51 Осаждение покрытий методами ионного распыления.

_IT

Осаждение тонкопленочных покрытий методами ионного рас­пыления основано на получении атомных частиц осаждаемого материала путем бомбардировки поверхности ускоренными ионами. В откачиваемый объем - вакуумной рабочей камеры вводится рабочий газ, молекулы которого подвергаются иони­зации. Полученные ионы ускоряются электрическим полем и под воздействием электрического либо электрического и маг­нитного полей направляются к поверхности распыляемого ма­териала - мишени. Распыленные под воздействием ионной бомбардировки атомы мишени осаждаются на поверхности подложки и образуют тонкую пленку. К преимуществам метода ионного распыления в сравнении с методом термического испарения относятся: более высокая од­нородность формируемых покрытий из-за большей поверхно­сти распыления; возможность распыления тугоплавких метал­лов, а также сплавов без изменения их состава; отсутствие разо­гретых деталей в вакуумной камере; лучшая адгезия формируе­мых пленок; возможность очистки поверхности распыляемой мишени до начала осаждения пленки.

Существуют различные варианты реализации ионного рас­пыления, среди которых наиболее распространены методы, ос­нованные на диодных (двухэлектродных) и магнетронных сис­темах распыления. распыление.

Ионно-плазменное распыление. Одним из вариантов ионного распыления является ионно-плазменное распыление, схема ко­торого представлена на рис. Между катодом 1 и анодом 2 при давлении рабочего инертного газа 10^-1-10^-2 Па зажигается тлеющий разряд. В отличие от катодного распыления, источни­ком первичных электронов в разряде является термокатод 1. Использование эмиссии электронов из термокатода позволяет получить достаточную концентрацию ионов рабочего газа (а следовательно, и высокую скорость распыления) в условиях пониженного давления. Напряжение Ui между катодом и ано­дом составляет несколько десятков вольт. Перед началом рас­пыления при закрытой заслонке 9 медленные ионы, образующиеся в разряде и ускоряемые небольшим напряжением U\, очищают подложку 3 и мишень 4 от поверхностных загрязне­ний. Затем на мишень 4 подается высокое отрицательное на­пряжение £/з=10 кВ, вытягивающее ионы из разрядного проме­жутка между катодом и анодом. Ионы бомбардируют поверх­ность мишени 4. Распыляющийся материал мишени осаждается на поверхности подложки 3, снабженной системой нагрева или охлаждения 8. Заслонка 9 и неподвижный заземленный цилинд­рический экран 10 используются для защиты электродов, под­ложки и стенок вакуумной камеры от осаждения загрязнений.

При закрытой заслонке 9 можно осуществлять очистку мишени 4 ионами высоких энергий. Через вентили 5 и 6 осуществляется напуск рабочих газов. Патрубок 7 служит длява­куумной системы.

В отличие от катодного распыления, подложка не искажает линии электрического поля и не влияет на скорость осаждения, что обеспечивает возможность формирования пленки, одно­родной по толщине, через металлическую маску.

52. Магнетронное распыление. Магнетронные системы ионного распыления отличаются от диодных систем наличием в прикатодной области кроме электрического поля кольцеобразного, магнитного поля. Силовые линии этих полей взаимно перпен­дикулярны. В процессе ионизации молекул рабочего газа уча­ствуют и вторичные электроны, вылетающие под действием ионной бомбардировки из катода-мишени. Магнитное поле вблизи поверхности катода захватывает эти электроны, вынуж­дая их двигаться по циклоидным траекториям. Большая часть энергии электронов расходуется на иони­зацию атомов рабочего газа в непосредственной близости по­верхности катода, где сосредоточена плазма газового разряда. Высокая концентрация ионов способствует высокой интенсив­ности бомбардировки мишени и скорости ее распыления. Ско­рость осаждения тонких пленок в магнетронных системах составляет ~ 100-200 нм/с. Повышение эффективности ионизации в магнитном поле способствует тому, что в магнетронных сис­темах тлеющий разряд поддерживается при более низких давле­ниях, чем в диодных. Магнетронные системы работают при давле­ниях рабочего газа вплоть до 10^-2 Па, что обеспечивает достаточно высокую чистоту наносимых пленок. Кроме того, в магнетрон­ных системах на катод подается невысокое напряжение (300-700 В) и исключена бомбардировка подложек электронами, что позволяет устранить неконтролируемый нагрев подложек и по­вреждение их структуры. При использовании сложных много­компонентных мишеней методом магнетронного распыления возможно осаждение пленок сплавов любого состава.

Источники магнетронного распыления называются магротронами. Магратроны могут иметь как цилиндрическую коаксиальную, так и плоскую (планарную) конструкции. В оборудовании для осаждения тонких пленок используются пла-на'рные магратроны с кольцевой или овально^;протяженной зо­нами распыления.

На рис. представлена схема кольцевого планарного магратрона. Элементы магратрона смонтированы в корпусе 18, который подсоединен к рабочей камере через промежуточное изолирующее кольцо 2 и фланец 4 с вакуумными уплотнительными прокладками 7 и 3. На корпусе устанавливается дискооб­разная мишень-катод 79 из распыляемого материала, которая охлаждается проточной водой, поступающей по трубкам 14 и 17. Напряжение на катод подается через зажим 16. Под катодом расположен магнитный блок, состоящий из центрального 75 и периферийного 72 постоянных магнитов, закрепленных на ос­новании блока 13, изготовленного из магнитомягкого материа­ла. Магнитный блок создает над поверхностью катода магнит­ное поле с индукцией В=0,02-0,05 Тл, имеющее составляю­щую, параллельную плоскости катода. Кольцевой анод 10 рас­положен над катодом и может находиться либо под потенциа­лом земли, либо под напряжением 30-100 В относительно като­да. Между анодом и катодом создается электрическое поле, имеющее составляющую, перпендикулярную плоскости катода. Возникающий при работе магратрона тлеющий газовый разряд сосредоточен над поверхностью катода, где образуется тороидальная зона плазмы 5. Положительные ионы напускае­мого в рабочую камеру инертного газа бомбардируют поверх­ность мишени и распыляют ее в кольцеобразной зоне эрозии 8. Частицы материала, покидающие мишень, осаждаются в виде пленки 7 на подложке 6. Подачей на подложку отрицательного потенциала смещения и его изменением можно растущую плен­ку модифицировать ионной бомбардировкой, что в необходи­мых случаях может способствовать повышению адгезии пленки.

Схема кольцевого планарного магратрона: 1,3 - уплотнительные прокладки; 2 - изолирующее кольцо; 4 - фланец; 5 -зона плазмы; б - подложка; 7 - тонкая пленка; 8 - зона эрозии; 9 - элек­трическое поле; 10 - анод; 11 - магнитное поле; 12 - периферийный магнит; П - основание магнитного блока; 14, 17 - трубопровод системы водяного охлаждения; 15 - центральный магнит; 16 - зажим; 18 - корпус; 19 - мишень

53. Ионная имплантация. Методы ионного легирования основаны на контролируемом внедрении в приповерхностный слой твердого тела ускоренных в вакууме электрическим полем ионизированных атомов или молекул. К числу основных ионно-лучевых методов относятся: ионная имплантация, ионное перемешивание и осаждение на поверхности подложки слоя с одновременной ионной бомбар­дировкой. Эти методы становятся в настоящее время основой технологических процессов модифицирования приповерхност­ных слоев, материалов с целью изменения электрофизических, оптических, механических, коррозионных, адсорбционных, ка­талитических и других свойств. Метод ионной имплантации уже давно является одной из основных технологических опера­ций в промышленном производстве полупроводниковых элек­тронных приборов.

Ус­коренные до энергий в десятки-сотни килоэлектронвольт ионы при взаимодействии с поверхностью твердого тела (мишени) испытывают многократные упругие и неупругие столкновения с атомами вещества, постепенно теряя в каскаде столкновений энергию (рис. 5.10). При упругих столкновениях рассматривает­ся в основном ядерный механизм торможения; упругими столк­новениями ионов с электронами можно пренебречь. Потери энергии при неупругих столкновениях обусловлены возбужде­нием и ионизацией атомов и молекул, т.е. связаны в основном с электронами вещества.

Потери энергии Е на единице длины пути R вдоль траекто­рии движения иона можно выразить следующим образом:

где N - плотность атомов вещества; S„(E) и S_е(Е) - соответст­венно ядерная и электронная тормозные способности, выра­жающие энергетические потери на единице длины пути, прихо­дящиеся на один атом:

S„(E)=1/N*(dE/dR)_n,

S_е(Е)= 1/N*(dE/dR)_e

Для вычисления ядерной тормозной способности S(E) необходимо знать выражение для потенциала взаимодейст­вия U между соударяющимися частицами. Если бы взаимо­действовали между собой чистые ядра без элктронных оболочек, то потенциал взаи­модействия имел бы вид ку-лоновского, который обра­щается в нуль только на бес­конечно большом расстоянии:

где z\ и z₂ - порядковые атомные номера налетающей частицы (иона) и атома мишени соответственно; е - элементарный заряд (е = 1,6*10^-19 Кл); z₁e и z₂e - заряды ядер взаимодействующих частиц; е₀ - электрическая постоянная (е₀ = 8,85*10^-12 Ф/м); г -расстояние между взаимодействующими частицами.

Реальные же атомы имеют положительно заряженные ядра, окруженные облаками отрицательно заряженных электронов. В этом случае имеет место частичное экранирование электронами положительного заряда ядра, из-за чего потенциал взаимодей­ствия обращается в нуль уже на конечном расстоянии r. Реаль­ный потенциал взаимодействия можно представить в виде про­изведения кулоновского потенциала на функцию экраниро­вания Ф(r/а):

Ф(r/а)

и-

где а - параметр экранирования.

Общепринятым в настоящее время является способ-вычис­ления функции экранирования, базирующийся на модели атома Томаса-Ферми. Эта модель предполагает, что ядро атома ок­ружено равномерно распределенным сферически-симметрич­ным слоем с отрицательным электрическим зарядом. Для пара­метра экранирования берется обычно предложенное Линдхардом выражение

,

где a₀ - первый боровский радиус (ао = 0,529*10^-10 м).

Наиболее точные значения ядерной тормозной способности S„(E) получены численными методами Линдхардом, Шарфом и Шиоттом (теория ЛШШ). В теории ЛШШ получено универ­сальное соотношение для безразмерной относительной ядерной тормозной способности

S_n(ξ)=(dξ/dp)_n=(dE/dR)_nξ/Е R/р

в котором введены бедразмерные приведенные величины энергии е и пробега ионов р. При бомбардировке поверхности твердого тела ускоренными ионами имеют место их отражение от поверхности, распыление атомов поверхностного слоя, внедрение ускоренных ио­нов в приповерхностный слой вещества, сопровождающееся образованием радиационных дефектов, их накоплением и амортизацией приповерхностного слоя, а также другие процес­сы. При энергиях ионов, превышающих 5 кэВ, преобладает процесс внедрения ионов, хотя до энергий порядка 50-70 кэВ имеет место и процесс распыления поверхностного слоя.

Внедряемые (имплантируемые) ионы вследствие многократ­ных столкновений с атомами мишени движутся по сложным траекториям (рис. 5.13). Представляющими наибольший практический интерес характеристиками траектории иона яв­ляются: полный пробег R, который равен сумме элементарных линейных пробегов между соударениями иона с атомами ми­шени; проекционный пробег R_p, или проекция пробега на на­правление первоначального движения иона. Столкновения ио­нов с атомами мишени происходят беспорядочно; энергия, те­ряемая в результате каждого столкновения, различна. Поэтому величины, описывающие распределение пробегов ионов, явля­ются статистическими и имеет место разброс пробегов.

Для аморфных и поликристаллических мишеней (а при от­сутствии каналирования и для монокристаллических) статисти­ческое распределение пробегов ионов подчиняется нормально­му закону и является приблизительно гауссовым. Наряду со-средним проекционным пробегом ионов R_p такое распределение характеризуется среднеквадратичным отклонением (страгглингом) ΔR_p проекционного пробега ионов.

Страгглинг ΔR_p проекционного пробега ионов равен половине пика гауссовского распределения на половине его высоты, деленной на 1,2.

Критическая доза – доза, превышение которой приводит к искажению прфиля:

D_кр=N ΔR_p /S_s,

S_s –коэффициент распыления.

Исследования показывают, что в зависимости от природы ионов, их энергии и способности мишени к распылению вели­чина критической дозы составляет ~lQⁱ⁶-10¹⁷ ион/см².

Режим насыщения наступает в том случае, когда толщина слоя, удаляемого распылением, составляет примерно 6А R_p.

Следовательно, доза насыщения Dнас =6Dкp.

54. Ионная имплантация в производстве пп электронных приборов. Ионная имплантация широко используется в промышлен­ной технологии легирования полупроводниковых материалов. Используют ионные пучки с целью получ. поверх­ностных слоев с необходимыми электр., оптич. или магн. хар-ками.

ИИ позвол. заменить процесс диффузион. ле­гирования п/п мат-лов и обеспеч более выс воспроизводимость параметров приборов. Легирование осущ. через изолирующую маску, например из Si0₂ или Si₃N₄, толщиной около 0,5 мкм, превышаю­щей пробег ионов в этих материалах. Локализация легирован. обл. искл. появл. паразитной емкости, кот. имеет место при диффузион. легировании. Ме­тодом ИИ получ. тонкие (~0,2 мкм) одно­родн. p-n-переходы.

Проц. ИИ технологически совместим с др. проц. технологии произв-ва эл-тов инте­гральной электроники: вак. осаждением тонких пленок, распылением ионной бомбардировкой, ПХТ и др. => созд. един. технол. линии с широкими возможностями создания различных элементов интегральных микросхем в одном п/п кристалле.

Управление дозой и энергией ионов обеспеч. возмож­ность получ. необх. профилей распределения вне­дренных примесей, глубину их залегания.

ИИ испол. для синтеза в кристалле изо­лирующих слоев, например Si0₂ или Si₃N₄ путем имплантации ионов кислорода и азота соответственно. Возмож­но имплантационное формирование резистивных слоев, напр. керметных (смесь диэл. мат-ла с Ме).

Имплантация ионов в металлы нах. след. приложения: имплантационная металлургия, включающая процессы образования новых фаз, в том числе метастабильных, и преципитатов; исслед. про­ц. радиационно-стимулированной диффузии, дефектообразования и аморфизации; измен. электрофизических, в том числе сверхпроводящих свойств; изуч. (моделирование) проблем первой степени термоядерного реактора, включая ки­нетику скопления внедряемых газов и механическое разрушение стенки; изменение механических свойств поверхности; измене­ние физико-химических и электрохимических свойств, включая коррозионные, адсорбционные и каталитические.

Основные этапы проц.: ввод раб. в-ва в ионный источник; ионизация атомов или мол. раб. в-ва в источнике; формирование ионов в пучок и предварительное ускорение; выделение из пучка ионов необх. массы и заряда; ускорение ионов до необходимой энер­гии; формирование необходимой конфигурации и плотности ионного пучка; подача мишеней на позицию обработки; их ма­нипуляция и закрепление; регистрация плотности тока ионного пучка и дозы имплантации (дозиметрия); регистрация других параметров процесса (энергии ионов, остаточного давления в рабочей вакуумной камере и др.).

В сост. имплантера входят: испаритель 1 для предваритель­ного перевода ионизируемого раб. в-ва в газообраз­ное состояние; ионный источник 2, одним из принципов дейст­вия кот. м. б. ионизация мол. раб. в-ва в высокочастотном эл. либо магн. поле; система 3 экстракции ионов, формирования и фокусировки ионного пучка; магнитный масс-сепаратор 4; ускоритель 5; сис­тема сканирования б ионного пучка по поверхности мишени 7. Установка включает в себя также системы вакуумной откачки, электропитания и управления. Испаритель служит для перевода в-ва, предназнач. для ионизации, в парообр. сост.

Наиболее широко распространены ионные источники, в ко­торых ионизация атомов или молекул рабочего вещества осу­ществляется в плазме высокочастотного газового разряда.

Для получения ионных токов большой силы в импульсном режиме используются ионные источники с холодным катодом (магнитные электрораз­рядные ионные источники), в которых ионизация газа осуществляется в ячейке Пеннинга.

Д/ получ. ионов металлов использ. электродуго­вые или искровые ионные источники, в которых ионы генери­руются в плазме дугового или искрового электрического разря­да между электродами из соответствующего металла.

Регистрация ионного пучка в установках ионного легирова­ния и определение дозы ионов осущ-ся путем измер. ионного тока и заряда, переносимого ионами на мишень. При этом измеряется сила тока ионов, попадающих на мишень, располож. внутри коллектора-токоприемника, выполнен­ного в виде цилиндра Фарадея: стакан небольшого диаметра, в кот. цилиндр. стенка электрически связана с дном. При соударениях высокоэнергетичных ионов с мишенью, рас­положенной на дне цилиндра Фарадея, имеет место эмиссия фотонов ν, вторичных и третичных электронов е, рас­пыление нейтральных частиц А⁰, полож. А⁺ и отриц. А^– ионов, ранее десорбированных молекул AM. Наи­большую долю в составе эмиттированных частиц составляют вторичные электроны.

Вак. сист. имплантера предназн. для получ. разреж., необходимого для работы ионного источника и движения ионов в эл. и магн. полях и для предотвращения эл. пробоев между высоко­вольтными электродами. Величина остат. давл. в ускорительной камере ~10^-4 Па. Д/ по­луч. выс. вакуума в имплантерах использ. паромасл. диф. насосы. Д/созд. предваритель­ного разрежения и откачки шлюзовых устр-тв ис­польз.я мех. пластинчато-роторн. форвак. насосы.