Двенадцатая научная конференция «Шаг в будущее, Москва» ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ ПОВЕРХНОСТИ ПЛЕНОК АЛЮМИНИЯ И МЕДИ, НАНЕСЕННЫХ НА ПОЛИКОРОВЫЕ ПОДЛОЖКИ МГТУ имени Н.Э. Баумана Кафедра «Проектирование и технология производства электронной аппаратуры» (ИУ-4) Автор Благова Светлана Владиславовна Москва, ГОУ СОШ 315 Москва, 2009 Научный руководитель Макарчук Владимир Васильевич, к.т.н., доцент каф. ИУ-4 МГТУ им. Н.Э. Баумана

Цель, объект, решаемые задачи Цель исследования – получение практических сведений о структуре поверхности осажденных пленок с целью совершенствования технологического процесса их формирования. Объектом исследования являлись пленки алюминия и меди, полученные в процессе производства гибридно-пленочных интегральных микросхем методом термического вакуумного напыления. Решаемые задачи 1.Исследование поверхности пленок различных материалов с помощью аппаратуры сканирующей зондовой микроскопии. Проверка возможности применения данного исследования в процессе производства микросхем. 2.Обобщение результатов исследования поверхности пленок на наноуровне путем сравнения сканов их поверхности между собой.

Разработка микросхем Нанесение проводящих пленок на подложку Резка, сверление Сборка Фотошаблоны Фотолитография Навесные элементы, корпуса Напыление проводящих пленок на подложку является частью технологического процесса создания микросхем. Готовая микросхема Топологический чертеж Подготовка поверхности подложки

Сведения об исследуемых материалах Алюминий - лёгкий, немагнитный металл серебристо-белого цвета, имеющий низкое удельное сопротивление и легко поддающийся механической обработке. Удельный вес – 2,7 г/cм3. Температура плавления – 660°С. Структура кристаллической решетки – кубическая гранецентрированная. Медь - пластичный, немагнитный металл золотисто-розового цвета с невысокой прочностью. Удельный вес - 8,93 г/cм3. Температура плавления – 1083°С. Структура кристаллической решетки – кубическая гранецентрированная. Поликор Поликор - разновидность керамики, основным компонентом которой является оксид алюминия ( Al2O3 ). Кристаллическая решетка меди и алюминия Ионы металла удерживаются в положении равновесия из-за взаимодействия с «газом свободных электронов» Процентное содержание Al 2 O 3 99,8 Пористость в процентном отношении 0,0 – 0,5 Внешний вид Белый, полупрозрачный

Образцы исследуемых пленок Фотографии образцов Пленка алюминияПленка меди Материал Размер, мм толщина а мм ширина h длина 1 поликор48601 Объектом исследования являлись пленки алюминия и меди, осажденные на поверхность поликоровых подложек. Основные параметры поликоровой подложки приведены в таблице. Для экспериментов были выбраны поликоровые подложки. Конструкционные сведения о поликоровой подложке

Технологический маршрут 1. Очистка поверхности подложек в растворе серной кислоты (H2SO4) и дихромата калия (K2Cr2O7). Промывка подложек в деионизованной воде. 2. Установка подложек на приемную поверхность рабочей камеры установки термического вакуумного напыления. 3. Загрузка гранул напыляемого вещества (в данном случае меди или алюминия) в испарители. 1.Откачка воздуха из объема рабочей камеры (создание вакуума) - в течение дальнейших операций процесса). 2.Прогрев подложек лампами накаливания до температуры °С. 3.Подача напряжения на испарители. 4.Плавление и испарение из испарителей гранул напыляемого вещества. 5.Осаждение на подложку слоя напыляемого вещества. 6.Отключение напряжения на испарителях. 7.Прекращение откачки воздуха. Постепенное охлаждение закрытой камеры. 8.Извлечение подложек из камеры (через шесть часов). Гранулы медиГранулы алюминия Алюминий и медь осаждались на подложку методом термического вакуумного напыления. Технология формирования пленок

1 - Основание 2 - Держатель образца 3 - Датчик взаимодействия 4 - Винт фиксации датчика 5 - Винт ручного подвода 6 - Винт перемещения датчика с образцом 7 - Защитная крышка с видеокамерой Первая часть исследования была выполнена с помощью сканирующего зондового микроскопа NanoEducator. Использовался полуконтактной метод. Перед началом исследования была произведена подготовка прибора к работе - калибровка сканера с помощью специальной калибровочной решетки TGZ1. Исследование проведено с помощью сканирующей зондовой микроскопии

Вторая часть исследования была выполнена с помощью сканирующего зондового микроскопа SOLVER PRO. Использовался метод полуконтактной сканирующей зондовой микроскопии. 1 - Блок подвода и сканирования 2 - Измерительная головка 3 – Объектив с видеокамерой 4 - Штатив 5 – Блок динамической виброизоляции 6 – Осветитель со световодом 7 – Платформа с блоком и опорным стойками 8 – СLE-система

Была выдвинута гипотеза, что эти поверхностные структурные образования вызваны микронеровностями керамики. Микронеровности поверхности керамики очень велики (из-за способа ее получения). Они могут быть значительно снижены путем полировки. На скане представлена поверхность поликоровой подложки после полирования. Поле сканирования - 15×15 мкм. Исследование поверхности поликоровой подложки При сканировании поверхности поликоровой подложки на наноуровне было установлено, что ее структурные образования расположены равномерно по всей площади поверхности и имеют размеры значительно меньшие нанотехнологической границы (100 нм). Поэтому объект можно считать наноструктурным образованием.

Исследование поверхностных структур пленки алюминия Напыленный на подложку тонкий слой алюминия представляет собой поверхность с характерным металлическим блеском. Проанализировав результаты, полученные при сканировании, можно видеть, что поверхность пленки неоднородна.На поверхности пленки видны образования тесно расположенные друг от друга очень похожие на «чешуйки». Практически достоверно можно утверждать, что эти «чешуйки» расположены равномерно по всей поверхности. Поле сканирования - 5×5 мкм Можно сделать предположение, что эти образования сформировались вследствие неравномерного осаждения атомов алюминия на поверхность подложки в процессе термического вакуумного напыления.

Исследование поверхностных структур пленки меди Напыленная на подложку медь представляет собой пленку с характерным золотисто- розовым оттенком. Просмотрев результаты сканирования, можно заметить, что поверхность пленки очень неоднородна. На поверхности имеются структуры, различные по размерам. Однако можно точно сказать, что размеры этих структур превышают нанотехнологическую границу. Видно, что эти образования располагаются неравномерно по поверхности пленки. Можно сделать предположение, что эти образования сформировались вследствие неравномерного распределения достаточно крупных частиц меди по поверхности подложки при напылении. Поле сканирования - 5×5 мкм

Поверхности пленок алюминия и меди, полученные с помощью сканирующего зондового микроскопаSOLVER PRO Поверхность пленки меди (поле сканирования - 5×5 мкм) Поверхность пленки алюминия (поле сканирования - 5×5 мкм)

Поверхность пленки алюминия. (поле сканирования 20×20 мкм) Поверхность пленки меди. (поле сканирования 20×20 мкм) Поверхности пленок алюминия и меди, полученные с помощью сканирующего зондового микроскопа SOLVER PRO

Применение полученных результатов Проведенное исследование представляет собой качественно новый способ исследования поверхности проводящих пленок. Оно может сыграть большую роль при: 1.Совершенствовании технологии производства гибридно-пленочных интегральных микросхем. 1.Корректировке технологических режимов напыления посредством анализа сканов поверхности. 1.Выборе наиболее подходящего материала для проводящих пленок. 1.Анализе и выявлении дефектов напыления и последующего их устранения.

Зависимость качества микросхем от неоднородности осажденной пленки Неравномерное осаждение следующего покрытия Неоднородность толщины Погрешности при фотолитографии Усиление процессов электромиграции Увеличение объема внешнего загрязнения Рост активных потерь в СВЧ микросхемах ( ток течет в поверхностном слое) От неоднородности осажденной пленки зависит ряд факторов, влияющих на качество и производство микросхем:

Выводы В результате эксперимента представлен метод оценки и исследования поверхностных структур пленок, образованных при напылении вещества на подложку в процессе изготовления микросхем. По результатам исследования видно, что визуально ровная поверхность пленок оказывается неоднородной, что может вызвать ухудшения качества микросхем. Образования на поверхности исследованных пленок объясняются одним фактором - неравномерностью осаждения частиц веществ при напылении ( причем образования на поверхности пленок меди крупнее т.к зерна меди крупнее зерен алюминия).Алюминиевая пленка является более однородной структурой. С помощью проведенного исследования можно контролировать параметры напыления проводящих пленок, что способствует повышению качества получаемых микросхем.