Введение к работе
Актуальность темы. Нитрид алюминия привлекает внимание разработчиков и технологов в области создания микроэлектронной аппаратуры благодаря сочетанию таких свойств, как высокие теплопроводность, электрическое сопротивление, твердость, химическая и радиационная стойкость. Кроме того, нитрид алюминия является хорошим пьезоэлектриком (коэффициент электромеханической связи до 1%) и широкозонным полупроводником (ширина запрещенной зоны 6,2 эВ), обладающим отрицательным сродством к электрону.
Поскольку синтезировать объемные монокристаллы AIN значительных размеров (> 20 мм) технически не представляется возможным, а характеристики керамики невос-производимы и уступают монокристаллам, особое внимание уделяется выращиванию пленок A1N и созданию слоистых структур на их основе.
В настоящее время пленки A1N используют в качестве защитных, изолирующих и буферных слоев в гибридных и полупроводниковых интегральных микросхемах.
Наибольшие перспективы применения пленок нитрида алюминия связаны с его высокой теплопроводностью (> 200 Вт/м-К при комнатной температуре), пьезоэлектрическими и полупроводниковыми свойствами, которые наилучшие у пленок с высокой степенью кристалличности и упорядоченным строением кристаллической фазы. Многослойные тешюотводящие подложки, состоящие из диэлектрических слоев AIN, нанесенных на металлическую основу, позволяют в широком диапазоне температур по эффективности теплоотвода превосходить оксид бериллия и алмаз. У нитрида алюминия наивысшая среди пьезоэлектрических материалов скорость распространения поверхностных акустических волн (~6 км/с), что позволяет создавать на основе слоистых звукопроводов подложка/А1Ы-пленка фильтры и линии задержки СВЧ-диапазона. А стабильность его свойств в условиях воздействия высоких температур и агрессивных сред обуславливает применение слоистых звукопроводов в датчиках температуры, давления, магнитного по-пя и др. Легированные соответствующей примесью пленки A1N могут быть использованы при изготовлении высокотемпературных полупроводниковых приборов, например, преобразователей УФ-излучения в напряжение на слоистой структуре алмаз/A1N, в которой A1N, легированный цинком, - полупроводник п-типа проводимости. Пленки A1N, ;одержащие до 25 вес.% Мо, проявляют эмиссионные свойства близкие к свойствам алмаза. Кроме того, на основе пленок A1N с высоким содержанием металлической фазы юзможно создание композиционных резистивных материалов.
Наиболее перспективным методом получения пленок A1N по строению и свойст->ам близких к монокристаллическим является реактивное ВЧ-магнетронное распыление. Этот способ позволяет в неравновесных условиях по нетангенциальному механизму вы-
ращивать слои A1N с упорядоченным строением на подложках из кристаллических аморфных материалов при низких температурах (< 573 К).
Интерес разработчиков электронной техники к вопросам формирования и усто чивости соединений, синтезируемых в сильнонеравновесных условиях, постоянно раст в связи с необходимостью понимания процессов фазообразования и создания материал с заданными свойствами, синтез которых другими методами невозможен. При промьв ленном внедрении слоистых структур на основе пленок A1N не следует недооценива значение фундаментальных исследований, ключевая роль в которых, наряду с физика* химиками и материаловедами, должна принадлежать и технологам. Весьма важным rbj ется установление взаимосвязи между технологией выращивания пленок A1N и измеї ниєм их строения и свойств. Следует понять необходимость исследований состава строения выращенных пленок. Для этой цели наиболее подходящими являются мето, рентгеновской и электронной дифракции, электронной микроскопии, оже-электроня спектроскопии и др.
Диссертация посвящена разработке методов и средств выращивания пленок Alt' заданными составом, строением и свойствами; установлению взаимосвязи между па] метрами процесса, конструкцией магнетронной распылительной системы и свойства выращиваемых пленок; использованию этих пленок в устройствах микроэлектрони что является актуальной проблемой.
Цель работы.
Исследование процесса выращивания на подложках различных материалов сл< A1N с упорядоченным строением и заданным составом; использование слоистых стр тур на основе пленок A1N в устройствах акусто- и микроэлектроники.
Поставленная цель достигнута:
разработкой конструкции магнетронной распылительной системы;
изучением влияния технологических факторов на строение и свойства (элект проводиость, теплопроводность, пьезоэлектрические характеристики) пленок A1N;
оптимизацией технологического процесса создания слоистых структур на оси пленок A1N;
исследованием процесса введения примесей металлов (Си, Mo, Sm, Ей, Ег, и др.) в пленки A1N при их выращивании и изучением состава, строения и свойств (эг тропроводность и катодолюминесценция) пленок;
использованием пленок A1N в качестве пьезоэлектрического слоя слоистого : копровода, диэлектрического и тешюотводящего слоя многослойных теплоотводяї подложек;
- разработкой технологии изготовления и испытанием линий задержки, датчиков
:мпературы на поверхностных акустических волнах и теплоотводящих подложек на ос-
)ве слоистых структур.
Научная новизна.
-
Предложена методика ВЧ-магнетронного распыления, позволяющая ограничить їласть горения и обеспечить стабильность ВЧ-разряда.
-
Исследовано влияние технологических параметров и факторов (ВЧ-мощности, мпературы и материала подложки, давления газа, расположения подложки относитель-> мишени, состава мишени, времени осаждения) на состав, строение и свойства полу-емых пленок. Оптимизирован процесс получения слоистых структур на основе пленок N.
-
Предложен способ создания электрического смещения на подложкодержателе. эказано влияние смещения на обратное распыление и на строение выращиваемых пле-»к A1N.
-
Получена экспериментальная зависимость состава, строения и свойств пленок N от вводимых примесей металлов.
-
Показана возможность управления условиями распространения поверхностных устических волн в многослойной структуре Gd3Ga50i2/(Y,Bi)3(Fe,Ga)5Oi2/AlN за счет :ешнего магнитного поля.
-
Впервые A1N использован в качестве теплоотводящего и диэлектрического слоя югослойных теплоотводящих подложек.
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается использовани-: современных методов и техники физического эксперимента, таких как:
просвечивающая и растровая электронная микроскопия;
электронография;
рентгеновская дифрактометрия и топография;
рентгеноспектральный анализ;
оже-электронная спектроскопия;
-. - инверсионная вольтамперометрия. Представленные в диссертации исследования выполнены в соответствии с плана-[ научно-исследовательских работ Марийского государственного технического универ-гета, а также по темам и договорам в области фундаментальных и прикладных иссле-ваний с Физико-техническим институтом РАН им. А.Ф.Иоффе (г. Санкт-Петербург), нкт-Петербургским государственным электротехническим университетом, НИИ АДАР" (НПО "Гранит", г. Санкт-Петербург) и др.
На защиту выносятся:
-
Конструктивно-технологические решения применения ВЧ-магнетронного ра пыления для выращивания пленок A1N и введения примесей в процессе их выращиваши
-
Результаты экспериментальных исследований влияния условий осаждения і состав, строение, электрофизические свойства пленок A1N и характеристики слоисть структур на их основе.
-
Результаты испытаний линий задержки и датчиков температуры на поверхнос ньпс акустических волнах и теплоотводящих подложек на основе слоистых структур і слоем A1N.
Практическая ценность работы
На основе проведенных исследований была разработаиа и реализована метода доработки серийного вакуумного оборудования, на котором выращивались слои A1N упорядоченным строением, стабильными характеристиками и с примесями металлов формируемом слое.
С использованием слоистых структур подложка/АМ-пленка разработаны, изготс лены и испытаны:
датчики температуры на основе линий задержки на поверхностных акустическ волнах с чувствительностью > 10"4 К"1;
теплоотводящие подложки, превосходящие характеристики подложек из ВеО W/алмаз.
Внедрение результатов работы
Материалы диссертационной работы использованы в следующих организациях:
-
Физико-технический институт РАН им. А.Ф.Иоффе (г. Санкт-Петербург) - і пользование конструкции магнетронной распылительной системы и методики реактиві го ВЧ-магнетронного распыления для выращивания пленок A1N и GaN с целью их щ менения для изготовления полевых транзисторов со скрытым р-n затвором.
-
Центр технологий микроэлектроники (г. Санкт-Петербург) - использование т нологии получения пленок A1N ВЧ-магнетронным распылением для формирования щитных и изолирующих покрытий.
-
Закрытое акционерное общество Центр новых технологий "ОПТРОН" (г. Мо ва) - использование установки КАТОД-1М, модернизированной с целью уменьгаеі содержания примесей, возникающих от распыления элементов крепления мишени маг трона при выращивании пленок A1N.
-
Научно-производственная фирма "МИКРОС" (г. Москва) - использование бл питания при модернизации установки SCM 650 фирмы ALCATEL.
5. Акционерное общество закрытого типа "ТЕХНОМАП" (г. Москва) - использо-
іание в установке УВН-75Р-3 специально разработанных ВЧ-генератора и планарного
іагнетрона для выращивания пленок A1N.
6. Государственное предприятие Учебно-научно-производственный центр
ПОИСК" (г. Йошкар-Ола) - использование разработанных магнетронов в установках
/РМ 3.279.014 и УРМ 3.279.036 для вьфащивания пленок A1N.
7. Марийский государственный технический университет (г. Йошкар-Ола) - ис-
юльзование специально созданной для вьфащивания пленок A1N экспериментальной
становки ВЧ-магнетронного распыления в учебном процессе.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научной :онференции МарПИ, Йошкар-Ола (1987); 4 Всесоюзной,научно-технической конференцій "Вакуумные покрытия 87", Рига (1987); 2 Всесоюзной научно-технической конфе-іеіщии "Технология и конструирование ГИС и вопросы их производства", Ярославль 1988); Всесоюзном научно-техническом совещании "Микроэлектронные датчики", Уль-новск (1988); научно-технической конференции "Низкотемпературные технологические гроцессы в электронике", Ижевск (1990); 1 Всесоюзном межотраслевом совещании Применение различных методов распыления для вьфащивания тонких пленок", Йошкар-)ла (1990); IV Всесоюзной конференции "Актуальные проблемы получения и примене-[ия сегнето-, пьезо-, пироэлектриков и родственных им материалов", Москва (1991); на-чно-техническом совещании "Физико-химические процессы в технологии производства адио- и микроэлектронной аппаратуры", Челябинск (1991); ІІ-ІХ Международных сим-юзиумах "Тонкие пленки в электронике": Ижевск (1991), Йошкар-Ола (1992, 1994, 1996), 'лан-Удэ (1993), Херсон, Украина (1995), Харьков, Украина (1997), Иваново (1998); ^Межрегиональной школе-семинаре "Устройства акустоэлектроники", Пенза (1992); Международной научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика", еленоград (1993); Республиканской научно-методической конференции "Прикладные ^следования в электронике и новые технологии обучения студентов", Йошкар-Ола 1996); 3 и 4 Российских конференциях "Высокие технологии в промышленности Росин", Москва (1997, 1998); Международной конференции "Алмазы в технике и электро-ике", Москва (1998); 2 Международном симпозиуме "Вакуумные технологии и оборудо-ание", Харьков, Украина (1998).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ, включающих 18 статей и 12 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 69 наименований. Работа содержит 198 страниц основного текста, включающих 47 таб-иц и 67 рисунков.
