Контрольные вопросы

1. Приведите примеры использования тонких металлических пленок в технологии микроэлектроники.

2. Охарактеризуйте метод катодного распыления для целей получения тонких металлических пленок (возможности метода, область применения, преимущества и недостатки).

3. Охарактеризуйте метод катодного распыления с точки зрения динамики процесса (стадии процесса, влияние условий, наиболее благоприятный режим проведения процесса).

4. Охарактеризуйте аппаратное оформление установки катодного распыления (наиболее важные блоки установки, их назначение).

5. Под действие чего происходит распыление катода – мишени. Механизм ионизации рабочего газа. Критерии выбора рабочего газа.

6. Охарактеризуйте метод ионно-плазменного распыления для целей получения тонких металлических пленок (возможности метода, область применения, преимущества и недостатки).

7. Охарактеризуйте метод ионно-плазменного распыления с точки зрения динамики процесса (стадии процесса, влияние условий, наиболее благоприятный режим проведения процесса).

8. Охарактеризуйте аппаратное оформление установки ионно-плазменного распыления (наиболее важные блоки установки, их назначение).

9. Охарактеризуйте метод магнетронного распыления для целей получения тонких металлических пленок (возможности метода, область применения, преимущества и недостатки).

10. Охарактеризуйте метод магнетронного распыления с точки зрения динамики процесса (стадии процесса, влияние условий, наиболее благоприятный режим проведения процесса).

11. Охарактеризуйте аппаратное оформление установки магнетронного распыления (наиболее важные блоки установки, их назначение).

Задание

Изучить лабораторную установку (принципиальную и вакуумную схему установки, а также порядок включения/выключения).

Провести процесс формирования пленки металла методом магнетронного распыления. Технологические режимы задаются преподавателем.

Измерить толщину полученных пленок.

Оценить скорость роста пленки.

Сравнить теоретические и экспериментальные результаты.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Вакуумная схема установки.

3. Устройство внутрикамерной оснастки.

4. Технологический режим процесса.

5. Таблица с расчетными и экспериментальными значениями.

6. Анализ полученных результатов и связь их с технологическими параметрами процесса.

Список рекомендуемой литературы

Технология тонких пленок: Справочник / Под ред. Л. Майссела и Р. Глэнга. М.:Сов.Радио, 1977. с. 359—371, 406—414, 426—429.

Плешивцев Н.В. Катодное распыление. М.: Атомиздат, 1968. с. 25—32, 54—57, 64—110.

Данилин Б.С., Сырчин В. К. Магнетронные распылительные системы. М.:«Радиои связь», 1982. 73 с.

Лабораторная работа 5 Микропрофилирование многокомпонентных материалов

Цель работы:

1. Ознакомление с технологической установкой ионного травления и получение практических навыков работы на ней.

2. Изучение особенностей процесса микропрофилирования пленок сложных оксидов.

Основные положения

В последнее время для получения устройств с микронными и субмикронными размерами широкое распространение получило ионное травление (ИТ). ИТ представляет собой удаление любого материала со всех участков поверхности образца, подвергающихся экспонированию, за счет бомбардировки заряженными ионами (обычно положительными ионами аргона) с энергией около 1-2 кэВ. Комбинацией такого травления с фоторезистивным маскированием можно предотвратить подтравливание фоторезиста и получить более четкий рельеф микросхемы (в отличие от случая химического травления). Процесс ИТ проводят в вакуумной камере, что освобождает от работы с вредными химическими реактивами, обеспечивает необходимую стерильность и предотвращает загрязнение окружающей среды.

Для качественной оценки процесса ИТ вводят понятие разрешающей способности, определяемое как максимальное количество линий одинаковой ширины, разделенных промежутками такой же ширины, которое можно получить в пленке на области размером 1мм.

Процесс физического распыления материалов количественно характеризуется коэффициентом распыления (КР), который определяется как число атомов, выбиваемых из образца одним падающим ионом. КР является обычно не целым и должен рассматриваться как среднестатистическое значение.

Наиболее строгая в настоящее время теория физического распыления аморфных и кристаллических тел была разработана Зигмундом. Согласно этой теории, коэффициент распыления, равный числу выбитых атомов одним ионом, определяется выражением:

(1),

где S_n(Е_i) – удельная ядерная тормозная способность иона, [эВ·см²/атом]; Е_b – энергия связи атомов материала мишени, [эВ].  – коэффициент, зависящий от соотношения m_a/m_i, [см^-2], который можно оценить по формуле:  = 0,2434exp[0,2028 m_a/m_i].

При низких энергиях ионов (Е_i < 1кэВ), удельная ядерная тормозная способность иона:

,

где: m_i - атомная масса иона, [а.е.м.]; m_a - атомная масса атома материала мишени, [а.е.м.]; Е_i - энергия ионов, [эВ].

В этом случае, формула (1) для вычисления КР примет вид:

При энергиях ионов E_i > 1 кэВ удельная ядерная тормозная способность:

,

где Z_i – атомный номер иона; Z_а – атомный номер атома; е – элементарный заряд, [Кл]; _о – диэлектрическая проницаемость вакуума, [Ф/м]; – приведенная ядерная тормозная способность, ε_max = 0.3; – приведенная безразмерная энергия иона;  – приведенный безразмерный пробег иона; – параметр экранирования; а_о – боровский радиус, равный 5.2910^-11 [м].

В области E_i < 1кэВ, формулу (1) для вычисления КР можно преобразовать к следующему виду:

.

Для количественной оценки процесса ИТ вводят понятие скорости травления по глубине обрабатываемой плёнки, определяемой как толщина удаляемого поверхностного слоя материала в единицу времени:

, (2)

где: h - глубина распыленного материала; t - время травления.

При нормальном падении ионов можно теоретически оценить скорость ИТ, мкм/мин, по формуле:

, (3)

где: J_и - плотность ионного тока [А/см²]; S - коэффициент распыления; _m - плотность материала [г/см³].

В качестве резиста в процессе микропрофилирования, применяют контактные полимерные органические маски (ПОМ), скорость травления которых сравнима со скоростью травления материала пленки. При использовании ПОМ при ИТ возникают три проблемы, которые во многом определяют верхнюю границу энергии ионов, скорость травления и обуславливающие ее характеристики - давление и тип рабочего газа, напряжение и ток разряда.

Первая, связана с необходимостью поддерживать низкий уровень давления химически активных газов (О₂, N₂, паров воды) в распылительной камере, поскольку они увеличивают скорость травления ПОМ. Парциальное давление химически активных газов не должно превышать 10^-4Па.

Вторая проблема связана с низкой термостойкостью ПОМ, которая ограничивает плотность мощности ионного пучка источника и требует эффективного охлаждения травящегося образца. Критическая плотность мощности ионного пучка источника составляет W_кр=0.05 Вт/см² – для неохлаждаемого образца и W_кр=0.5 Вт/см²- для охлаждаемого.

Третья проблема связана с удалением остатков ПОМ после ИТ. В результате ионной бомбардировки в ПОМ возникают дополнительные связи, которые затрудняют удаления остатков маски. Для решения этой проблемы, на последней стадии травления меняют тип или состав рабочего газа, либо выбирают толщину ПОМ заведомо большую, чем технологически необходимо, чтобы дополнительное сшивание не распространилось на всю толщину остатка маски к моменту окончания ИТ.