3.7 Завдання

1. Вивчити фізичні процеси, що протікають при дифузії легіюючих домішок в напівпровідник, та методи проведення дифузії.

2. Вивчити конструкцію та принцип дії термічного обладнання для проведення дифузії.

3. Зняти експериментальну криву розгону печі до температури, заданої викладачем, установити мінімальні коливання температури навколо заданого значення та визначити величину максимального відхилення температури в усталеному режимі.

Перелік використаних джерел

1. Блинов И.Г. Оборудование полупроводникового производства. - М.: Машиностроение, 1986. - 264 с.

2. Панфилов Ю.В., Рябов В.Т., Цветков Ю.Б. Оборудование производства интегральных микросхем и промышленные роботы. - М.: Радио и связь, 1988. - 320 с.

3. Борисенко А.С., Бавыкин Н.И. Технология и оборудование для производства микроэлектронных устройств.- М.: Машиностроение, 1983. - 320 с.

4. Певзнер В.В. Прецизионные регуляторы температуры.-М.: Энергия, 1973.-192 с.

5. Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники.- К.: Вища.шк., 1989.-423 с.

4 Лабораторна робота №4

“ЙОННО-ПЛАЗМОВЕ РОЗПИЛЮВАННЯ”

Мета роботи: 1) вивчити фізичні процеси, які супроводжують розпилювання матеріалів вакуумними методами, і подальшу конденсацію атомів на підшарок; 2) вивчити принцип ді вакуумної установки для розпилювання.

4.1 Теоретичні відомості

Розпилювання матеріалів за допомогою прискорених йонів проводиться або з метою очищення поверхні пластини, або з метою утворення на підшарку тонкої плівки з розпилюваних атомів. Саме останній варіант і розглядається в цій роботі.

Найчастіше процес розпилювання здійснюється за допомогою двоелектродної (діодної) або триелектродної схеми. В першому випадку (діодна схема), як правило, процес називають катодним розпилюванням, а в другому (тріодна схема) – іонно-плазмовим. Використовують також тетродну та інші багатоелектродні схеми, але рідко.

Катодне розпилювання здійснюють в вакуумних установках шляхом бомбардування пластин або підшарків (в даному випадку їх називають мішенями) прискореними за допомогою електричного поля позитивними йонами робочого газу. Найчастіше для розпилювання використовують аргон, рідше – азот і зовсім рідко – водень.

Установка для катодного розпилювання (діодного типу) зображена на рис. 4.1.

Мішень розміщують на катоді (або катод виготовляють з матеріалу мішені), підшарок (підшарки) розміщують на аноді або поблизу анода). Вакуумну установку відкачують на вакуум до 10^-310^-4 Па, а потім напускають робочий газ і при тиску 110 Па (10^-110^-2 мм.рт.ст.; 1 мм.рт.ст.=133 Па) до катода прикладають напругу –(15) кВ відносно зазамленого анода; внаслідок електричного пробою газу виникає тліючий (або самостійний) розряд. Йони аргону, прискорившись, в основному, в прикатодній області, бомбардують катод і вибивають з мішені атоми, які конденсуються на підшарку, утворюючи тонку плівку.

Перевагами катодного розпилювання є невисокі температури підшарків у процесі нанесення плівок, більша енергія розпилюваних атомів (порівняно з термовакуумним розпилюванням) і, отже, більш висока адгезія плівки, більша рівномірність плівки по всій площі (а отже – по товщині, стехіометрії, питомому опору і т.ін.)

О

1 – підшарки; 2 – високовольтний ввід; 3 – високовольтний екран; 4 – вакуумна камера; 5- катодний екран; 6 – катод; 7 – анод; 8 – нагрівач; 9 – ввід аргону; 10 – кран; 11 – до вакуумного насосу; 12 – електроввід

Рисунок 4.1 – Схема пристрою для йонно-плазмового (катодного) розпилювання

сновні недоліки: порівняно невисока швидкість осаджування плівки та забрудненість плівок молекулами залишкових газів та атомами аргону; крім того, більш складне керування процесом порівняно з термовакуумним напилюванням.

Таке катодне розпилювання називають фізичним.

Якщо в процесі розпилювання до аргону додати декілька процентів хімічно активного газу, наприклад, кисню, то будемо мати реактивне катодне розпилювання. За таких умов атоми з розпилюваного катода хімічно взаємодіють з активним газом або утворюють з ним тверді розчини, і нова речовина поступає на підшарок.

Отже, розпилюючи кремній і додаючи до робочого газу кисень, азот або угарний газ чи метан, ми отримаємо плівки оксиду, нітриду або карбіду кремнію. В залежності від кількості доданого кисню можна отримати як SiO₂, так і SiO.

Реактивне катодне розпилювання дозволяє контрольовано змінювати властивості плівок і тому широко використовується для виготовлення високоомних резисторів, конденсаторів для гібридних інтегральних схем, захисних масок для дифузії.

Високочастотне розпилювання. Розглядаючи катодне розпилювання, ми вважали, що катод - мішень має достатню електропровідність і знаходиться під постійним негативним потенціалом, а заряд бомбардуючого йона нейтралізується електроном із зовнішнього кола. Якщо ж мішень – діелектрик, то на його поверхні буде накопичуватись позитивний заряд йонів і розпилювання мішені припиниться. Для продовження розпилювання необхідно видаляти позитивний заряд йонів або нейтралізувати. Практично це забезпечують, подаючи на катод змінний високочастотний (ВЧ) потенціал, як показано на рис.4.2. Тоді при негативному потенціалі на катоді має місце розпилювання, а при позитивному – нейтралізація накопиченого заряду йонів електронами із області газового розряду. Процеси накопичення й нейтралізації заряду періодично повторюються з частотою 13,56 МГц, дозволеною для використання в промисловому обладнанні. При цьому газовий розряд може зберігати стабільність і при більш низькому значенні тиску в робочій камері, ніж при звичайному катодному розпилюванні.

Рисунок 4.2 – Схема високочастотного розпилювання

Недолік: в півперіод позитивного на катоді потенціалу має місце розпилювання анода і плівки на підшарку.

Спосіб магнетронного розпилювання з’явився в результаті вдосконалення діодної схеми катодного розпилювання введенням кільцеподібного магнітного поля, перпендикулярного електричному. Таке схрещене електромагнітне поле для емітованих катодом електронів є пасткою: електричне поле розганяє електрони і направляє їх в сторону анода, а магнітне завертає їх до катода. В результаті цього електрони рухаються вздовж катода по складній циклоїдальній траєкторії, збільшуючи шлях електрона і кількість зроблених ним іонізацій, що дозволяє знизити тиск робочого газу до 0,10,5 Па, знизити напругу до 300700 В і підвищити швидкість нанесення плівки до десятків нанометрів за секунду (замість 0,5 нм/с при звичайному катодному розпилюванні).

Магнетронне розпилювання широко застосовують для виготовлення одно- і багатошарових систем металізації, резистивних, ізолюючих і захисних плівок і т.п. Для отримання діелектричних плівок використовують ВЧ-системи магнетронного розпилювання.

Й

Рисунок 4.3 – Схема йонно-плазмового розпилення

онно-плазмове розпилювання (тріодна схема). Враховуючи, що при катодному розпилюванні з відносно великим тиском робочого газу (110 Па) може мати місце значне забруднення осаджуваної плівки атомами й молекулами з газової фази (іноді кількість сторонніх атомів у складі плівки доходить до 20%), були здійснені спроби проведення розпилювання при нижчому на 12 порядки тиску робочого газу, але при цьому тліючий самостійний розряд не виникає внаслідок значного погіршання умов для іонізації робочого газу: недостатня концентрація первинних електронів і велика довжина їхнього вільного пробігу  (=0,68 см при тиску Р=1 Па і =68 см при Р=10^-2 Па). Тому в систему як джерело електронів був введений окремий розжарюваний катод (як в радіолампах, тільки значно потужніший), що сприяє виникненню між анодом і катодом більш потужного дугового розряду (див. Додаток В) і забезпечує значно більшу швидкість нанесення плівок, а також більш високу їх чистоту.

Отже, тріодна схема (див. рис.4.3) включає три незалежно керованих електроди: анод (А), катод (К) і не зв’язана з катодом мішень (М). Підшарки (П) для осаджування плівок розміщуються напроти мішені і електрично можуть бути не зв’язані з електродами.

Процес розпилювання протікає так. Вакуумну камеру відкачують до вакууму 10^-4 Па, після чого через натікач подають аргон при значенні тиску 10^-210⁰ Па. Далі розжарюють катод; після цього до нього прикладають потенціал - (100300) В відносно анода, а до мішені - від –1 до –10 кВ (теж відносно анода). І починається процес розпилювання.

Фізичний механізм йонного розпилювання. Перші моделі для пояснення процесу йонного розпилювання спирались на механізм термічного випаровування атомів з поверхні матеріалу внаслідок локального розігрівання поверхні шляхом йонного бомбардування. Проте ця теорія не узгоджується з експериментальними даними, згідно з якими енергія розпилених з мішені атомів складає 110 еВ, що відповідає температурі поверхні 10⁴10⁵ К; при такій температурі майже всі вибиті з поверхні атоми повинні бути йонізовані (до того ж багатократно), але вимірювання показують, що йонізованими є лише декілька процентів атомів. Таку малу кількість йонів не можна пояснити, навіть припустивши, що частина вибитих з поверхні йонів нейтралізується автоелектронами, вибитими з поверхні мішені.

Тепер вважається загальноприйнятим імпульсний (нетермічний) механізм розпилювання, згідно з яким прискорені йони робочого газу передають свій імпульс поверхневим атомам мішені, що призводить до зміщення атомів з положень рівноваги, підсилює коливання прилеглих до поверхні атомів мішені і сприяє відриванню найбільш енергетичних атомів, якщо в певний момент часу їхній імпульс буде направлений в протилежний від об’єму зразка бік.

Порівняльна характеристика вищевказаних систем плазмового розпилювання матеріалів приведена в Додатку Д.