Спосіб отримання безпрошаркового мідного покриття

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности, к способам нанесения элементов микросхем в виде коммутационных дорожек, полосковых элементов микросхем CВЧ-диапазона на диэлектрические подложки В способе [1] выбранном в качестве прототипа, проводится нанесение металлов на подложки, включая предварительную обработку поверхности подложки путем бомбардировки ее ионами инертного газа с последующим осаждением материала на подложки без прерывания ионной бомбардировки в течение времени, достаточного для роста пленки. После нанесения первого тонкого слоя осуществляется вакуумное осаждение пленки до требуемой толщины с прекращением ионной бомбардировки. К недостаткам этого способа следует отнести: 1) проведение нанесения покрытия в 2-элек-тродной системе, в которой энергия налетающего иона достаточна и для частичного распыления материала подложки и "размазывания" границы раздела между диэлектрической подложкой и напыляемым материалом; 2) увеличение температуры подложки, что способствует подкислению напыляемой поверхности материала; 3) проведение после очищения подложки плавной операции по превышению скорости осаждения напыляемого вещества над скоростью распыления ионами образующейся пленки, т.е. переход от ионной обработки к режиму совместного напыления с ионной обработкой проходит плавно и за счет этого величина адгезии напыленной пленки изменяется лишь от 2 до 3 МПа. На практике ограничение уровня адгезии меди с предварительно нанесенным подслоем к диэлектрическим подложкам величиной 2-3 МПа связано с разрывом во времени при передвижении подложки от пушки ионного травления к месту напыления и образованием за это время на поверхности подложки слоя атомов газа, ухудшающего адгезию меди. С другой стороны при ионной обработке и последующем совместном напылении [9] поверхность подложки не удается полностью очистить от адсорбированных атомов, поскольку при высоких энергиях бомбардировки возникают условия для образования химсоединений с участием адсорбированных атомов. В частности, окислы меди, обладающие низкими мехсвойствами, располагаясь между подложкой и пленкой, существенно снижают ее адгезию. Задачей изобретения является: разработка ускоренного способа получения бесподслойного высокоадгезионного медного покрытия. В способе причины снижения адгезии пленки меди к диэлектрической подложке и низкую, в процессе ионно-плазменного напыления, скорость осаждения меди на подложки (45 нм/мин) устраняют за счет создания условий над поверхностью подложки, при которых происходит десорбция атомов газа с нее с малыми энергозатратами. Поставленная задача в этом способе по бесподслойному высокоадгезионному нанесению медных пленок на диэлектрические и проводящие подложки 3-х электродным ионно-плазменным напылением решается; 1) созданием перпендикулярного подложке электрического поля с напряженностью, достаточной для создания оптимального по плотности и энергии потока ионов, достигающее подложки, но не способного эмиссировать с ее поверхности новых электронов, и тем самым обеспечивать с малыми энергозатратами десорбцию атомов газа с поверхности подложки и последующим одновременно с очисткой подводом к ней осаждаемых атомов меди до установления устойчивого потока напыляемого материала, ограждающего благодаря локальному геттерному эффекту подложку от атомов газа из других объемов рабочей камеры. Требуемые для этого решения условия реализуются при подаче отрицательного потенциала (-100±5) В между анодом и металлическим подложкодержателем и после 1,5 минутной обработки в таких условиях процесс осаждения меди проходит путем подачи при невыключенном потенциале на мишень сразу высокого напряжения (-1,2 кВ) в течение (90±10) сек до установления устойчивого потока напыляемых атомов меди. Далее проводится отключение потенциала и допыление меди до требуемой величины может проводиться обычным ионно-плазменным напылением при средней скорости осаждения ~45 нм/мин. В случае прерывания процесса напыления на поверхности подложки вновь образуется газовая пленка, и для нанесения следующего слоя необходимо проводить процесс в указанной выше последовательности. При потенциале (100 В) происходит наиболее полная нейтрализация ионами аргона механизма образования дипольного слоя газовых молекул на поверхности распыления. В случае увеличения значения потенциала (>-100 В) возникает эмиссия вторичных электронов, способствующих усилению механизма образования числа газовых диполей на поверхности. При потенциале (90 сек) нецелесообразно, поскольку это уже практически не приводит к улучшению качества подготавливаемой поверхности. При потенциале мишени (-1,2 кВ) обеспечивается возникновение минимального количества рикошетных нейтральных атомов аргона и соответственно минимальный разогрев подложки. В описанном способе обеспечивается высокая чистота осаждаемой меди на границе с подложкой и повышенная адгезия ее на диэлектрических и проводящих подложках: поликоре ->20 МПа; ситалле ->19 МПа; латуни ->80 МПа при одновременно высокой коррозионной стойкости осаждаемой медной пленки, обусловленной значительным понижением в ней по сравнению с традиционным напылением содержания кислорода. 2) С целью дальнейшего ускоренного наращивания уже полученной ионно-плазменным распылением пленки разработан комбинированный (ионно-плазменный плюс термический) способ получения, когда после первичного нанесения описанным выше способом тонкого высокоадгезионного бесподслойного медного покрытия, не покрывая процесс ионно-плазменного напыления, дальнейшее ускоренное наращивание медного покрытия проводят одновременно ионно-плазменным и термическим испарением навесок меди, расположенных на молибденовом испарителе, выполненным в виде кольца-держателя диаметром (63±1)мм на расстоянии 15мм от подложки до требуемой толщины; затем процесс термического испарения меди прекращают и верхний слой медного покрытия продолжают напылять описанным выше ионно-плазменным методом. Молибденовое кольцо-испаритель представляет собой круг (см.рис.), выполненный из ленты, толщиной 0,2 мм, шириной 5 мм, на котором через равные (10 мм) отрезки сделаны снизу надрезы шириной 2,5мм и длиной 10 мм, отогнутые под углом 90° к вертикали. Молибденовую ленту располагали перпендикулярно поверхности медной мишени, что сводило к минимуму возможное тормозящее влияние ленты на движущийся мимо нее поток распыленных ионно-плазменным методом атомов мишени. На отогнутые части Mo-ленты помещали навески меди одинакового веса (0,25 г), что позволяло при указанных выше режимах напыления и геометрических размерах Mo-кольца получать осажденные термическим способом медные слои с малым разбросом по толщине и высокой адгезией к напыленному ранее ионноплазменным методом медному слою. С целью предотвращения возможного провисания кольца-испарителя оно дополнительно армировалось вольфрамовой проволокой (Æ0,3 мм) с внешней стороны. Рабочая температура в зоне испарения навесок меди составляла ~ 1700-1800 К, что способствовало сохранению необходимого поверхностного натяжения и предотвращало неконтролируемое стекание расплавленной навески меди с поверхности испарителя. В заявляемом способе новыми являются: 1) разработка технологических режимов создания необходимого по плотности и энергии потока ионов инертного газа; 2) подготовка поверхности и напыление ионно-плазменным методом бесподслойного высокоадгезионного медного покрытия в едином цикле; 3) комбинация методов ионно-плазменного и термического напыления для ускоренного наращивания толщины напыляемой пленки; 4) нанесение верхнего коррозионно-стойкого медного покрытия в едином технологическом цикле. Использование заявляемого способа обеспечивает по сравнению с существующими следующие преимущества: 1. Ликвидацию промежуточного этапа по нанесению хромового подслоя на диэлектрические подложки. 2. Увеличение величины адгезии меди к диэлектрическим подложкам в 10-15 раз по сравнению с традиционными термическим или 2-х электродным напылением на подложки. 3. Применение бесподслойного медного покрытия в полосковых элементах микросхем СВЧ диапазона повышает добротность их в 1,5-2,0 раза. 4. Увеличение адгезии термически напыленной меди к ионно-плазменному медному покрытию до величины 18-20 МПа за счет предотвращения появления на поверхности последнего атомов газа вследствие проведения в едином цикле ионно-плазменного и термического напыления. 5. Исключение операции по защите термически напыленной меди от окисления защитным Bі-Sn покрытием за счет проведенной на последней стадии ионно-плазменного осаждения меди на термически напыленную медь, что увеличивает общую коррозионную стойкость получаемой медной пленки и обеспечивает доброкачественную припайку к ней элементов микросхем после 6-ти месячной выдержки при комнатной температуре. 6. Одновременное (ионно-плазменное плюс термическое) напыление способствует помимо ускоренного наращивания (1 мкм/мин) медного покрытия также и уменьшению рыхловатости слоя термически осаждаемой меди за счет того, что благодаря упругим столкновениям при движении к подложке высокоэнергетических атомов меди, распыленных ионно-плазменным методом с термически распыленными атомами меди, кинетическая энергия значительной части последних перед осаждением существенно возрастает, обеспечивая при этом общее повышение плотности напыленного медного слоя. В таблице приведены экспериментальные результаты по заявляемому способу. Опыты №6-8 показывают преимущества ионно-плазменного способа получения высокоадгезионных бесподслойных медных покрытий на диэлектрических подложках. Однако скорость напыления при этом крайне низка. Опыты 1-3 полностью удовлетворяют решению заявляемого способа как по высоким механическим свойствам, так и по скорости напыления. Опыты 4-5, в которых не оптимизированы диаметр кольца-испарителя и расстояние до подложки, дают разброс по толщине пленки.