В ходе работы были измерены механические напряжения пленок карбида кремния, полученных методом магнетронного распыления. Рассмотрено влияние бомбардировки заряженными частицами поверхности растущей пленки карбида кремния на механические напряжения. Измерены механические напряжения однослойных мембран из нитрида кремния и композиционных мембран на основе плёнок нитрида кремния и карбида кремния. Показано, что при использовании заземлённой сетки при осаждении пленок карбида кремния механические напряжения в них значительно снижаются.
Ключевые слова: плёнки карбида кремния, микромеханические мембраны, механические напряжения, магнетронное осаждение
Для повышения чувствительности в датчиках, изготовленных на основе микромеханических тонкоплёночных мембран, необходимо снижать механические напряжения в слоях, входящих их в состав.
Преимуществами плёнок карбида кремния в конструкциях микромеханических преобразователей мембранного типа являются их температурная стойкость и химическая инертность. Но при разработке подобных конструкций следует учитывать, что пленки карбида кремния обладают высокими механическими напряжениями, которые необходимо или компенсировать напряжениями противоположного знака, или подбирать условия формирования пленки с целью снижения напряжений. При формировании плёнок карбида кремния плазмохимическими методами на механические напряжения в них существенно влияют такие параметры процесса осаждения, как температура подложки, давление рабочего газа, а также остаточное давление в камере при осаждении. [1]
В планарной магнетронной распылительной системе бомбардировка осуществляется вторичными электронами, вылетающими из центральной части магнетрона, в которой отсутствует удерживающее магнитное поле, влияющее на траектории движения электронов. [2] Так как при формировании микромеханических композиционных мембран пленка SiC растет на изолирующей поверхности, то с течением времени может происходить накопление отрицательного заряда на поверхности подложки, что может приводить к вытягиванию ионов из плазмы и дополнительной ионной бомбардировке поверхности растущей пленки. Из-за данного процесса возможно внедрение примеси в пленку карбида кремния, которая приводит к возникновению высоких механических напряжений.
Актуальность этого исследования определяется необходимостью выявления факторов, которые влияют на формирование механических напряжений в плёнках карбида кремния, полученных магнетронным методом.
Описание эксперимента.
В данной работе в качестве базовых мембран были использованы мембраны на основе Si3N4. Пленки SiC осаждались уже на готовые мембраны. Таким образом были сформированы композиционные мембраны на основе пленок Si3N4 и SiC. Размер исследуемых структур 3×3 мм.
Плёнки карбида кремния были получены методом магнетронного осаждения, путем распыления одной мишени из карбида кремния. Толщина пленок SiC равна 0,87 мкм, а толщина Si3N4–0,2 мкм.
Для исследования влияния бомбардировки заряженными частицами поверхности растущей плёнки карбида кремния на её механические напряжения использовалась сетка с нулевым потенциалом.
Шаг сетки, используемой в данной работе, составлял 1 мм, а расстояние до образца 8 мм (при расстоянии от катода до подложки 80 мм). Материал сетки — нержавеющая сталь.
В ходе сравнительного эксперимента на два образца плёнки карбида кремния осаждались в одном технологическом процессе. Над одним из образцов была закреплена сетка, второй формировался в условиях бомбардировки заряженными частицами.
Рис. 1. Схема эксперимента: а — формирование плёнки карбида кремния на микромеханических мембранах (стандартный режим); б — использование дополнительной сетки
Такая постановка сравнительного эксперимента позволила исключить посторонние факторы.
Полученные результаты иобсуждение.
Механические напряжения в пленках карбида кремния, полученных в отсутствии сетки, распределены неравномерно. На рисунке 2 (а) показано, как распределены механические напряжения в пленках карбида кремния, полученных без использования сетки, в зависимости от положения на образце. Наибольшие значения механических напряжений соответствуют области распыления на мишени.
Полученное распределение может быть объяснено бомбардировкой заряженными частицами поверхности растущей плёнки, которая в области на подложке приближенной к области локализации плазмы у поверхности мишени, интенсивнее.
Рис. 2. Распределение механических напряжений в пленках SiC по образцу, значения указаны в МПа: а — распределение механических напряжений в плёнке карбида кремния по подложке в стандартном режиме осаждения плёнки; б — распределением механических напряжений в плёнках карбида кремния по подложке при использовании дополнительной сетки при осаждении
На рисунке 2 (б) показано полученное в ходе данной работы распределение механических напряжений в пленках карбида кремния, полученных при использовании дополнительной сетки, в зависимости от положения на образце. Сетка не полностью закрывала образец. Первые 2 вертикальных ряда мембран находились вне сетки.
На рисунке 2 показано, что механические напряжения в пленках SiC у края сетки близки к нулю и их значение на различных мембранах меняется незначительно в сторону отрицательных или положительных напряжений.
Таким образом, выявлено, что существует некоторое влияние «края сетки», при котором наблюдается изменение механических напряжений в плёнках карбида кремния.
Результаты определения механических напряжений в пленках карбида кремния при использовании дополнительной сетки и без нее представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты измерения механических напряжений мембран
|
Механические напряжения двухслойной мембраны Si3N4— SiC, МПа |
Механические напряжения пленок SiC, МПа |
|
|
Без использования сетки |
290 |
150 |
|
С использованием сетки |
215 |
70 |
Погрешность измерений не превышает 10 %.
Для сравнения была выбрана область на подложке, соответствующая области локализации плазмы у поверхности мишени. Не учитывались механические напряжения мембран, расположенных у края сетки.
Механические напряжения, возникающие в плёнках карбида кремния, полученных магнетронным методом без использования сетки, выше механических напряжений в плёнках карбида кремния, полученных с сеткой.
Полученные результаты свидетельствуют, что при формировании плёнок карбида кремния магнетронным методом присутствует бомбардировка растущей плёнки заряженными частицами, которая оказывает влияние на механические напряжения в плёнке. Уменьшить бомбардировку, а, следовательно, и механические напряжения, удаётся за счёт использования сетки с нулевым потенциалом.
Заключение.
В ходе данной работы было показано, что использование дополнительной сетки с нулевым потенциалом при осаждении слоёв карбида кремния магнетронным методом позволяет уменьшить влияние бомбардировки растущей плёнки заряженными частицами и снизить их механические напряжения. Это позволит создавать на основе плёнок карбида кремния высокочувствительные элементы для микромеханических датчиков.
Литература:
- Физико-технологические основы управления механическими напряжениями в тонкопленочных композициях микромеханики: дис. канд. тех. наук: 05.27.06. / Асташенкова Ольга Николаевна. — СПб, 2015. — С. 62–65.
- Современные методы высоковакуумного напыления и плазменной обработки тонкопленочных металлических структур. Вдовичев С. Н. Электронное учебно-методическое пособие. — Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2012. — с. 41–49.
