиостный слой, как при ионной бомбардировке г) электронная пушка существенно проще и дешевле (по «райней мере в несколько раз) ионной пушки, она может быть легко вмонтирована а любую вакуумную установку„ что позволяет применять способ иа разных этапах технологического процесса.

Таким образом, по сравнению с другими способами предлагаемый способ позволяет поаучить увеличение адгезии при существенно меньшем изменении физических и химических свойств пленок и подножек, значительно проще и дешевле °

Предлагаевиай способ позволяет увеличить адгезию целого .ряда металлов к подложкам при напыпении их в обычных„. не сверхвысоковакуумных условиях, при вакууме 10 ж рт.ст.

Наибольший интерес представляет достижение увеличения адгезии такого благородного металла, как золото, широко применяемого в. твердотельной технологии. Следует отметить,что золо- . то характеризуется плохой адгезией к различным неметаллическим подложкам, поэтому под слой золота часто приходится предварительно наносить тонкий промежуточный слой другого металла, например, хрома или никеля.

Предлагаемый способ позволяет исключить эту дополнительную, опера цию 4