Kuzmichev

цевідбуваєтьсяусуненняатомів, їхвідривповерхні - розпорошення. Задляреалізаціїцьогопроцесупотрібніпевнівакуумніумови, а іониповинніматипевнимизначеннямиенергій, достатніми для розпорошенняматеріалів. Різновидоміонноготравлення є іонно-хімічне (реактивне) травлення, заснований на запровадження у плазму хімічно активного газу, зазвичайкисню. У цьомузмінюєтьсяшвидкістьтравленнявнаслідокхімічноговзаємодіїміжпідкладкою і доданим газом.

Плазмохімічнетравлення На відмінувідіонногоплазмохімічнетравленняґрунтується на

руйнуванніоброблюваногоматеріалуіонамиактивнихгазів, щоутворюються в плазмі газового розряду і щовступаютьхімічнуреакцію з атомами матеріалу при бомбардуванніповерхні пластин чипідкладок. У цьомумолекули газу розрядурозпадаються на реакційно-здатнічастки - електрони, іони і вільнірадикали, хімічноякі з поверхнеютравлення. Через війнухімічнихреакційутворюютьсялеткісполуки. Для травленнякремнію та йогосполук (оксиду і нітридукремнію) найчастішевикористовуютьвисокочастотну плазму тетрафторидувуглецю (можливозастосуваннягексафторидусірки і фреону.

При взаємодіїцихгазів з електронамиплазмивідбуваєтьсярозкладання й утворятьсяіонів фтору та іншихрадикалів.

Іони фтору, а деякихвипадках і радикал активно взаємодіютьізкремнієм, створюючилеткісполуки.

Характерно, щочастки, що у травленні, травлятьрізніматеріали з різнимишвидкостями. У цьомуґрунтуєтьсявластивістьплазмохімічноготравлення. Концентраціяобумовлюєтьсяшвидкістюгенераціїатомів, щовизначаєтьсяконструкцією і потужністю реактора, і навіть часом життячастинок в реакторі, щозалежитьвідшвидкості газового потоку, тиску і умов рекомбінаціїчастинок.

Швидкістьтравлення сильно залежитьвідтемператури; їївизначаєтьсяфізичнимивластивостямиматеріалущо травиться та газовим складом плазми. Так, добавка кисню до чистоїплазміпідвищуєшвидкістьтравлення.

У плазміфторовміснихгазівможнатравитидеякі метали. Для травленнязастосовуютьтакож плазму хлорвміснихгазів. Для видаленняорганічнихматеріаліввикористовуютькисневу плазму.

Используя жидкостное травление или недавно разработанный и боле предпочтительный метод плазменного сухого травления, можно формировать различные профили в пленках. Жидкие травители дают изотропные или скошенные профили . Скошенный профиль края лучше подходит для последующего нанесения полости металла поперек такой ступеньки. В зависимости от кристалличности пленки и целостности резиста (отсутствие отслоений при жидкостном и эрозии при плазменном травлении) уход размера может достигать толщины пленки D и даже превышать ее. Изотропное жидкостное травление, для которого характерно большое боковое подтравливание (L), пришлось заменить газофазным анизотропным травлением, для которого D/L>>1

10. Травлення матеріалів методом фізичного іонно-плазмового розпилення для створення мікронних і субмікронних структур.

6. Ионно-плазменноетравление (ИПТ) При ионно-

плазменномтравленииудалениеповерхностныхслоевматериаловосуществляется за счетфизическогораспыленияионамиинертныхгазовили других ионов, химически не реагирующих с обрабатываемымматериалом. При этом он находится в контакте с зонойплазмы, а необходимаяэнергияионовобеспечиваетсяподачей на материалотрицательногосмещения. Для ионной очистки поверхностиматериалов (удаленияадсорбированныхчастиц) обычноиспользуютионы с энергией в диапазоне от 20

до 100 эВ, а для ионноготравления (удаленияслоев основного материала) - от 100 до 1000 эВ. В первомдиапазонераспылениеосуществляется в режимепервичного прямого выбивания, а вовтором - как в режимепервичноговыбивания, так и в режимелинейныхкаскадов.

По способу возбуждения и поддержанияэлектрическогоразрядасистемы ИПТ подразделяются на системы с разрядамипостоянноготока (ПТ), системы с самостоятельными ВЧ разрядами, а такжесистемы на постоянномтоке и высокойчастоте с искусственнымподдержаниемразряда, гдеразрядподдерживается с помощьювспомогательныхсредств: термоэлектроннойэмиссии, ВЧ и магнитныхполей. Системы ИПТ можноклассифицировать по числу электродов на двухэлектродные (диодные), трехэлектродные (триодные) и многоэлектродные (четыре и болееэлектродов). Кроме того, по форме и расположениюэлектродовсистемы ИПТ могутбытьгоризонтальными с плоскими электродами (планарные) и вертикальными с электродами в видецилиндров и многогранных призм.

Некоторыераспространенныевариантыконструкцийсистемыионноплазменноготравленияприведены на рис. 1. Планарнаядиодная ВЧ система содержит два дисковыхэлектрода: заземленный (анод) и ВЧ электрод (илимишень), на которыйподаетсянапряжение от ВЧ генератора. В диодной ВЧ системевозможность ИПТ любыхматериалов (металлов, полупроводников, диэлектриков, органическихсоединений и др.) сочетается с простотойконструкции и большойплощадью ВЧ электрода, на которойобеспечиваетсяравномернаяионнаябомбардировка.

Рис.1. Системы ИПТ: а - планарная ВЧ (ПТ) диодная; б - вертикальная ВЧ (ПТ) диодная с многограннымэлектродом; в - триодная; г - планарнаямагнетронная. Обозначения: 1 - камера; 2 - заземленныйэлектрод; 3 - ВЧ (ПТ) электрод; 4 - заземленныйэкран; 5 - откачка; 6 - обрабатываемыепластины; 7 - напуск газа; 8 - анод; 9 - термокатод; 10 - магнитная система.

Схемапланарнойдиоднойсистемыпостоянноготокааналогичнасхемепланарной ВЧ системы (рис. 1,а), тольковместо ВЧ генератора используетсяисточникпостоянногонапряжения и нетнеобходимости в согласующемустройстве. Травлениематериалов в диодных системах постоянноготокаосуществляется в аномальномтлеющемразряде при напряжении на катоде 1 - 2 кВ. В таких системах скоростиионно-плазменноготравленияорганических масок в несколько раз ниже, чем в ВЧ системах, чтопозволяет проводить травлениепроводящихслоев на большуюглубину.

Для увеличенияпроизводительности за счет загрузки большого числа пластин, а такжеуменьшениястепенизагрязненияповерхности пластин отслаивающимися от заземленногоэлектродапленками и частицамиприменяютвертикальнуюдиодную ВЧ

систему с многогранным ВЧ электродом (рис. 1,б). В такойсистеме для увеличенияравномерноститравленияможетбытьиспользовановращение ВЧ электрода.

Триодная система ИПТ состоитизтрехнезависимоуправляемыхэлектродов: термокатода, анода и мишени, на которойразмещаютсяобрабатываемыепластины (рис. 1,в). В триоднойсистемепроцессыобразованияплазмы и травленияразделены, чтопозволяет управлять энергиейионов с помощьюнапряжения на мишени.

В планарноймагнетроннойсистеме ИПТ (рис. 1,г) под плоским ВЧ электродом (мишенью) размещеныпостоянныемагниты, форма полюсовкоторыхопределяетгеометриюзамкнутойзоны у поверхностимишени в видевытянутойбуквы «О». Наличие у мишени замкнутого магнитного поля даетвозможностьлокализовать плазму в непосредственнойблизости у мишени и повыситьплотностьионноготока на мишень.

По своемумеханизмупроцессионноплазменноготравлениядолженобладатьвысокойанизотропией, однаконизкиестойкость масок и селективностьтравленияматериалов, сильнаязависимостьскороститравления от углападенияионов, затрудненныйвыходраспыленногоматериалаизглубоких канавок при используемыхрабочихдавленияхограничиваютпоказательанизотропии в диапазоне 5 - 10.

Процессы ИПТ всегдасопровождаютсяобразованиемрадиационныхдефектов, которыеподразделяются на дефектысмещения, связанныесосмещениематомов в решеткематериала и образованиемвакансий, и ионизационныедефекты, обусловленныеионизациейатомоврешетки. Перечисленныевышеограничения привели к тому, что в настоящеевремяпроцессы ИПТ практически не используются для размерноготравленияматериалов, нонаходятширокоеприменение для планаризации (сглаживания) и очистки ихповерхностей.

К.11Травлення матеріалів методом фізичного іонно-променевого розпилення. Метод FIB для створення наноструктур.

Тонкі плівки різних матеріалів можна наносити на підкладку, випаровуючи матеріал мішені пучком іонів інертних газів. Основні переваги цього методу нанесення плівок у порівнянні з методом іонно-плазмового розпилення полягають у наступному[3]:

-можливість нанесення плівок матеріалів складного складу із збереженням компонентного складу мішені;

-малий робочий тиск у технологічній камері, обмежене лише швидкістю відкачування вакуумної системи, а не умовами підтримки розряду;

-відсутність електричних полів в області підкладки, що особливо важливо при нанесенні діелектричних плівок на підкладки з провідних матеріалів;

-можливість управління зарядами в осаджується діелектричної плівці за допомогою електронів, що емітуються катодом нейтралізації.

Іонно-променевий метод найбільш ефективний для нанесення плівок багатокомпонентних матеріалів, різних діелектриків, магнітних матеріалів.

Установка містить джерело іонів на основі двокаскадного самостійного розряду з холодним порожнистим катодом і модифікований варіант джерела іонів Кауфмана з

відкритим торцем. Джерело іонів служить для розпилення пучком іонів аргону з енергією 0,8 кеВ і щільністю струму 0,3 мА/см2 мішені чистотою не гірше 99,8%. У напрямку потоку розпорошується матеріалу встановлені підкладки, закріплені на чотирьох позиціях

обертового тримача. Потік іонів аргону з середньою енергій 80 еВ і щільністю струму 0,45 мА/см2 з джерела іонів служить для очищення та активації поверхні робочої підкладки протягом 2 хвилин перед нанесенням плівки. Джерело іонів під час нанесення плівки відключається, подача аргону через нього припиняється, а термокатод використовується для нагріву поверхні робочої підкладки.Іонно-променевий метод заснований на отриманні тонких плівок з використанням іонної імплантації. На відміну від інших іонно-плазмових методів, при іонно-променевому синтезі енергія іонів складає від десятків кєВ до одиниць

МеВ. При цьому доза імплантованих іонів більше 1016 іонів/см2, тобто така, щоб концентрація імплантованих атомів була достатньою для формування необхідної кількості нової фази.Синтезовані фази формуються в тонкому при поверхневому шарі (<1 мкм) в аморфній або нанокристалічній фазі. Для рекристалізації и покращення структури плівки використовують термічний або імпульсний світловий, електронний, іонний та інші види відпалювання.

12.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.

Уцьому 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.

Уплазмі 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 якунебудь 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

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) потік домішки практично рівний нулю протягом будьякого 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 будьякий момент часу.

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