Лазерные технологии в электронном машиностроении (96
..pdfМосковский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана
И.Е. Малов, И.Н. Шиганов
ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭЛЕКТРОННОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия
Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2 0 0 8
УДК 621.375.826(075.8) ББК 32.86
М197
Рецензенты: В.К. Драгунов, Ю.В. Панфилов
Малов И.Е., Шиганов И.Н.
М197 Лазерные технологии в электронном машиностроении: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. — 24 с.: ил.
Дано общее представление о процессах лазерной обработки полупроводников с целью рекристаллизации и отжига, описаны лазерные технологии модифицирования и изменения химического состава поверхностных слоев, напыления и осаждения тонких пленок, процессы лазерного легирования поверхности полупроводников. Также в пособии рассмотрены физико-химические и технологические процессы лазерной обработки пленок и деталей микроэлектроники, дана классификация методов лазерной обработки, рассмотрены методы подгонки параметров элементов микроэлектроники, размерной обработки и маркировки тонких пленок.
Для студентов 6-го курса, изучающих дисциплину «Лазерная микротехнология».
УДК 621.375.826(075.8) ББК 32.86
♥ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008
ВВЕДЕНИЕ
Лазерными микротехнологиями принято называть лазерные технологии обработки материалов, в которых физико-химические процессы, вызванные в материале воздействием лазерного излучения, локализованы в области, не превосходящей несколько десятков микрон.
Внастоящее время данные технологии находят достаточно широкое применение в промышленности. Наиболее востребованными среди лазерных микротехнологий являются:
1) лазерная обработка полупроводников;
2) модифицирование и изменение химического состава поверхностных слоев;
3) микропроцессы обработки с испарением обрабатываемого материала [1].
Вданном пособии отражены современные представления о построении технологических процессов в электронной промышленности.
1. ЛАЗЕРНЫЙ ОТЖИГ ИМПЛАНТИРОВАННЫХ СЛОЕВ
Многие замечательные достижения последних лет в области полупроводниковой электроники, в частности, улучшение характеристик приборов, уменьшение их размеров, увеличение выхода годных изделий, связаны с применением технологии ионной имплантации. Метод ионной имплантации состоит в легировании полупроводника необходимым элементом, которое осуществляется облучением поверхности полупроводника потоком данного элемента при ускоряющем напряжении в несколько киловольт. Эта
3
технология уникальна: позволяет внедрять ионы, которые нельзя внедрить обычными методами.
Обычно для устранения радиационных дефектов и электрической активации внедренной примеси используют термический отжиг всего образца при оптимальной для каждого полупроводника температуре (300…1200 °С) в течение 10…60 мин в вакууме либо в атмосфере инертных газов.
Более современный метод лазерного отжига полупроводников лишен ряда недостатков, присущих термическому отжигу, и используется для получения более равновесных структур в слоях и пленках. Суть этого метода заключается в том, что на имплантированный полупроводник воздействуют мощным импульсом лазерного излучения с надлежащей длиной волны, плотностью энергии и длительностью импульса.
Большинство исследований процесса лазерного отжига были проведены на кремнии, поскольку на сегодняшний день он наиболее часто применяется в микроэлектронной технологии.
Видылазерногоотжигаопределяютсярежимомработылазера[2]:
–отжиг наносекундным одиночным импульсом;
–отжиг миллисекундным одиночным импульсом;
–отжиг быстросканирующим сфокусированным лучом лазера, работающего в режиме непрерывной генерации;
–отжиг быстросканирующим лучом лазера, работающего в режиме модулированной добротности с высокой частотой повторения импульсов (до 50 кГц).
Из этих режимов наиболее полно изучен первый.
Лазерный отжиг ионно-легированных полупроводников имеет несколько характерных особенностей, которые отличают его от термического отжига. Основными из них являются пороговый характер отжига, повышенное качество восстановленной структуры, высокие скорости рекристаллизации, перераспределение примесей
иповышенная эффективность отжига, локализация воздействия в трех измерениях, очень малая длительность отжига.
Главным недостатком лазерного луча применительно к отжигу полупроводников является неравномерность распределения энергии по поперечному сечению луча. Для улучшения качества излучения используют специальные оптические системы, но это приводит к потерям до 40 % излучения.
4
Лазерный отжиг наиболее эффективен в случаях, когда нужно получить уникальные результаты, например, высокую локальность, недостижимую другими методами концентрацию электрон- но-активной примеси в тонком приповерхностном слое полупроводника, выполнить отжиг полупроводников сложного состава и т. п. В этих случаях лазерный отжиг может оказаться единственно возможным методом [2].
2.ЛАЗЕРНОЕ НАПЫЛЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК
ВВАКУУМЕ
Темпы совершенствования технологических процессов в современной электронике во многом определяются развитием тонкопленочных технологий. Широкое использование тонких пленок в микроэлектронике объясняется прежде всего возможностью получения малогабаритных схем при низкой потребляемой мощности и высокой плотности монтажа элементов.
Пленочные технологии используются для формирования p–n- переходов, токопроводов и резисторов в микросхемах, фотошаблонов для фотолитографии, записывающего слоя в носителях информации и др.
Широко распространенными методами нанесения пленок являются термическое испарение в вакууме, гальваническое осаждение и ионно-плазменное напыление. Однако эти методы имеют ряд недостатков: ограниченность скорости напыления, наличие дефектов в виде пор и трещин, несоответствие стехиометрического состава материала получаемых элементов составу исходных материалов при нанесении соединений, трудности с испарением тугоплавких и многокомпонентных материалов, в некоторых случаях — недостаточная адгезия к подложке, наличие экологически вредных операций. Некоторые из этих недостатков связаны с использованием стационарного нагрева.
Для устранения указанных недостатков был разработан ряд иных методов:
–ионно-плазменное и катодное распыление;
–получение пленок из химических соединений при помощи электронного луча;
5
– импульсные методы получения пленок с применением таких концентрированных источников энергии, как импульсная плазма, электронный луч, взрывающиеся проволочки и фольги, лазерное излучение.
Метод лазерного напыления пленок основан на использовании физических явлений, возникающих при воздействии излучения на субстрат и приводящих к выносу вещества из зоны облучения (рис. 1). Достигая поверхности подложки, вещество конденсируется на ней в виде тонкой пленки.
Рис. 1. Схема процесса лазерного напыления в вакууме [2]:
1 — лазер; 2 — фокусирующий объектив; 3 — входное окно для лазерного излучения; 4 — защитная пластина, прозрачная для лазерного излучения; 5 — держатель со сменными мишенями; 6 — вакуумная камера; 7 — продукты испарения; 8 — подложка; 9 — держатель подложки с нагревателем или охладителем
В технологии лазерного напыления тонких пленок металлов чаще всего используют АИГ:Nd-лазеры с длительностью импульсов от наносекунд до микросекунд, в отдельных случаях применяют лазер на рубине. При напылении неметаллических пленок используют СО2-лазеры (в основном импульсно-периодические), также могут использоваться эксимерные лазеры. В зависимости от характеристик лазерного излучения различают мягкие, средние и жесткие режимы облучения [2].
Наиболее часто напыление пленок осуществляется в режимах развитого испарения мишени при длительности импульсов τ = 10–8 с. Процесс напыления пленок можно разбить на несколько основных этапов:
6
1)воздействие лазерного излучения на мишень; в начале воздействия лазерного импульса происходят разогрев мишени и испарение небольшой дозы вещества. Степень ионизации испаренного газа увеличивается с ростом температуры, при этом растет и коэффициент проходящего через него излучения. В некоторых режимах наступает пробой, пар полностью ионизируется и поглощение в нем резко возрастает;
2)инерциальный разлет продуктов лазерной эрозии в вакуум;
3)взаимодействие плазмы с поверхностью подложки;
4)образование и рост слоя конденсата.
Эффективность лазерного напыления определяется интенсивностью парообразования в зоне облучения.
Метод лазерного напыления пленок целесообразно применять в тех случаях, когда это позволяет получить уникальные результаты. Стабильность наносимых за один импульс слоев позволяет использовать программу для напыления пленок строго контролируемой толщины. Высокая скорость роста обеспечивает сплошность слоев при толщине, близкой к мономолекулярной. Большая скорость нагрева мишени лазерным излучением позволяет сохранять стехиометрическое соотношение между элементами сложных соединений в продуктах эрозии мишени и соответственно получать пленки сложных соединений со стехиометрией, соответствующей исходной. Плазма, содержащая быстрые ионы в количестве, достаточном для снижения температуры эпитаксиального роста, позволяет напылять сверхтонкие монокристаллические пленки и их комбинации, в том числе и такие, которые не удавалось получать традиционными методами.
Напыление металлов. Метод лазерного напыления металлических пленок интересен, прежде всего, тем, что его можно применять для напыления тугоплавких металлов при больших скоростях роста ((1…6) 105 нм/с), достаточных для получения сверхтонких (1…2 нм) сплошных пленок.
При лазерном напылении целесообразно использовать излучение для очистки поверхности подложки.
Напыление пленок стехиометрического состава. Для напы-
ления пленок стехиометрического состава целесообразно использовать режимы, при которых не происходит диссоциации молекул испаряемого материала. В этом случае наблюдается процесс моле-
7
кулярного напыления. Такой режим может быть реализован при сравнительно длинных импульсах (τ = 10–3 с) небольшой интенсивности (q = 105 Вт/см2). В этом случае повторяются основные закономерности дискретного напыления. Молекулярное напыление целесообразно применять для получения стехиометрических пленок сложных материалов с высокой энергией диссоциации, например ZrO2, Al2O3, BeO2, SiO2. Большие скорости роста позволяют получать сплошные сверхтонкие пленки и плотные пленки большой толщины. Также можно напылять пленки из смесей различных соединений. Таким образом можно получать многокомпонентные пленки со специфическими оптическими, электрическими и механическими свойствами. Например, пленка, полученная при лазерном испарении смеси пресованного порошка (SiC — 33 %, SiO2 — 27 %, Al2O3 — 27 %, TiO2 — 13 %), содержит все инфра-
красные линии поглощения, характерные для отдельных соединений.
Лазерное напыление многослойных структур. Получение квантово-размерных узкозонных полупроводников (InSb, PbTe, PbS), полуметаллов (Bi) и сверхтонких монокристаллических пленок широкозонных полупроводников (CdTe, CdS) позволяет создать структуры типа сверхрешетки.
Задача получения отражающих поверхностей (зеркал) может быть решена изготовлением многослойной структуры с толщиной отдельных слоев, равной одной четверти длины волны [2].
3.ОСАЖДЕНИЕ ПЛЕНОК ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
Вмикроэлектронике широко используется метод осаждения пленок термическим разложением металлоорганических соедине-
ний (МОС) в газовой фазе, например, разложение силана SiH4 при температуре около 1000 °С на кремний и водород. Подложку нагревают до заданной температуры в атмосфере силана, вследствие чего адсорбированные на ее поверхности молекулы разлагаются и освободившийся при этом кремний оседает на поверхности подложки. Данный процесс называют пиролизом. Существует большое количество термостимулированных химических реакций разложения в газовой фазе, в результате которых на поверхность
8
нагреваемой подложки можно наносить пленки разных элементов и соединений.
Одним из инструментов термического разложения МОС в газовой фазе является лазер. При этом необходимо, чтобы подложка поглощала излучение, а разлагающийся газ был прозрачен для используемой длины волны. В этом случае лазерное излучение локально нагревает поверхность подложки и адсорбированные в зоне воздействия молекулы разлагаются. Для лазерного терморазложения в газовой фазе можно использовать импульсное и непрерывное лазерное излучение от УФ- доИК-диапазона при условии, что оноэффективно поглощается подложкой и может повысить ее температуру в зоне воздействиядо уровня, при которомпроисходитразложение.
Наряду с пиролизом существует метод разложения МОС в газовой фазе нагревом непосредственно самого газа. Данный процесс называют фотолизом. В этом случае длина волны лазерного излучения должна быть такой, чтобы луч поглощался в газовой среде. При этом происходит нагрев газа и его диссоциация на молекулы с осаждением компонентов на подложке. Например, из газов Al(CH3) или Cd(CH3) осаждают Al или Cd.
В микроэлектронной промышленности также используется метод фотополимеризации, с помощью которого наносят полимерные диэлектрические пленки. Например, в [2] описано, как с помощью импульсно-периодического СО2-лазера с частотой следования импульсов 1…10 Гц была осуществлена фотополимеризация фторалкенов C2F4, C2F3Cl на поверхности Si, SiO2, NaCl для формирования пленок фторопласта-3. Наилучшие результаты удалось получить при направлении лазерного излучения параллельно напыляемой поверхности.
Основные достоинства лазерного терморазложения МОС в газовой фазе связаны, прежде всего, с особенностями воздействия лазерного излучения на вещество и состоят в следующем:
–высокое пространственное разрешение и возможность контролировать процесс;
–высокие скорости нанесения конденсатов;
–локальность нагрева при термической обработке;
–чистота получаемых конденсатов;
–возможность простого сочетания этого процесса с другими лазерными технологическими операциями, такими как лазерный
9
отжиг, лазерное формирование сплавных омических контактов и p–n-переходов и др.
Вмикроэлектронике этот метод можно использовать для локального нанесения различных веществ при изготовлении микроэлектронных структур и элементов [2].
4.ОСАЖДЕНИЕ ПЛЕНОК ИЗ РАСТВОРОВ
ИФОТОХИМИЧЕСКИЙ КАТАЛИЗ
Вэлектронике широко используется метод электрохимического осаждения пленок. Суть этого метода состоит в восстановлении металла из водного раствора его соли (электролита) при пропускании через него электрического тока. При этом катионы металла, получающиеся в растворе вследствие электролиза, оседают на поверхности образца, находящегося в электрическом контакте с катодом электролитической ванны. Если образец связан с анодом системы, то наблюдается обратный процесс — его электрохимическое травление.
Для ускорения процесса электрохимического осаждения можно применять лазерное излучение, которым воздействуют на поверхность образца во время электрохимической реакции.
Влияние лазерного излучения на процесс определяется прежде всего его тепловым действием в зоне облучения. Но в зависимости от длины волны излучения возможен и другой механизм влияния, например фотохимический. Лазерная активация электрохимических процессов осаждения и травления имеет следующие особенности:
– при лазерной активации электрохимического процесса необязательно наличие в электролите ряда дополнительных веществ
идаже электромагнитного поля, без которых в обычных условиях процесс не идет. Это обстоятельство делает метод очень эффективным;
– скорость осаждения/травления в облученных участках возрастает многократно (до 200 раз) по сравнению с необлученными. Высокиескорости химических процессов позволяют получить плотные слои, не нуждающиеся в последующей термообработке, а также осадить вещества изпроточных растворов малой концентрации;
10