3 Ионный источник с индуктивно связанной плазмой для осаждения покрытий

Технология плазмохимического осаждения (PECVD или ICPECVD) – это метод формирования высококачественного тонкопленочного покрытия из газовой фазы, использующий плазменный разряд для разложения реакционного газа на активные радикалы.

В процессе плазмохимического осаждения реакционный газ, подаваемый в камеру-реактор, диссоциируется в разряде и образовавшиеся радикалы реагируют с поверхностью подложки и тем самым образуют тонкопленочное покрытие. Отличительной особенностью данного метода является относительно низкая температура процесса (КТ – 400 С°), что положительно влияет на скорость процесса и ряд других параметров.

Плазмохимическое осаждение является функциональным и высококачественным методом осаждения с широким выбором материалов и возможностей по получаемым свойствам пленки. Основным применением данного метода является осаждение диэлектриков SiO₂, Si₃N₄, и др. при производстве электронных компонентов и схем.

Для плазменного осаждения диэлектриков отлично подойдут установки производства SENTECH такие как Depolab 200 и SI 500 PPD, применяющиеся в НИОКР. Различается наличием вакуумного загрузочного шлюза. Для низкотемпературного плазма-химического осаждения диэлектриков специально разработана установка SI 500 D. Отличительной особенностью системы является плоский источник индуктивно связанной плазмы, электрод подложки с гелиевым охлаждением и динамической регулировкой температуры, а также высокоэффективная вакуумная система.

Плазменное осаждение диэлектриков входит в ряд видов газофазного (или пиролитического) осаждения. Основой процесса газофазного осаждения всегда выступает газ – один или несколько, либо жидкий материал, который переносится потоком инертного газа в реактор, куда помещаются подложки.

Конечный результат процесса – образование на подложке пленки нужной толщины.

Все виды газофазного осаждения, включая PECVD и ICPECVD, особенно востребованы в индустрии производства полупроводников, поскольку гарантируют получение тонких пленок. В плазменном осаждении участвует газоразрядная плазма, ускоряющая скорость реакции прекурсоров. Такая технология имеет свои преимущества, в частности, повышение конформности слоя пленки. Схема устройства методом плазменного осаждения представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Схема устройства метода плазменного осаждения

Весь процесс можно разделить на шесть стадий:

• газофазное разложение;

• направление потока частиц материала к подложке;

• концентрация частиц у поверхности подложки;

• распределение (диффузия) вдоль всей поверхности;

• осаждение на поверхность;

• удаление побочных продуктов из реактора.

Газоразрядная плазма осуществляет разложение реакционного газа на активные радикалы даже при относительно низкой температуре (80 – 350 °С). А плазменное осаждение в индуктивно-связанной плазме (ICPECVD) и вовсе позволяет снизить температуру подложки практически до комнатной.

Свыше 30 лет в промышленности для создания пассивирующих или маскирующих слоев применяется метод плазменного осаждения диэлектриков, основанный на емкостном высокочастотном разряде между параллельными электродами.

Один из электродов – подогреваемый, он электрически соединен с корпусом реактора. Второй электрод оснащается газовым душем для подачи смеси реакционных газов (прекурсоров). На него подается высокочастотное напряжение. Подложка устанавливается на первом электроде. Как только зажигается емкостной разряд, смесь прекурсоров разлагается на активные радикалы, ионы и электроны. Ионы и активные радикалы контактируют с поверхностью подложки, и в результате химической реакции образуется необходимое для пленки вещество в виде аморфного или поликристаллического слоя. Контроль над процессом может осуществляться при помощи токов высокой и средней частоты в режиме смешанного возбуждения.

Особенности процесса PECVD:

• Диапазон давления в реакторе: 0.5-1.0 Т_орр.

• Реактор оснащается системой выравнивания давления с затвором переменного сечения.

• Плотность мощности: 0.02-0.1 Вт/см².

Преимущества PECVD:

• В сравнении с иными методиками CVD температура в реакторе ниже.

• Частота плазменного разряда прямо влияет на внутренние напряжения получаемых покрытий.

• Контролировать свойства получаемой пленки можно посредством изменения параметров процесса.

• Широта осаждаемых материалов, включая SiO₂, Si₃N₄, SiO_x, SiN_y, SiO_xN_y.

Диэлектрические пленки нитрида и оксида кремния отличаются рядом уникальных физических, химических и механических свойств. Пленки нитрида и диоксида кремния, полученные плазмохимическим осаждением, подходят для пассивации металлов с низкой температурой плавления, например, алюминия. Плазмохимический метод основан на реакции силана с аммиаком или азотом в тлеющем разряде при температуре 200 – 350 °С. Так создаются пассивирующие слои на поверхности приборов.

Плюсы пленок оксидов и нитридов кремния и его соединений:

• стойкость к влаге, ионам щелочных металлов, диффузантам;

• хорошие электроизолирующие и диэлектрические свойства;

• химическая стойкость, в том числе в условиях высоких температур, химическая инертность;

• совместимость по КТР с полупроводниковыми подложками;

• высокая термостабильность.

Методика плазменного осаждения в индуктивно-связанной плазме (ICPECVD) предполагает использование плазмы, образуемой с помощью высокочастотного переменного магнитного поля. Она применяется для нанесения широкого спектра материалов на подложки и поверхности, не допускающие нагрева до высоких температур, и позволяет подобрать режимы низкотемпературного (до 50 °С) осаждения:

• диэлектриков на основе кремния (SiO₂, SiN_x);

• аморфного и поликристаллического кремния;

• карбида кремния SiC.

Реактивное ионное травление с источником индуктивно связанной плазмы (в английской литературе - Inductively Coupled Plasma Etch, Reactive Ion Etching with Inductive Plasma, или ICP Etch, RIE/ICP), представляет собой развитие стандартной технологии реактивного ионного травления. Типовая схема такой установки представлена на рис. 3.2.

Рисунок 3.2. – Схема реактивного ионного травления с источником индуктивно связанной плазмы (ICP Eetch)

В конфигурации ICP Etch для создания плазмы используется индуктивный разряд. Мощность, вкладываемая в индуктивный разряд, определяет плотность плазмы и, как следствие, плотность активных радикалов и ионов. Подложка размещается на электроде, к которому подводится ВЧ напряжение для создания электрического смещения. Величина смещения электрода подложкодержателя определяет энергию и поток ионов на поверхность подложки. Плотность плазмы, создаваемой индуктивным источником, достигает значений более 10¹¹ см^-3 и существенно превышает плотность плазмы в стандартных РИТ системах. Соответственно, скорости травления в ICP Etch системах оказываются выше, чем скорости в сопоставимых РИТ конфигурациях. Независимое управление энергией ионов в ICP Etch системах позволяет значительно улучшить параметры селективности и управления профилем травления.

Основным преимуществом ICP Etch системы является использование раздельного управления плотностью плазмы и потоком ионов на поверхность подложки, что позволяет существенно расширить диапазон технологических параметров плазмохимического травления