1. Основнітерміни та означеня в технології електроніки. Технологічність виробів та
 Скачать 2.01 Mb.
|
Плазмохімічне та іонно-хімічне травлення матеріалів для створення мікронних і субмікронних структур. Іонне травлення Сутність іонного травлення полягає у видаленні поверхневих верств матеріалу за його бомбардуванню потоком іонів інертних газів високої енергії. У цьому прискорені іони у зіткненні з поверхнею пластин чи підкладок передають їх атомам свою енергію та імпульс. Іонне травлення - процес видалення забруднень разом із розпилюванисм в вакуумі поверховим шаром оброблюваної поверхні у її бомбардуванню прискореними іонами інертного газу. Якщо під час зіткнення енергія, передана атома, перевищує енергію хімічного зв'язку атома в решітці, а імпульс, який посилає атома, спрямований назовні від поверхні, це відбувається усунення атомів, їх відрив поверхні - розпорошення. Задля реалізації цього процесу потрібні певні вакуумні умови, а іони повинні мати певними значеннями енергій, достатніми для розпорошення матеріалів. Різновидом іонного травлення є іонно-хімічне (реактивне) травлення, заснований на запровадження у плазму хімічно активного газу, зазвичай кисню. У цьому змінюється швидкість травлення внаслідок хімічного взаємодії між підкладкою і доданим газом. Плазмохімічне травлення На відміну від іонного плазмохімічне травлення ґрунтується на руйнуванні оброблюваного матеріалу іонами активних газів, що утворюються в плазмі газового розряду і що вступають хімічну реакцію з атомами матеріалу при бомбардуванні поверхні пластин чи підкладок. У цьому молекули газу розряду розпадаються на реакційно-здатні частки - електрони, іони і вільні радикали, хімічно які з поверхнею травлення. Через війну хімічних реакцій утворюються леткі сполуки. Для травлення кремнію та йогосполук (оксиду і нітриду кремнію) найчастіше використовують високочастотну плазму тетрафториду вуглецю (можливо застосування гексафториду сірки і фреону. При взаємодії цих газів з електронами плазми відбувається розкладання й утворяться іонів фтору та інших радикалів. Іони фтору, а деяких випадках і радикал активно взаємодіють із кремнієм, створюючи леткі сполуки. Характерно, що частки, що у травленні, травлять різні матеріали з різними швидкостями. У цьому ґрунтується властивість плазмохімічного травлення. Концентрація обумовлюється швидкістю генерації атомів, що визначається конструкцією і потужністю реактора, і навіть часом життя частинок в реакторі, що залежить від швидкості газового потоку, тиску і умов рекомбінації частинок. Швидкість травлення сильно залежить від температури; її визначається фізичними властивостями матеріалу що травиться та газовим складом плазми. Так, добавка кисню до чистої плазмі підвищує швидкість травлення. У плазмі фторовмісних газів можна травити деякі метали. Для травлення застосовують також плазму хлорвмісних газів. Для видалення органічних матеріалів використовують кисневу плазму. 13. Методи нанесення матеріалів на підкладки для створення мікроелектронних структур. Їх порівняльна характеристика В процесі отримання мікроелектронних структур нерідко розв’язують задачі, в яких за наперед відомим коефіцеєнтом дифузії визначають деякі дифузійні характеристики: розподіл концентрації домішки, товщину дифузійного шару, потік дифузанта через яку- небудь поверхню, кількість введеної домішки і т.д. Для цього потрібне розв’язання рівняння другого закону Фіка. Практично при створенні напівпровідникових ІМС становлять інтерес два випадки дифузії: з нескінченного і скінченного джерела домішки. Дифузія з нескінченного (постійного) джерела домішки в напівпровідникову пластину, діаметр якої значно більший її товщини, відбувається на глибину, істотно меншу товщини пластини. Під нескінченним (постійним) джерелом розуміють такий стан системи, коли кількість домішки, що йде з приповерхневого шару напівпровідника в його об'єм, рівна кількості домішки, що надходить в приповерхневий шар. Таким є джерело домішки з нескінченно великим вмістом атомів, які в ньому і у поверхні напівпровідникової пластини мають істотно більші швидкості, ніж в об'ємі пластини. Початкову і граничну умови в цьому випадку записують таким чином: , (9.8) де – відстань від поверхні; – координата поверхні, через яку відбувається дифузія; – приповерхнева концентрація домішки, підтримувана постійною протягом всього процесу; –концентрація дифундуючої домішки на будь-якій глибині у будь-який час; – час дифузії. За цих умов розв’язання рівняння другого закону Фіка має вигляд , (9.9) де – змінна інтеграції. Другий член в квадратних дужках є виразом функції помилок, тому рівняння (9.9) можна записати таким чином: (9.10) або , (9.11) де – символ, що означає доповнення функції помилок до одиниці. Формула (9.11) описує розподіл концентрації домішки залежно від координати (глибини) і часу (рис. 9.3,а). Рисунок 9.3 – Графіки розподілу концентрації домішки в напівпровіднику при ; а – за законом доповнювальної функції помилок; б – за законом Гауса З формули (9.11) виходить, що розподіл домішки визначається її приповерхневою концентрацією , коефіцієнтом дифузії і часом дифузії . Якщо процес дифузій перервати, а потім відновити, то загальний розподіл домішки . (9.12) У цьому виразі індекси 1 і 2 відносяться відповідно до першої і другої стадій процесу. Максимальне значення приповерхневої концентрації (9.10),(9.11) обмежується межею розчинності домішок, дифундуючих в напівпровідник. Густина потоку домішкових атомів, проникаючих в напівпровіднику через поверхню при = = . (9.13) Кількість домішок дифундуючих в напівпровідник за час . (9.14) Дифузія зі скінченного (обмеженого) джерела має місце, коли граничною умовою є абсолютно непроникна поверхня. При цьому потік через поверхню ( ) відсутній при всіх значеннях , тобто Умови дифузії зі скінченного джерела домішки одержують таким чином: в тонкому приповерхневому шарі напівпровідникової пластини створюють надмірну концентрацію домішки (заганяння), після чого поверхню пластини покривають матеріалом із значно меншим, ніж у напівпровідника, коефіцієнтом дифузії (наприклад, ) і піддають нагріву, під час якого відбувається дифузія домішки в глибину пластини (розгін), а на її поверхні (при х = 0) потікдомішки практично рівний нулю протягом будь- якого часу. При цьому початкові умови для домішкового розподілу такі: (9.15) За цих умов розв’язок рівняння другого закону Фіка має вигляд (9.16) де Q – загальна кількість домішки в напівпровідниковій пластині у будь- якиймоментчасу. Рівняння (9.16) є функцією розподілу (закон) Гауса і показує розподіл концентрації домішки залежно від глибини і часу (рис. 9.3, б). Порівняння рівнянь (9.11) і (9.16), що описують розподіл домішки для двох основних граничних умов, показує: в першому випадку концентрація домішки на поверхні пластини залишається постійною, а усередині пластини весь час підвищується і при ; у другому випадку концентрація домішки на поверхні пластини постійно зменшується і при t→∞ загальна кількість домішки в пластині Q прямує до рівномірного розподілу на всій її глибині. Дифузія з нескінченного джерела проводиться в основному при ізоляції напівпровідникових структур і формуванні емітерних областей, а дифузія зі скінченного джерела – при створенні багатошарової структури і формувань базових областей транзисторів, а також при ізоляції структур. 14.Епітаксія напівпровідникових матеріалів Епітаксія — метод осадження монокристалічної плівки на монокристалічну підкладку, при якому кристалографічна орієнтація шару, який осаджують, повторює кристалографічну орієнтацію підкладки. Осаджена плівка зветься епітаксійною плівкою або епітаксійним шаром. Епітаксійні плівки можуть бути вирощені з газоп одібних або рідких прекурсорів. Оскільки підкладка виконує роль затравочного кристала, осаджена плівка переймає структуру та орієнтацію ґратки, що є ідентичними до ґратки підкладки. Це є відмінністю від методів осадження тонких плівок, в яких осаджуються полікристалічні або аморфні плівки, навіть на монокристалічних підкладках. Різновидиепітаксії. У випадкуосадженняплівки на підкладку такого самого складу процесзветьсягомоепітаксією. У протилежномувипадкувінзветьсягетероепітаксією. Гетеротопотаксія – процесподібний до гетероепітаксії, окрім того факту щорісттонкоїплівки не обмежуєтьсядвовимірним ростом. Тут підкладка схожа до тонкоплівковогоматеріалулише за структурою Епітаксія є єдиним доступним методом вирощування високоякісних кристалів для більшості напівпровідникових матеріалів, включаючи такі технологічно важливі матеріали, як кремній-германій, нітрид галію, арсенід галію, фосфід індію та графен. Епітаксія також використовується для вирощування шарів попередньо легованого кремнію на боках кремнієвих пластин перед їх використанням у напівпровідникових приладах. Це є типовим для напівпровідникових приладів, як ті, що використовуються в електрокардіостимуляторах, контролерах торговельних автоматів, автомобільній електроніці, та ін. Епітаксія можлива із будь-якої фази: парової (парофазна епітаксія, ПФЕ), рідкої (рідкофазна епітаксія, РФЕ), твердої (твердофазна епітаксія, ТФЕ). Найбільш розповсюдженими є ПФЕ та РФЕ. Епітаксійний кремній зазвичай вирощують за допомогою парофазної епітаксії, різновидом хімічного осадження з парової фази. Також використовують молекулярно- променеву та рідкофазну епітаксію (МПЕ та РФЕ), зазвичай для складних напівпровідників. Твердофазна епітаксія використовується переважно для виправлення пошкоджень кристалів. К 15. Нанесення тонких плівок методом іонного магнетронного розпилення. Прагненнязнизититискробочого газу в камері і збільшитишвидкістьрозпиленнямішенейпризвело до створення методу магнетронногорозпилення. Один з можливихваріантів схем магнетронногорозпилювача представлений на рис. 4. Рис. 4 Схемаустановкидлямагнетронногорозпилення Цифрамипозначені: 1 - мішень, щоодночасноєкатодомрозпилювальноїсистеми, 2 - постійний магніт , якийстворюємагнітнеполе, силовілініїякогопаралельніповерхнімішені; 3 - кільцевоїанод. Вище анода розташовуєтьсяпідкладка (на малюнку не показана), на якійформуєтьсяплівка з матеріалумішені. Відмінноюособливістю магнетронного розпилювача є наявністьдвохсхрещенихполів - електричного і магнітного. Якщо з мішені-катода буде випускатиелектрон (за рахуноквторинноїелектронноїемісії), то траєкторіяйогоруху буде визначатисядією на ньогоцихполів. Підвпливомелектричного поля електронпочнерухатися до анода. Діямагнітного поля на рухомий заряд призведе до виникненнясили Лоренца, спрямованої перпендикулярно швидкості. Сумарнадіяцих сил призведе до того, що в результатіелектрон буде рухатисяпаралельноповерхнімішені за складною замкнутоїтраєкторії, близькій до циклоїди. Важливим тут є те, щотраєкторіярухузамкнута. Електронбудутьрухатися по ній до тих пір, поки не відбудетьсякільказіткненьйого з атомами робочого газу, в результатіякихвідбудетьсяїхіонізація, а сам електрон, втратившишвидкість, переміститися за рахунокдифузії до аноду. Таким чином, замкнений характер траєкторіїрухуелектронарізкозбільшуєймовірністьйогозіткнення з атомами робочогогазу.Цеозначає, щогазорозрядна плазма можеутворюватися при значнобільшнизькомутиску, ніж у методі катодного розпилення. Значить і плівки, отримані методом магнетронного розпилення, будутьчистішими. Іншаважлива перевага магнетронних систем зумовленотим, щоіонізація газу відбуваєтьсябезпосередньопоблизуповерхнімішені. Газорозрядна плазма локалізованапоблизумішені, а не "розмазана" в міжелектродномупросторі, як у методі катодного розпилення. У результатірізкозростаєінтенсивністьбомбардуваннямішенііонамиробочого газу, тим самим збільшуєтьсяшвидкістьрозпиленнямішені і, як наслідок, швидкість росту плівки на підкладці (швидкістьдосягаєкількадесятківнм / с). Наявністьмагнітного поля не даєелектронам, щоволодієвисокоюшвидкістю, долетіти до підкладки, не зіткнувшись з атомами робочого газу. Тому підкладка не нагріваєтьсявнаслідокбомбардуванняїївториннимиелектронами. Основнимджереломнагрі вупідкладки є енергія, щовиділяється при гальмуванні і конденсаціїзагроженихатомівречовинимішені, в результатічого температура підкладки не перевищує 100 - 200 ° С. Цедаєможливістьнапилюютьплівки на підкладки з матеріалів з малою термостійкістю (пластики, полімери, оргскло і так далі). 16. Нанесення тонких плівок методом електронно-променевого випаровування. Електронний промінь – це спрямований промінь з вільних електронів, які рухаються в просторі між двома електродами. Електронний промінь можна створити у вакуумі шляхом подачі постійної напруги між електродом розжарення під негативним потенціалом (катод) і не нагрітим електродом (анодом) (рис. 1.7). Рис. 1.7. Створення електронного променя. UH – напруга нагріву (10В), IH – струм нагріву ( 30 А), UB – прискорююча напруга ( 10 кВ), IE– емісійний струм, A - анод, K - катод, V – вакуумна камера) Швидкість електронів, а отже і потужність електронного променя зростає при зростанні прискрюючої напруги. Збільшення струму нагрівання катода ІН, який підвищує температуру і так збільшує кількість вільних електронів, збільшує емісійний струм. У більшості випадків потужність електронного променя керується зміною величини струму нагрівання. Електричне поле Відомо, що негативно заряджені електрони відштовхуються від об’єктів, які знаходяться під негативним потенціалом. Цей ефект використовується для фокусування електронного променя (рис. 1.8). Рис. 1.8. Фокусування електронного променя за допомогою електричного поля. W – електричний блок фокусування електронного променя Магнітне поле. Магнітне поле також може бути застосоване для керування електронним променем. Електрони відхиляються за годинниковою стрілкою відносно напрямку магнітного потоку (від північного полюса до південного), як зображено на рис. 1.9. Чим вище прискорююча напруга тим більше радіус кривизни електронного променя, чим більша напруженість магнітного поля тим менший радіус кривизни. Конструкція електронно-променевого випаровувача Основне завдання електронно-променевого випаровувача полягає у створенні, фокусуванні та спрямуванні електронного променя у потрібну точку для розплавлення і випаровування матеріалу і його подальшого осадження на підготовлені підкладки у вигляді тонкої плівки. До основних компонент більшості електронно-променевих випаровувачів можна віднести наступні: вольфрамовий катод з електричними контактами, електричний блок для фокусування електронного променя, анод і магнітний блок для керування та фокусування електронного променя (рис. 1.10). Рис. 1.9. Відхилення електронного променя при проходженні через магнітне поле Рис. 1.10. Електронно-променевий випаровувач. K - катод, W – електричний блок для фокусування, A – анод, M – постійний магніт, P – полючи магніту, T - тигель, HVS – нагрівач катоду, HVG – високовольтне джерело живлення, E – генератор електронного променя) Електронно-променеве випаровування також передбачає наявність матеріалу для випаровування, який, як правило, розміщується у мідному тиглі з водяним охолодженням. Водяне охолодження обов’язкове для запобігання розплавлення матеріалу тигля під дією електронного променя. Керуванням положенням електронного променя Точка, в якій електронний промінь бомбардує матеріал для випаровування, називається точкою зіткнення. Для забезпечення можливості керування положення точки зіткнення відносно тигля використовують два електромагніти, зорієнтовані перпендикулярно один до одного, а також постійний магніт. Постійний магніт забезпечує захист електронно- променевого випаровувача та вакуумної камери від теплової дії електронного променя у випадку пошкодження електромагнітів. Для керування магнітним полем електромагнітів використовують окремий керуючий електричний модуль. Останній стабілізує струм через котушки електромагнітів для забезпечення постійного положення точки зіткнення, незважаючи на зміну зовнішніх умов, наприклад, температури електронно-променевого випаровувача К17.Нанесенняматеріалу на підкладки методом осадженняізгазовоїфази без та з плазмовоюпідтримкою (методи CVD та PE CVD). Основу методов составляют процессы (CVD, PECVD) формирования покрытий при пиролизе (водородном восстановлении) газообразных химических соединений из паровой фазы различных элементов в условиях атомно-ионного модифицирования поверхности и возбуждения неравновесной низкотемпературной плазмы с температурой активных частиц, достигающей миллионов градусов. Формирование покрытий CVD методом происходит за счет протекания на нагретой поверхности изделий гетерогенных процессов разложения (водородного восстановления) металлсодержащих химических соединений (карбонилы металлов Fe, Mo, Cr, W, металлорганическая жидкость "Бархос", иодидные или хлоридные соединения) находящихся в реакционном объеме в газообразном состоянии. Благодаря высокой подвижности и интенсивности процессов массопереноса, присущих газообразным средам, метод CVD покрытий обладает исключительной "кроющей" способностью. Возможность обеспечивать высокие массовые потоки металлсодержащего соединения в газообразном состоянии к покрываемой поверхности позволяет реализовать высокую производительность процессов нанесения покрытия, в которых скорость роста может достигать от нескольких сотен микрон в час до нескольких миллиметров в час. Высокая поверхностная подвижность адсорбированных металлсодержащих соединений позволяет в CVD процессах получать покрытия с плотностью, близкой к теоретической, при температурах 0,15-0,3 от температуры плавления материала, что недоступно для других методов нанесения покрытий, а также формировать совершенные эпитаксиальные покрытия. Относительная простота очистки от большинства примесных элементов на стадии получения металлсодержащих соединений благодаря избирательности процессов химического взаимодействия исходных продуктов на нагретой поверхности, дополнительная дистилляция в процессе его перевода в газообразное состояние из твердого или жидкого состояния, в котором эти соединения обычно находятся при нормальных условиях, обусловливают высокую степень чистоты получаемых CVD методом покрытий. Мощным инструментом воздействия как на кинетику CVD процессов нанесения покрытий, так и свойства покрытий является плазменная поддержка (PECVD). Применение различных приемов возбуждения плазмы в реакционном объеме и управление ее параметрами позволяет интенсифицировать процессы роста покрытий, сдвигать их в область более низких температур, делает более управляемыми процессы формирования заданного микрорельефа и структуры покрытия, примесного состава и других характеристик покрытия Таким образом, среди известных методов нанесения покрытий высокого качества методы CVD и PECVD находятся вне конкуренции в большинстве случаев, когда необходимо: Наносить равномерные по толщине, высокоплотные покрытия на изделия сложной формы с развитой поверхностью, в том числе, на внутренние поверхности, протяженные и глухие полости, отверстия, трубы с отношением l/d>>1. Получать покрытия из тугоплавких, труднообрабатываемых металлов, сплавов и соединений с плотностью близкой к теоретической и высокой чистоты, формировать из них самонесущие изделия различной геометрии. Наносить покрытия на порошки и другие сыпучие материалы, пропитывать (уплотнять) пористые структуры. Использование газофазных и плазмохимических методов в комплексе с другими методами нанесения покрытий и модифицирования поверхности (методов ионного легирования, имплантации, вакуум-плазменными, диффузионными, вакуум-термическими методами и др.) в еще большей мере расширяет возможности создания принципиально новых материалов и покрытий. Терм.СVDc подогревом стен. Усиленый плазмой CVD |