2.4. Ионно-плазменное травление
Плазма– это частично или полностью ионизированный газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц, сумма которых равно нулю.
Плазма подчиняется газовым законам, но проводит электрический ток и управляется магнитным полем.
Плазму подразделяют на низкотемпературную или холодную и на высокотемпературную или горячую. Единица измерения температуры плазмы – электронвольт (эВ). Температура горячей плазмы составляет сотни эВ, а холодной – несколько эВ. В микроэлектронике используют низкотемпературную плазму.
Электронвольт, – внесистемная единица энергии, равная энергии, приобретаемой частицей, несущей один элементарный заряд (заряд электрона) при перемещении в ускоряющем электрическое поле между двумя точками с разностью потенциалов 1 в. Обозначения: русское - эв, международное - eV.
1 эв = 1,60219×10-19 дж. Применяются кратные единицы килоэлектронвольт (кэв, keV), равный 103 эв, мегаэлектронвольт (Мэв, MeV), равный 106 эв. Часто в эв выражают массу элементарных частиц, что основано на уравнении Эйнштейна Е = mc2, связывающем массу частицы т с её полной энергией Е; с - скорость света. Энергия, соответствующая одной атомной единице массы, равна (931,5016 ? 0,0026) Мэв.
Приложенное извне электрическое поле не только ионизирует газ, но и возбуждает в нём электрический ток. Этот процесс называютгазовым разрядом.
В плотном газе при высоких напряжениях катод разогревается ударяющимися о него ионами газа, в результате чего образуется разряд, который называется горячим или дуговым, а в разреженом объёме газа образуется разряд, который называетсяхолодным или тлеющим.
Процесс, обратный ионизации газа, называют рекомбинацией.При этом происходит соединение ионов и электронов с образованием нейтральных атомов или молекул. Они обладают избыточной энергией и могут обеспечить вторичную ионизацию газа. В разреженной плазме рекомбинация сопровождается слабым излучением и обменом энергией (по типу упругого столкновения).
При неупругих столкновенияхчастиц кинетическая энергия превращается вэнергию возбуждения, ионизации или перезарядки.
- если кинетической энергии достаточно для перехода электрона одного из атомов (или молекул), участвующих в столкновении, на более высокую орбиту, происходит возбуждение и излучается квант света.
- если энергии достаточно для отрыва электрона от атома (или молекулы), происходит ионизация
- если атом сталкивается с собственным ионом, то ион отбирает у атома электрон и атом превращается в ион (атомный ион), а ион – в атом. Когда быстрый ион отбирает у атома электрон, от превращается в быстрый атом (который уже не управляется) и уносит энергию, сообщенную ускоряющими устройствами.А образовавшийся ион – медленный и его надо снова ускорять (тратить энергию).
Ионизироваться могут не только атомы, но и молекулы, из которых образовываются молекулярные ионы.
Процессы взаимодействия потоков частиц с твердым телом (ТТ)
При взаимодействии ускоренных атомных частиц, как нейтральных, так и заряженных, с поверхностью твердого тела (ТТ) основными процессами, приводящими к возникновению потоков вторичных частиц являются следующие:
Рис. 2.12. Схема взаимодействия поверхности с атомами и ионами
Интенсивность каждого из возможных эффектов определяется всей совокупностью факторов, таких как энергия, масса и зарядовое состояние бомбардирующих частиц; состав, структура, состояние поверхности ТТ.
Ряд процессов, происходящих при взаимодействии ускоренных атомных частиц с ТТ, лежит в основе современных вакуумных технологий:
ионная очистка - удаление адсорбированных на поверхности твердого тела ускоренными ионами;
ионное травление - удаление аморфного поверхностного слоя ускоренными ионами. Энергия ионов в этом случае невелика и достаточна лишь для удаления слабо связанных атомов:
ионное распыление - удаление поверхностных слоев. В этом случае энергия ионов достаточна для разрыва связей в твердом теле и выхода атомов в вакуум:
ионное легирование - внедрение требуемого сорта атомов в твердое тело;
радиационно-стимулированная диффузия и радиационно-стимулированный отжиг основанная на передаче энергии атомам ТТ достаточной для их перемещения в ТТ.
В основе ионно-плазменных (элионных) технологий лежат следующие физические явления:
- формирование направленных потоков элементарных частиц в вакууме
- модификация потоков (по скорости, направлению, плотности и т.д.)
- взаимодействие этих потоков с поверхностями твердых тел.
(Наиболее близкий аналог элионных установое – установок - электронно-лучевая трубка, где все эти функции реализованы).
Эффект взаимодействия потоков элементарных частиц (электронов, ионов, молекул и т.д.) с мишенью - поверхностью твердого тела, определяется в первую очередь энергией этого потока, которая в свою очередь зависит от плотности потока, скорости частиц, их атомного веса и т.д.
При минимальной энергии (E1=E0) энергии частиц хватает лишь на достижение поверхности и удержании на ней при взаимодействии с молекулами твердого тела. Получается "эффект падающего снега".При достаточной длительности процесса на поверхности формируется слой осажденных частиц по аналогии со снежным покровом. Данный эффект используется при вакуумном нанесении тонкопленочных покрытий.
Рис. 2.13.
При более высоком уровне энергии частиц(E2>E1) наблюдается "эффект отскочившего шарика". Частицы отражаются от поверхности, формируется отраженный поток, который имеет модифицированные свойства по сравнению с первичным. Подобно тому, как по отскоку шарика можно судить о характере поверхности соударения на макроуровне (гладкая или шероховатая, твердая или мягкая), по отраженному потоку электронов или ионов можно судить с высочайшей точностью о свойствах материала на микроуровне: его химическому составу, физических свойствах и т.д. Данный эффект широко используется в электронной и ионной микроскопии.
Дальнейшее повышение энергии потока(E3>E2) приводит к эффекту "брошенного булыжника". Если, например, долго бомбардировать булыжниками оштукатуренную стену, можно слой штукатурки отбить полностью. Аналогично, попадающие на поверхность частицы в состоянии производить микровырывы материала поверхности (на молекулярном уровне, разумеется). Бомбардируя ионами соответствующей энергии поверхность, можно добиться полного удаления поверхностного слоя - толщиной от нескольких рядов молекул до микронного диапазона. Такие процессы называют ионным травлением, ионным фрезерованием и т.п.
Рис. 2.14.
При еще более высокой энергии частиц(E4>E3) становится возможной их имплантация - проникновение вглубь материала ("эффект пули"). По мере насыщения приповерхностных слоев меняется их химический состав и поверхностные свойства, происходит "ионное легирование". Тем самым можно придать материалу свойства коррозионной стойкости (например, имплантируя в железо ионы хрома и никеля), износостойкости и т.д., не прибегая к обычному объемному легированию, когда соответствующие химические элементы вводятся в объем материала в расплавленном состоянии. Ведь коррозионная стойкость нужна только поверхности!
И, наконец, самый высокий уровень энергии дает возможность элементарным частицам проникать сквозь материал или среду - "эффект метеорита". Путем бомбардировки молекулами определенных размеров тонких мембран и формирования в них микроотверстий можно создавать "микрофильтры" на молекулярном уровне.