Контроль процесса напыления

 

Для получения пленок с заданными свойствами (толщиной, составом, электрофизическими, оптическими и другими эксплуатационными характеристиками) необходимо контролировать процесс нанесения покрытий. Такие свойства пленок, как удельное электрическое сопротивление, механические напряжения, кристаллическая структура и плотность, определяются скоростью осаждения и температурой подложки.

Методы контроля, связанные со скоростью осаждения (масса пленки, скорость испарения, толщина пленки, электросопротивление и т.д.) предполагают нахождение аналитической связи или экспериментальной связи между контролируемой величиной и электрическими характеристиками напыляемых элементов. Эту связь обеспечивают соответствующие датчики, устанавливаемые в непосредственной близости с подложкой.

Для управляемого нанесения металлических проводящих пленок используется зависимость электросопротивления пленки от толщины. В качестве управляющего элемента применяется резистивный датчик. Этот датчик («свидетель») представляет собой специальную контрольную подложку с предварительно напыленными контактами, устанавливаемую в подложкодержатель рядом с рабочей подложкой. Напыление резистивной пленки на контрольную подложку осуществляют одновременно с напылением на рабочую подложку. Сопротивление «свидетеля» R_св регистрируется с помощью пружинных контактов на внешнем приборе (рис.2.8).

Рис.2.8. Схема контроля толщины пленки резистивным датчиком:

1 – рабочая подложка, 2 – заслонка, 3 – испаритель, 4 – соленоид управления заслонкой, 5 – пороговое устройство, 6 – усилитель, 7 – резистор R_з настройки системы на заданное значение R_св, 8 – резистивный датчик R_св, 9 – источник питания моста сравнения

 

При достижении определенной величины сопротивления «свидетеля» R_св цепь обратной связи обеспечивает прекращение процесса напыления (закрывается заслонка). Перестройку системы на заданное R_св производят переменным резистором R_з.

Для измерения характеристик диэлектрических пленок применяют емкостной метод. Он основан на измерении относительного изменения электрической емкости планарного конденсатора (рис.2.9), предварительно сформированного на контрольной подложке, при осаждении на него пленки диэлектрика. В качестве проводящих обкладок конденсатора используют алюминиевые пленки, полученные методом фотолитографии в виде узких полосок, разделенных зазорами (гребенчатая структура). При нанесении на конденсатор диэлектрической пленки его емкость С возрастает вследствие измерения диэлектрической проницаемости

(2.17)

где ε – диэлектрическая проницаемость материала пленки; h – толщина пленки; С₀ – начальная емкость конденсатора.

 

Рис.2.9. Гребенчатый конденсатор для емкостного датчика

 

Радиочастотный метод основан на измерении изменения резонансной частоты кварцевого кристаллического резонатора при осаждении на нем пленки испаряемого вещества. Толщина пленки определяется из соотношения

, (2.18)

где f₀ – частота собственных механических колебаний кварца; m₀ – исходная масса кварца; r - плотность осаждаемой пленки; S – площадь кварцевого резонатора, покрытая пленкой; Δf - изменение (сдвиг) резонансной частоты.

Пластина кварцевого резонатора в водоохлаждаемом держателе устанавливается рядом с подложкой. Измерение толщины диэлектрических, полупроводниковых и проводящих пленок возможно при знании их удельной плотности. Поскольку эту величину определить трудно, строят экспериментальные графики зависимости толщины пленки от смещения Δf измерительного кварцевого генератора для различных материалов. С помощью одной кварцевой пластины можно измерить 20 – 40 пленок толщиной по 1000 ангстрем, т.е. суммарная толщина напыляемой пленки без смены кварца составляет 2 – 4 мкм. Напыленный слой удаляют стравливанием и после этого кварцевый датчик можно снова использовать для измерений. Кварцевые датчики универсальны, ими можно измерять пленки любого состава и многослойные пленки.

Ионизационный метод основан на ионизации потока пара испаряемого вещества электронами, эмитируемыми накаленным катодом. Датчик представляет собой ионизационную манометрическую лампу в металлическом экране (без стеклянного баллона), расположенную рядом с напыляемой подложкой. В этом случае ионный ток в датчике является функцией как давления остаточного газа р_о, так и парциального давления испаряемого материала р. Поскольку молекулы испаряемого материала распространяются прямолинейно, а молекулы остаточного газа – хаотично, то, расположив перед входом датчика вращающийся диск с отверстиями, можно модулировать во времени ионный ток в датчике, вызванный ионизацией паров (рис.2.10).

Рис.2.10. Схема ионизационного датчика: 1 – испаритель, 2 – подложка, 3 – экран, 4 – коллектор, 5 – сетка, 6 – катод, 7 – вращающаяся заслонка

 

Импульсный ионный ток в дальнейшем отфильтровывается с помощью электронной схемы от постоянного ионного тока, вызванного р_о. Так как р пропорционально в данный момент времени числу молекул, заключенных в единице объема в непосредственной близости от ионизационного датчика, т.е. скорости осаждения, то и ионный ток пропорционален скорости осаждения.

В гравиметрических датчиках применяется принцип микровесов в условиях вакуумного напыления: изгиб тонкой ленты, один из концов которой неподвижно закреплен, а на свободный конец помещено взвешиваемое тело (напыляемая пленка); растяжение тонких кварцевых или вольфрамовых цилиндрических спиралей (пружинные весы).

Фотометрический метод основан на использовании явления интерференции света, отраженного от системы «прозрачная пленка – поглощающая подложка». Лазерный луч зондирует поверхность растущей пленки. На границах рабочая среда – пленка и пленка – подложка луч отражается. Вследствие интерференции коэффициент отражения зависит от толщины пленки и изменяется с ее ростом. При монохроматическом освещении системы подложка – пленка наблюдается явление, состоящее в том, что по мере утолщения пленки интенсивность отраженного света уменьшается и достигает минимума в тот момент, когда оптическая толщина пленки становится равной одной четверти длины падающего света. Это явление обусловлено интерференционным гашением света, отраженного от свободной границы пленки и от поверхности раздела пленка – подложка. При дальнейшем утолщении покрытия отражение вновь усиливается, достигая максимума, когда оптическая толщина пленки становится равной λ/2. Измеряя число минимумов или максимумов и зная коэффициенты преломления подложки и пленки, можно определить толщину пленки по формуле

, (2.19)

где m – число минимумов отраженного света; λ – длина волны монохроматического света; n – показатель преломления пленки.