11. Физико-химические и физические основы ионных, ионно-плазменных, плазмохимических методов нанесения и травления микроэлектронных структур
Ионно-плазменные технологические процессы по сравнению с другими технологиями, например с использованием химически активных веществ (кислоты, щелочи и др.), имеют существенные преимущества и позволяют осуществлять операции, которые можно выполнить только с использованием потоков заряженных частиц. Это, прежде всего, простота управления параметрами технологического процесса, поскольку, изменяя величину потока заряженных частиц и ускоряющего напряжения, можно в широких пределах регулировать скорость протекания процесса, а также менять саму сущность процесса. Поскольку ионно-плазменные технологии осуществляются в вакууме, то это предопределяет высокую чистоту проведения процесса, так как обрабатываемое изделие не подвергается воздействию посторонних веществ.
Наибольший прогресс в технологии получения пленочных материалов достигнут в результате использования процессов с применением ускоренных ионных потоков. К таким процессам относятся процессы получения пленок ионным распылением твердых тел, химическим разложением соединений в условиях ионного облучения, внедрением ионов в поверхностный слой твердого тела и синтезом новых материалов, различного рода покрытий, ионной имплантацией в полупроводниковые материалы и т.д.
В основе этих процессов лежит использование низкотемпературной плазмы низкого давления в качестве источника частиц для обработки материалов. Такая плазма представляет собой слабо ионизированный газ, состоящий из смеси стабильных и возбужденных атомов и молекул, продуктов диссоциации молекул – радикалов, электронов, положительно и отрицательно заряженных ионов. Плазма образуется при внешнем энергетическом воздействии на вещество с помощью различного рода газовых разрядов в сильных постоянных и переменных электрических и постоянных магнитных полях.
Существует множество методов генерации ионов, однако простейшим из них является метод с использованием тлеющего разряда.
11.1. Основы физики тлеющего разряда Характеристики тлеющего разряда
Тлеющий разряд – это самоподдерживающийсяразряд с холодным катодом, испускающим электроны врезультате вторичной эмиссии, главным образом под действием положительных ионов. Его отличительным признаком является существование вблизи катода слоя определенной толщины с большим положительным объемным зарядом, сильным полем у поверхности и значительным падением потенциала 100 - 400 В (и более). Оно называетсякатодным падением.Толщина слоя катодного падения обратно пропорциональна плотности (давлению) газа. Если межэлектродное расстояние достаточно велико, междукатодным слоем и анодом образуется электронейтральная плазменная область, где поле относительно небольшое. Серединную, однородную часть ее называютположительным столбом.От анода он отделяетсяанодным слоем.Положительный столб тлеющего разряда постоянного тока - наиболее ярко выраженный и распространенный примерслабоионизированной неравновесной плазмы,которая поддерживается электрическим полем. В отличие от катодного слоя, без которого тлеющий разряд существовать не может, положительный столб не является его неотъемлемой частью. Если в результате образования катодного слоя промежуток между электродами оказывается исчерпанным, столба нет. Но если не хватает расстояния на формирование должного катодного слоя, тлеющий разряд не загорается.
Разрядные устройства.Тлеющий разряд - один из наиболее изученных и широко применяемых на практике типов газового разряда. В течение многих десятилетий для его получения и исследования служил классический прибор -разрядная трубка.Для тлеющего разряда в трубках радиусаR~ 1 см, длиныL~ 10 -100 см при типичных давленияхp~ 10-2- 102мм рт. ст. характерны напряжения на электродахU~ 102- 103В и токиI~ 10-4– 10-1А.
Картина свечения.Тлеющему разряду свойственно определенное чередование темных и светящихся слоев, которые получили свои названия. Наблюдать эту картину хорошо при низких давлениях, когда слои растянуты по длине трубки, - ведь все процессы в разряде связаны со столкновениями. Расстояния характерных точек от катода определяются числом укладывающихся на них длин пробега электроновl~p-1. Поэтому координате границы какого-то слоях1отвечает определенное значениерх1. Слоистая картина растягивается на сантиметры при давленияхр~ 10-1мм рт. ст. (рис. 11.1). К катоду прилегает очень узкоеастоново темное пространство.Затем следует тонкий слойкатодного свечения.После него идеттемное катодное пространство.Следующая за ним областьотрицательного свечениярезко отделена от темного катодного пространства. В направлении анода отрицательное свечение затухает и переходит втемное фарадеево пространство.За ним начинается светящийсяположительный столб.Положительный столб иногда имеет правильную слоистую структуру — это так называемыестраты,но страты образуются (или видны) далеко не всегда, и когда их нет, положительный столб светится однородно вплоть до анодной области. Там он иногда сменяется небольшимтемным анодным пространством,а у поверхности анода видна узкая пленкаанодного свечения.
При низких давлениях (p ~ 10-2мм рт. ст.) и не слишком больших расстояниях между электродами для положительного столба места нет и видна в основном область отрицательного(тлеющего) свечения. От нее разряд и получил свое название тлеющего (glowdischarge). Положительный столб обычно менее яркий, чем отрицательное свечение, и имеет другой цвет. В гелии катодное свечение красное, отрицательное свечение зеленое, положительный столб красно-фиолетовый; в неоне соответственно желтое, оранжевое, красный; в азоте розовое, голубое, красный. Каждый газ имеет свои окраски, что связано с особенностями атомных спектров, и это используется в цветных рекламных трубках.
Изменение условий. При повышении давления все слои сжимаются и стягиваются к катоду. Если сближать электроды при постоянном давлении, сокращается положительный столб. Промежуточные области между столбом и катодом (их называютотрицательными) до поры до времени остаются неизменными. Они перемещаются вместе с катодом, если сдвигать именно этот электрод.
Более того, если в широком сосуде с закрепленным анодом поворачивать катодный диск, все отрицательные слои поворачиваются вместе с ним, как будто они приклеены к его поверхности, а положительный столб искривляется, чтобы достичь анода.
По мере сближения электродов после столба «съедается» фарадеево пространство, потом отрицательное свечение. Когда не остается места хотя бы для катодного края последнего, разряд гаснет. Для поддержания его нужно повышать напряжение. Такой разряд называется затрудненным.
Рис.11.1. Картина свечения тлеющего разряда в трубке
Качественная интерпретация картины свечения. Из катода электроны вылетают с энергией порядка 1 эВ. Они не в состоянии возбуждать атомы. Так появляется темное астоново пространство. Ускоряясь в электрическом поле между анодом и катодом, электроны приобретают энергию, достаточную для возбуждения, - возникает катодное свечение. Появляются даже два-три слоя катодного свечения. Они соответствуют возбуждению различных уровней атомов: ближе к катоду - более низких, дальше - более высоких. Цвета таких слоев различны. По мере приближения к аноду энергия ускоряемых электронов превышает максимумыфункций возбуждения,где сечения взаимодействия частиц уменьшаются.Электроны перестают возбуждать атомы - образуется темное катодное пространство. Здесь электроны преимущественно ионизируют атомы, происходит основное их размножение и образование ионов. Рождающиеся ионы движутся в поле гораздо медленнее, поэтому накапливается большой положительный объемный заряд, и ток обусловлен в основном ионами.
К концу катодного слоя нарождается большой поток электронов, причем, в силу лавинообразного характера размножения, большинство электронов рождается именно в конце слоя, где поле уже ослабевает. Энергии этих электронов не слишком велики и находятся в области максимумов функций возбуждения атомов. Появляется отрицательное свечение. Если вблизи катода энергия электронов нарастает по мере удаления от катода и сначала появляются легко возбуждающиеся спектральные линии (первое, второе катодные свечения), то за катодным слоем энергии электронов, напротив, уменьшаются при удалении от катода. В отрицательном свечении сначала появляются те линии, которые излучаются с более высоких уровней атомов, а потом - более низких, в порядке, обратном катодному свечению (правило Зеелигера).По мере того как электроны растрачивают свою энергию, акты возбуждения происходят все реже и реже, ибо новой энергии в слабом поле электроны не приобретают. Отрицательное свечение переходит в темное фарадеево пространство.
В области отрицательного свечения имеются электроны не только умеренных энергий, хотя их большинство. Сюда попадают и энергичные электроны, которые родились в глубине катодного слоя и у катода и прошли зону катодного падения, не совершив многих неупругих столкновений. Они ионизируют атомы, и благодаря этому за катодным слоем получается повышенная плотность электронов, больше, чем в положительном столбе.
В фарадеевом пространстве продольное поле постепенно нарастает до значения, свойственного положительному столбу. В столбе устанавливается характерное для неравновесной слабоионизированной плазмы хаотическое распределение электронов по скоростям, в которое вносит небольшую асимметрию дрейф к аноду. Средняя энергия электронного спектра в положительном столбе составляет 1-2 эВ. Но в спектре имеется и некоторое количество энергичных электронов. Они возбуждают атомы и обусловливают свечение столба. Анод отталкивает ионы, но вытягивает из столба электроны. Образуется область отрицательного объемного заряда и повышенного поля, ускоряющего электроны. Это приводит к анодному свечению.