дисс.МАГИСТРА. Оптимизация процесса плазмохимического травления монокристаллического кварца
 Скачать 1.74 Mb.
|
|
1.1.2.3 Коронный разряд Коронный разряд возникает при относительно высоких давлениях и тех случаях, когда поле в разрядном промежутке неравномерно вследствие малого радиуса кривизны одного из электродов (Рисунок 1.4 ). Ионизация газа и его свечение происходят в сравнительно узком слое около закругленного электрода. Данный слой носит название – коронирующий. Во внешней области ток переносится только частицами одного знака. При увеличении напряжения между электродами размер и яркость короны увеличиваются, а в момент когда корона достигает другого электрода, разряд переходит в искровой, именно из-за этого такой тип разряда имеет название «незавершенный пробой газового промежутка». Зачастую такой разряд можно наблюдать на линиях высоковольтных электропередач. [3] Рисунок 1.4. Схема коронного разряда. 14 1.1.2.4 Искровой разряд Искровой разряд отличается от других видов разряда, тем что является прерывистым, даже при использовании источника постоянного напряжения. Внешне искровой разряд напоминает яркий пучек полос (Рисунок 1.5), постоянно сменяющих друг друга. Эти святящиеся полосы – это искровые каналы, которые идут от обоих электродов.[3] Рисунок 1.5. Схема искрового разряда. Искровой разряд имеет высокий потенциал зажигания, однако после пробоя сопротивление резко уменьшается и через промежуток идет значительный ток. При малой мощности источника разряд может потухнуть, далее напряжение на разрядном промежутке возрастает и разряд может снова поджечься – такой процесс называют релаксационными колебаниями разряда. При большой емкости разрядного промежутка, искровые каналы ярко светятся и имеют название конденсированного искрового разряда. При наличие между электродами препятствия искра его пробивает, образуя узкое отверстие. Доказано, что температура в искре может достигать значений в 12000 К. Образование в газе областей высокого давления носят взрывной характер и сопровождаются звуковыми эффектами ( потрескивание или гром). 15 Если расстояние между анодом и катодом мало, то искровой разряд может сопровождаться разрушением анода. Данный эффект используется на практике при точечной сварке и резке металлов. 1.1.2.5 Дуговой разряд Данный тип разряда был открыт в 1802 году В.Петровым. В зависимости от давления различают два типа дуги: высокого давления (P ≥ 1 атм) и низкого давления (P << 1 атм). Существуют различные типы дугового разряда : 1. Дуга с термоэлектронной эмиссией, катод которой разогревается разрядом, в дуга поддерживается самостоятельно 2. Дуга с термоэлектронной эмиссией, катод которой разогревается извне 3. Дуга с автоэлектронной эмиссией. В разрядах такого типа ярко видно пятно на катоде, которое двигается по поверхности электрода 4. Металлическая дуга Тлеющий разряд переходит в дуговой при увеличении тока разряда (Рисунок 1.6). В процессе увеличения тока катод сильно греется, что приводит к эмиссии электронов с поверхности катода по механизму термоэлектронной эмиссии. Возникает образование интенсивной локальной лавины и увеличению числа ионов, которые бомбардируют участок. Вследствие этого разряд стягивается на катоде, образуя пятно очень небольших размеров, которое носит название катодного пятна. [3] Рисунок 1.6. Схема дугового разряда. 16 Кроме термоэлектронной эмиссии в дуговых разрядах присутствует электростатическая эмиссия. Сильное испарение материала из которого изготовлен катод способствует появлению мощного электрического поля, в результате около катода образуется область повышенного давления пара. При этом средняя длинна пробега электронов уменьшается до малых величин порядка 10 -7 м, что создает поле в катодном участке со средней напряженностью в 10 8 В/м. Высокая температура газа и электронов является характерной для данного типа разряда, именно поэтому дуговой разряд получил широкое распространение в области сварки и резки металлов. Так же его применяют в процессах нанесения покрытий, в условиях, когда не важна чистота получаемых покрытий. 17 1.1.2.6 Периодические разряды. Плазма ВЧ и СВЧ разрядов. Конструкция реактора с двумя электродами, описанная выше, является не всегда удобной, так как электроды находятся непосредственно в контакте с плазмой. Это может приводить к тому, что на электроды в процессе может наноситься пленка, что в свою очередь приводит к увеличению нестабильности разряда и, в конце концов, к его затуханию. Так же всегда существует проблема загрязнений подложки материалом электродов, вследствие удаления частиц с поверхности электродов в процессе физического распыления или химических реакций с частицами плазмы. Избежать данных проблем, в том числе и полностью убрать электроды из зоны проведения процесса, позволяет использование периодических разрядов, возбуждаемых переменным электрическим полем. [2,3] Основные эффекты в таких разрядах определяются соотношением между частотами плазменных процессов и частотой приложенного поля. Рассмотрим три характерных случая. 1. Низкие частоты (до 10 2 – 10 3 Гц). При таких частотах ситуация близка к той, что реализуется в постоянном электрическом поле. Однако если частота гибели зарядов ν d меньше частоты поля ω (ν d ≥ ω), заряды успевают исчезнуть раньше, чем величина поля достигнет значения достаточного для поддержания разряда [1]. Таки образом за время изменения поля заряд будет дважды гаснуть и зажигаться. Соотношение между током и напряжением горения соответствует статической ВАХ разряда (Рисунок 1.7, кривая 1). 2. Промежуточные частоты. Когда частоты плазменных процессов соизмеримы (ν d ≤ ω), состояние разряда не успевает следить за изменением питающего напряжения. В вольтамперной характеристике появляется гистерезис (Рисунок 1.7 , кривая 2) 3. Высокие частоты. При условии (ν d << ω) за полупериод состояние заряда не успевает измениться, концентрация электронов 18 практически неизменна. ВАХ становится линейной (Рисунок 1.7, кривая 3). Рисунок 1.7. ВАХ периодических разрядов: 1 - статическая ВАХ, 2 - ВАХ в переходной области частот, 3 - Установившаяся динамическая ВАХ. В технологии диапазон используемых частот мал. Это связанно с тем, что работающие установки способны создавать радиопомехи. Были выделены несколько частот, самыми распространёнными из которых являются 13,56 МГц (ВЧ разряды) и 2450 МГц (СВЧ разряды). ВЧ разряды разделяют по способам возбуждения, которые разделяются по признаку того замыкаются ли линии электрического поля или нет. К первой группе относят индукционные разряды (часто в литературе обозначается ICP - inductively coupled plasma), ко второй емкостные разряды (CCP - Capacitively coupled plasma). Обе технологии применяются в микроэлектронной промышленности. Существует различные способы возбуждения ВЧ разряда (Рисунок 1.8), которые обуславливают различные типы реакторов необходимых для технологии. 19 Рисунок 1.8. Способы возбуждения ВЧ разряда: а-емкостное возбуждение с внешними электродами; б - индукционное возбуждение с внешними электродами; в - емкостное возбуждение с внутренними электродами. Обозначения: 1 - корпус реактора, 2 – электроды, 3 – плазма, [3] В СВЧ диапозоне (ω>10 9 Гц), надо учитывать специфичность распостранения электромагнитных волн. В установках используются резонаторы (колебательный контур), которые могут представлять из себя прямоугольные волноводы (Рисунок 1.9, а), перпендикулярно к стенкам которого вставлен реактор, выполненный из материалы с низкими диэлектрическими потерями на частоте возбуждения, бывают так же резонаторы цилиндрической формы (Рисунок 1.9, б) или резонатором может выступать сам реактор (Рисунок 1.9 , в) 20 Рисунок 1.9. Способы возбуждения СВЧ разрядов. [3] В отличие от тлеющего разряда постоянного тока, плазма ВЧ разряда нашла широкое применение в технологии и микроэлектронной промышленности. ВЧ и СВЧ разряды применяются в технологиях осаждения материалов, а так же для модифицирования поверхности различных материалов. Особо стоит обратить внимание на то, что ВЧ разряды получили очень широкое применение в технологии травления полупроводниковых и диэлектрических материалов, в частности кварца. [5-10] 21 1.1.3 Классификация процессов травления материала и взаимодействия частиц с поверхностью обрабатываемого материала. В газоразрядной плазме пониженного давления образуется множество частиц, которые обладают повышенной химической активностью – свободные атомы и радикалы, ионы, возбужденные состояния атомов и молекул. Процессы, происходящие в разрядах пониженного давления, могут быть квалифицированы следующим образом [2,3,5]: 1. Ионное травление (ИТ) – это процесс при котором поверхностные слои удалятся только за счет физического распыления (Рисунок 1.10). Процесс проходит с использованием высокоэнергетических ионов инертных газов (0,1 – 2,0 кэВ) [2]. Источником ионов служит плазма. Подразделяют два вида ИТ – ионно-плазменное травление (ИПТ) и ионно-лучевое травление (ИЛТ). В первом случае обрабатываемый материал находится в непосредственном контакте с плазмой, во втором материал удален от плазмы. Рисунок 1.10. Схематичное изображение процесса ионного травления. [3] 2. Плазмохимическое травление (ПХТ) – травление при котором поверхностные слои материалов удаляются только за счет химических реакций, с образованием летучих продуктов (Рисунок 1.11). Если материал находится в контакте с плазмой, то такой процесс носит название плазменное травление (ПТ). При таком виде травление процесс стимулируется низкоэнергетическими электронной и ионной 22 бомбардировками. В условиях отсутствия контакта с плазмой, которая используется как источник химически активных частиц (ХАЧ), процесс носит название радикальное травление (РТ). При таком процессе отсутствует ионная и электронная стимуляция [2]. Рисунок 1.11. Схематичное изображение процесса плазмохимического травления [3] 3. Реактивное ионное или ионно-химическое травление (ИХТ) удаляет слои с поверхности, как в результате химических реакций, так и в результате физического распыления высокоэнергетическими ионами. Если обрабатываемый материал контактирует с плазмой, то такой процесс носит название реактивное ионно-плазменное травление (РИПТ). Скорость физического удаления материала вследствие ионной бомбардировки можно контролировать с помощью химических реакций. При отсутствии контакта с плазмой процесс носит название реактивно ионно-лучевое травление (РИЛТ). В таком процессе материал подвергается воздействию атомарных и ионов молекулярных, которые физически взаимодействуют с поверхностью. Кроме физического взаимодействия частицы в результате ударной диссоциации образуют ХАЧ, которые реагируют с поверхностью материала. 23 1.2 Кварц и его свойства Кварц и кварцевое стекло (SiO 2 ) нашли широкое применение в различных отраслях электроники и оптики, поскольку обладают высокой термической, механической и химической стойкостью, широкой спектральной областью прозрачности, низкой удельной электрической проводимостью и т.д. [1, 11] м Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты устанавливают взаимосвязь между электрической и механической подсистемами кристалла. Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при определенных деформациях кристалл поляризуется (поляризованность – электрический дипольный момент единицы объема вещества – становится отличной от нуля), а обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что под действием электрического поля кристалл деформируется. Пьезоэлектический эффект получил широчайшее применение в технике и промышленности: Прямой пьезоэффект используется [13]: 1. В пьезогенераторах электроэнергии разнообразного назначения: 1. В пьезозажигалках, для получения высокого напряжения на разряднике от движения пальца; 2. В контактном пьезоэлектрическом взрывателе; 2. В датчиках: 1. В качестве чувствительного к силе элемента, например, в силоизмерительных датчиках, датчиках давления жидкостей и газов; 2. В качестве чувствительного элемента микрофонах, гидрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, приёмных элементов сонаров ; Обратный пьезоэлектрический эффект используется: 24 1. В акустических излучателях: 1. В пьезокерамических излучателях звука; 2. В ультразвуковых излучателях для увлажнителей воздуха, ультразвуковой гидроочистки; 3. В излучателях гидролокаторов; 2. В системах механических перемещений (активаторах): 1. В системах сверхточного позиционирования, например в системе позиционирования иглы в сканирующем туннельном микроскопе или позиционер перемещения головки жёсткого диска; 2. В адаптивной оптике, для изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала. 3. В пьезоэлектрических двигателях; 4. Для подачи чернил в струйных принтерах; Прямой и обратный эффект одновременно используются: 1. В кварцевых резонаторах, используемых как эталон частоты; 2. В пьезотрансформаторах для изменения напряжения высокой частоты. 3. В приборах на эффекте поверхностных акустических волн: 1. В ультразвуковых линиях задержки электронной аппаратуры; 2. В датчиках на поверхностных акустических волнах; 25 Монокристаллы кварца, обладающие особой чистотой (содержание примесей не должно превышать 1*10 -6 ), необходимы для изготовления современных и перспективных типов резонаторов и микрорезонаторов, которые применяются в высокостабильных и прецизионных генераторах, СВЧ и перестраиваемых генераторах, широкополосных высокочастотных фильтрах. 1.2.1 Кварцевый резонатор Кварцевый резонатор состоят из пьезоэлектрического материала, точно расположенного и ориентированного по отношению к кристаллографическим плоскостям. Эта подложка имеет одну и более пару электродов выполненных из проводящего материала, полученного методом вакуумного осаждения. Когда электрическое поле прикладывается между электродами, подложка начинает испытывать механические вибрации. [7] Кварцевые резонаторы получили широкое применение в различных частотных регуляторах благодаря уникальной комбинации свойств, таких как высокая добротность материала, стабильность, маленькие размеры и низкая стоимость. Различные материалы подходят для производства резонаторов, однако на протяжении многих лет именно кварцевые резонаторы полностью удовлетворяли потребности в частотных регуляторах. По сравнению с другими резонаторами, к примеру, колебательным контуром, механические резонаторы на основе монокристаллического кварца имеют ряд уникальных свойств [12]: 1. Свойства монокристаллического кварца чрезвычайно стабильны во времени, при температурных и климатических изменениях, а так же высокой повторяемостью свойств от образца к образцу. Акустические потери кварца очень малы, что выражается в очень высокой добротности кварцевых резонаторов – около 107 при 1 МГц. Смонтированные кварцевые резонаторы обычно имеют добротность от 26 десятков до сотен тысяч, что на несколько порядков лучше, чем стандартные колебательные контуры. 2. Второе ключевое свойство кварцевых резонаторов это стабильность при температурных изменениях. В зависимости от формы и ориентации кристаллической заготовки, можно получить различные режимы механических вибраций (Рисунок 1.12). За счет этого имеется возможность точно контролировать частотно-температурные характеристики в узких пределах. Самым распространённым кварцевым резонатором является АТ-срез, когда кварцевая заготовка представляет собой тонкую подложку, отрезанную под углом 35 о 15’ относительно оптической оси кристалла. 3. Третье важное свойство монокристаллического кварца связанно со стабильностью его механических свойств. Точные кварцевые резонаторы, которые производятся под строгим контролем и в жестких условиях, уступают только атомным часам в частотной стабильности и точности.[12] Рисунок 1.12. Условные обозначения режимов механических колебаний кварцевых резонаторов. А – изгиб, Б –растяжение, В – сдвиг по контору, Г – сдвиг по толщине 27 Различные виды срезов пластин кварца по отношению к кристаллографическим осям кварцевого кристалла, применяющихся при изготовлении кварцевых резонаторов, приведены на Рисунок 1.13. Рисунок 1.13. Виды срезов кварца по отношению к осям кристалла [12]. 1.2.2 Получение монокристаллического кварца. Синтетические монокристаллы кварца получаются в автоклавах (Рисунок 1.14) вертикального типа (печи высокой температуры и давления), с использованием гидротермального метода синтеза. Автоклав разделен на два участка – в одной происходит растворение кварца, в другой его отложение. В качестве шихты (сырья) используется крошка природного кварца, а получаемые кристаллы выращиваются на специальной, заранее подготовленной затравке.[14] 28 Рисунок 1.14. Футерованный серебром автоклав для гидротермального выращивания кварца. 1 - термоизоляция; 2 - затравочные пластинки; 3- дырчатая перегородка; 4- исходный материал (шихта); 5 - обогащенный кремнеземом водный раствор; 6-серебряная футеровка; 7 – электрический нагреватель. [14] Сам по себе кварц не растворим в воде при комнатной температуре. Повышение температуры воды до точки кипения не достаточно для начала процесса растворения. Автоклав наполняют водой на 85%, закрываюти и нагревают. Далее давление пара в системе достигает 1360 кг/см 3 при 300 °C. Растворимость в 0,1% по массе достигается при давлении около 1400 бар, но для получения хорошего кристалла требуется большие значения растворимости, для этого к воде добавляют специальные минерализаторы. В автоклаве должен поддерживаться градиент температур между верхней и нижней частью – около 40 °C. Он необходим, чтобы создавать конвекционные потоки раствора кварца от нижней части к верхней. При достижении раствором верхней части реактора, раствор уже не может удержать в себе избыток кварца и он осаждается на затравках. Охлажденный раствор спускается вниз, и процесс повторяется снова. Для обеспечения 29 равномерного осаждения на затравках и выравнивания конвекционных потоков в реакторе помещается дырчатая перегородка. Оптимальная скорость роста кристаллов – 1 мм в сутки. Применяя затравки разной кристаллографической ориентации, можно определять скорости роста разных граней. Стандартно в качестве затравок используется пластины Z-среза. Полученные кристаллы кварца (Рисунок 1.15) имеют бугристую поверхность (похожая на галечную или булыжную мостовую), которая никогда не наблюдается у природного кварца. Рисунок 1.15. Выращенный гидротермальным методом синтетический кристалл кварца с характерной бугристой поверхностью. |