Влияние температурного режима подложки на адгезионную прочность

Влияние температурного режима подложки на сцепление адгезионного подслоя. Исследование зависимости адгезионной прочности пленочных покрытий от температуры подложки является сложной экспериментальной задачей из-за трудности исклю- 6*              83

чения влияния остальных параметров напыления (давления остаточных газов при напылении, дополнительной очистки подложек с /помощью термодесорбции с поверхности и т.

Практика показывает, что влияние температуры подложки на адгезию крайне разнообразно и зависит от индивидуальных свойств используемых материалов, хотя в большинстве случаев наблюдается увеличение адгезионной прочности с возрастанием температуры предварительного нагрева подложки перед нанесением. Эффект возрастания адгезионной прочности с увеличением температуры подложки обусловлен! тем, что в основе адгезионных явлений большинства используемых в тонкопленочной технологии материалов лежит процесс образования химических связей. В этом случае температура подложки играет такую же роль, что и температура, при которой проходит химическая реакция.

(58)

где N — число новых связей, м-2; N0— концентрация атомов на поверхности, м-2; vD —частота Дебая, с-1; Ea— энергия активации химической реакции, Дж-мол-1; T — температура вещества, к.

Уравнение (58) показывает, что возрастание температуры подложки приводит к уменьшению времени достижений равновесного состояния, т. е. к более быстрому росту адгезионной прочности за счет образования новых связей. И все же температура подложки определяет адгезию пленки неоднозначно, так как температура влияет и на структуру напыляемой пленки, а также на' механические напряжения в пленке и подложке. Из-за наличия нескольких конкурирующих процессов, влияющих на адгезию, приходится говорить об оптимальной температуре подложки, при которой адге- 84

зионная прочность имеет максимальное значение. Например, при напылении хрома на ситалл наивысшему значению адгезионной прочности соответствует температура подложки 300°С, так как при температуре выше 300°С происходит снижение прочности адгезии из-за газовыделения из объема подложки. Исследования адгезионной прочности золотых пленок, напыляемых на стеклянные подложки, температура которых менялась от 0 до 400°С, показали, что адгезионная прочность при температурах до 250°С практически не изменяется, а при превышении 250°С прочность адгезии резко возрастает.

Адгезионная способность напыляемых пленок весьма сложно зависит от их структуры, которая, в свою очередь, зависит от температуры подложки при напылении. В [21] изучалась связь между адгезионной способностью, внутренними напряжениями и структурой серебряных пленок, напыляемых на стекло.

При проектировании технологических процессов нанесения пленок следует учитывать некоторые дополнительные требования к температурному режиму подложки. Так, при значительном повышении температуры подложки в большинстве случаев ухудшается травление получаемых при проведении процессов фотолитографии. Например, по этой причине нежелательно проводить напыление хромовых пленок при температуре подложки свыше 300°С. Если предусматривается напыление резистивной пленки, то температурный режим подложки при напылении должен быть строго задаваемым в зависимости от типа напыляемого резистивного сплава. Кроме того, следует учитывать, что снижение температуры подложки желательно, так как после проведения напыления затрачивается некоторое время на остывание подложек в вакуумной камере перед их выгрузкой. Таким образом, правильный выбор температуры подложки и надежный ее контроль являются необходимыми условиями современного микроэлектронного производства.

Для определения влияния теплового режима подложки на адгезионную прочность и исключения влияния на результаты других параметров процесса напыления была разработана экспериментальная методика получения на подложках средних температур в едином процессе напыления. Это достигалось закреплением подложек на подложкодержателях с изменяющейся степенью черноты поверхности. При этом тепловые потоки, попадающие на различные подложки, были неодинаковы и нагревали подложки до различных температур. Так как напыление на все подложки проводилось одновременно, то, естественно, все параметры напыления, кроме температуры (вакуум, скорость напыления и др.), были одинаковыми на всех подложках и их влияние на адгезию также было одинаково.

Эксперименты проводились на установке вакуумного напыления УВН-71П-3. В качестве материала подложек использовались ситаллы, керамика «Поликор»; ферриты, на которые напылялись наиболее часто используемые в производстве тонкопленочные структуры Cr—Cu, V-Cu и Ti-Cu. Перед напылением осуществлялась химическая очистка подложек; по стандартной технологии. Толщина покрытия хрома была равна 0,1 мкм, меди—10 мкм. Измерение прочности адгезии производилось по отслаиванию пленки согласно методике, описанной в [46]. Для изменения степени черноты подложкодержателей их поверхность покрывалась: хромом (высокая степень черноты); медью (низкая степень черноты), а также использовался подложкодержатель из коррозионно-стойкой стали без покрытия (средняя степень черноты). Оценка температуры подложек проводилась по результатам измерения температуры на идентичных подложках с предварительно нанесенным на их поверхность пленочным терморезистором.

Результаты экспериментов подтвердили тот факт, что возрастание температуры подложки ведет к росту адгезионной прочности названных тонкопленочных структур. Детальный анализ экспериментальных данных показал, что при напылении материала на подложки из ситаллов, стекла и других материалов проявляются термоактивационные, в том числе диффузионные эффекты, сопровождающие процесс адгезионного соединения. Выявлено, что величина адгезии на подложках из стекла и ситаллов пропорциональна степени развития диффузионных процессов.

Другими словами, адгезионная прочность не определяется только температурой предварительного нагрева подложек, как предполагалось ранее, а зависит от всей формы температурной кривой подложки за время предварительного нагрева, напыления и последующего охлаждения. Это подтверждено вычислением коэффициентов парной корреляции для некоторых избранных механизмов соединения пленки и подложки. Диффузионный механизм соединения пленки с подложкой проявляется в том, что величина адгезии возрастает прямо пропорционально перемещению поверхности равной концентрации при диффузии.

C=C0erfZ,              (59)

где Z = x/2yDt\ erfZ — интеграл ошибок от Z; D — коэффициент диффузии; t — время; С — концентрация вещества на расстоянии х от начальной границы раздела; C0 — концентрация при t = 0 и х = 0.

Зависимость коэффициента диффузии от температуры подчиняется закону Аррениуса:

D = D0 exp (— AJRT),              (60)

где T — температура, К; А— энергия активации, Дж; R — газовая 86

постоянная; D0 — константа, не зависящая от Г и определяемая свойствами конкретного материала.

Исходя из, соотношений (59) и (60), можно найти степень развития диффузии в зависимости от времени и температуры, причем следует учитывать, что температура в ходе процесса является переменной величиной. Результаты анализа коэффициентов парных корреляций при различных предполагаемых моделях соединения показали, что значение данного коэффициента наиболее близко к единице при диффузионной модели соединения пленки и подложки, описываемой выражениями (59) и (60). Другими словами, адгезионная прочность пропорциональна ширине переходной зоны !между} пленкой и подложкой. Это может объясняться тем, что при значительной ширине переходного слоя отсутствует локализация •механических напряжений на границе пленки и подложки, которая уменьшает адгезионную прочность.

Эффект диффузионного характера соединения пленки с подложкой характерен при напылении в качестве подслоя хрома и ванадия. При напылении титана диффузионный характер сцепления проявляется гораздо меньше. По-видимому, это связано с меньшим влиянием диффузии на процесс образования переходной зоны в этом случае.

Термоактивационный характер соединения хорошо виден на рис. 25. Максимальная температура на подложке достигается в

Рис. 25. Зависимость адгезионной прочности Pa тонкопленочной структуры хром—медь от максимального значения температуры подложки Ти, достигаемой за время напыления (подложки’ из ситалла СТ-50-1)

момент, когда хром уже напылен и напылено также 80% общего количества меди.

Определяющее влияние диффузии на адгезию важно правильно использовать для повышения прочности адгезии в производственных процессах. В частности, максимальную температуру подложки, достигаемую! при напылении, можно повысить следующими мерами: увеличением времени напыления проводникового слоя (большая адгезионная прочность получается при напылении всей толщины проводника по сравнению с напылением сначала тонким слоем, а затем гальваническим наращиванием остальной части проводника); использованием тепловых металлических экранов в

вакуумной камере для повышения температуры подложки; применением подложкодержателя с большим коэффициентом отражения поверхности, хотя при этом несколько возрастает перепад температуры по подложке, но это дает возможность сильно увеличить температуру граничной зоны. Экспериментально показано* что адгезионная прочность структуры на подложкодержателях из меди в несколько раз выше, чем на подложкодержателях из коррозионно-стойкой стали, особенно при относительно низких температурах предварительного нагрева (менее 100°С), что связано с уменьшением теплопереноса на медный подложкодержатель. При большем предварительном нагреве подложек эффект повышения прочности адгезии на медном подложкодержателе уменьшается вследствие1 малого прироста температуры при напылении. (Прирост температуры при напылении падает с возрастанием температуры предварительного нагрева подложек.)

Влияние температурного режима !подложки на сцепление проводниковой пленки с адгезионным подслоем. Необходимым условием высокой надежности изделий микроэлектроники является прочное сцепление адгезионного подслоя- с пленкой проводника. У такой широко используемой тонкопленочной структуры, как хром — медь, иногда возникает отделение меди от хрома. Этот эффект обусловлен образованием продуктов реакции хрома с остаточной атмосферой вакуумной камеры при неверно избранных параметрах напыления. Количество продуктов реакции материала адгезионного подслоя с атмосферой в первом приближении пропорционально времени, прошедшему между концом напыления хрома и началом напыления меди, а также давлению в вакуумной камере. Эти продукты реакции образуют диэлектрический барьерный слой, который препятствует установлению металлической связи.

Обычно считается, что промежуток времени между напылением адгезионного подслоя и пленки проводника не должен превышать нескольких секунд. Кроме того, процесс напыления следует проводить при максимально глубоком вакууме, получаемом на данном типе оборудования. На практике часто применяется способ улучшения сцепления металлических пленок, заключающийся в том, что полностью исключается перерыв между нанесением адгезионного и проводникового слоев, так как оба металла в течение 1...1,5 с наносятся на подложку одновременно'—из разных источников испарения. В результате барьерный слой отсутствует и возникает прочная связь.

При повышении температуры подложки образование барьерного слоя затруднено из-за сильных диффузионных процессов. Это увеличивает сцепление металлических пленок. Данный эффект хорошо заметен при измерении адгезионной прочности тонкопленочной структуры хром — медь, нанесение которой проводилось на ненагретую подложку. Разрушение при отрыве пленки на этих образцах происходит по границе хром — медь, а не по границе подложка — хром.