ТУТ ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ 18, 41, 43, 20, 21, 22, 24. ВРОДЕ ТАК

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

НАНЕСЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЁНОК МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ НА УСТАНОВКЕ «ОРАТОРИЯ-5»

ЦЕЛЬ: ознакомление с процессом магнетронного распыления.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Вакуумное нанесение металлических плёнок, при создании приборов микро- и нано-электроники, играет важную роль. Получаемые плёнки можно использовать, как металлизацию для контактов, так и маскирующее покрытие. Металлические покрытия, получаемые магнетронным распылением, как правило, чистые и с хорошими электрическими свойствами.

Качество получаемых методом магнетронного распыления металлических плёнок зависит от многих параметров, таких как: чистота материала мишени, качество подготовки поверхности подложки, условия технологического процесса (степень глубины вакуума, чистота используемого инертного газа).

Магнетронное распыление относится к методам распыления материалов ионной бомбардировкой.

Характер взаимодействия бомбардирующих ионов с поверхностью твёрдого тела определяется их энергией. При энергиях меньших 5 эВ, взаимодействие ограничивается физически и химически адсорбированными слоями, вызывая их десорбцию и обуславливая протекание различных химических реакций. При кинетических энергиях, превышающих энергию связи атомов в кристаллической решётке, бомбардировка вызывает разрушение приповерхностного слоя и выброс атомов в паровую фазу (распыление). Минимальная энергия ионов, приводящая к выбиванию атомов с поверхности, называется пороговой энергией распыления. Значение ее находится в интервале энергий от 15 до 30 эВ.

Характеристикой процесса ионного распыления служит коэффициент распыления (1), определяемый средним количеством атомов мишени, выбитых с бомбардируемой поверхности падающим ионом.

(1)

где K_S – коэффициент распыления, N_t – количество выбитых атомов мишени, N_i – количество бомбардирующих ионов.

Коэффициент распыления определяется энергией и направлением падения ионов, природой взаимодействующих материалов, кристаллографической структурой и атомным строением бомбардируемой поверхности.

При возрастании энергии бомбардирующих ионов свыше 100 эВ коэффициент распыления резко увеличивается и в области 5 – 10 кэВ выходит на насыщение. Дальнейшее повышение кинетической энергии свыше 100 кэВ приводит к снижению распыления, вызванному радиационными эффектами и внедрениями ионов в кристаллическую решётку. Диапазон энергий бомбардирующих ионов, представляющих интерес при получении плёнок, находится в пределах от 300 до 5000 эВ. Распыление вызывается, в основном, передачей импульса энергии от бомбардирующей частицы атомам кристаллической решётки в результате серии последовательных столкновений. Передача импульса от падающих ионов происходит в первых атомных слоях решётки, например, при бомбардировке поверхности поликристаллической меди ионами аргона с энергией 1000 эВ глубина проникновения равнялась трём атомным слоям. Энергия распыления атомов значительно превышает кинетическую энергию испарённых атомов и составляет 0,1 – 100 эВ. Распыление сопровождается эмиссией вторичных электронов, которые ускоряются в электрическом поле, вызывая дополнительную ионизацию.

Наибольшее распространение в качестве источника бомбардирующих ионов получил инертный газ аргон, имеющий массу, достаточную для распыления, и характеризующийся относительно малой стоимостью. Влияние температурных условий незначительно. Распыление металлов в твёрдом и расплавленном состояниях практически не различается. Исключение составляет область температур, при которых переход атомов в паровую фазу путём испарения становится существенным и превышает распыление. Необходимо заметить, что с увеличением угла падения ионов (относительно нормали к поверхности) эффективность распыления возрастает.

Схема магнетронной распылительной системы представлена на рисунке.

Рисунок1 – Схема установки магнетронного распыления

Основными элементами являются плоский катод (мишень), изготовленный из напыляемого материала, анод, магнитная система, обычно на основе постоянных магнитов, и система водоохлаждения. Силовые линии магнитного поля, замыкаясь между полюсами, пересекаются с линиями электрического поля.

При подаче постоянного напряжения между мишенью (отрицательный потенциал) и анодом (положительный потенциал) возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается тлеющий разряд. В установке «Оратория-5» в качестве анода выступает держатель подложки и стенки камеры. Наличие замкнутого магнитного поля к распыляемой поверхности мишени позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени. Электрон циркулирует в электромагнитной ловушке до тех пор, пока не произойдёт несколько ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа, в результате которых он потеряет полученную от электрического поля энергию. Таким образом, в магнетронных устройствах при одновременном действии электрических и магнитных полей изменяется траектория движения электрона. Известно, что на заряд, движущийся в электромагнитном поле, действует сила Лоренца, направление которой, по правилу сложения сил, зависит от направления ее составляющих. При этом, часть силы Лоренца, обусловленная действием магнитного поля, не совершает работы, а лишь искривляет траекторию движения частицы, заставляя ее двигаться по окружности в плоскости, перпендикулярной V и B. Таким образом, большая часть энергии электрона, прежде чем он попадает на анод, используется на ионизацию и возбуждение, что значительно увеличивает эффективность процесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации положительных ионов у поверхности мишени. Это, в свою очередь, приводит к увеличению интенсивности ионной бомбардировки мишени и значительный рост скорости осаждения плёнок. Из-за неоднородности действия электрических и магнитных полей в прикатодной зоне интенсивность ионизации в различных участках различна. Максимальное значение наблюдается в области, где линии индукции магнитного поля перпендикулярны вектору напряжённости электрического поля, минимальное – где их направление совпадает.

Поверхность мишени, расположенная между входом и выходом силовых линий магнитного поля, интенсивно распыляется и имеет вид замкнутой дорожки, геометрия которой определяется формой магнитной системы.

Основные технологические параметры процесса магнетронного распыления на установке «Оратория-5»:

- давление инертного газа в распыляемой камере (0,1 – 1 Па),

- остаточное давление в основной камере ≈ 10^-3 Па,

- рабочее напряжение на катоде (мишени) 300 – 600 В,

- максимальный нагрев подложек – 350 ºС,

- чистота инертного газа (Ar) – 99,998 % (ОСЧ),

- количество распыляемых отсеков – 4,

- количество магнетронов – 2 шт. (Ti, Al)

Особенности процессов осуществляемых на установке «Оратория – 5»:

- возможность подачи отрицательного напряжения на подложки,

- непрерывности процессов, благодаря шлюзовой камеры,

- возможность напыления различных металлов,

- возможность проведения реактивного магнетронного распыления.

ОТВЕТЫ НА КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Объяснить принцип метода магнетронного распыления.

Силовые линии магнитного поля замыкаются между полюсами магнитной системы. При подаче постоянного напряжения между мишенью и анодом возникает неоднородное электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий разряд. Наличие замкнутого магнитного поля у распыляемой поверхности мишени позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени. Эмитированные с катода электроны захватываются магнитным полем, и им сообщается сложное циклоидальное движение по замкнутым траекториям у поверхности мишени. Электроны оказываются в ловушке, создаваемой с одной стороны магнитным полем, возвращающим электроны на катод, а с другой - поверхностью мишени, отталкивающей их. В этой ловушке электроны циркулируют до тех пор, пока не произойдёт несколько ионизирующих столкновений, в результате которых электрон теряет полученную от электрического поля энергию. Таким образом, большая часть энергии электрона, прежде чем он попадает на анод, используется на ионизацию и возбуждение, что значительно увеличивает эффективность процесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации положительных ионов у поверхности мишени. Это в свою очередь обусловливает увеличение интенсивности ионной бомбардировки мишени и значительный рост скорости распыления, следовательно, и скорости осаждения плёнок.

2. Что такое коэффициент распыления и от чего он зависит.

Процесс распыления материалов количественно характеризуется коэффициентом распыления K, который определяется как среднее число атомов, выбиваемых с поверхности материала одной падающей частицей. , где N_a - число выбитых (распылённых) атомов материала; N_d - число ионов, бомбардирующих материал.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

РЕАКТИВНОЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ ТРАВЛЕНИЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ

ЦЕЛЬ: исследование процесса ионно-плазменного травления карбида кремния (SiC).

БЛОК-СХЕМА УСТАНОВКИ

Для проведения исследований процессов РИПТ эпитаксиальных плёнок и монокристаллов SiC в работе используется экспериментальная установка с ВЧ-магнетронным разрядом, блок схема которой показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная диаграмма экспериментальной установки

Вакуумная камера откачивается с помощью включённых последовательно форвакуумного и диффузионного насосов до остаточного давления 10^-3 Па. Для подачи реакционных газов в камеру используется трёхканальная система напуска газов (SF₆, O₂, H₂), обеспечивающая плавную регулировку давления и состава рабочей смеси газов. Внутри реакционной камеры расположен ВЧ-электрод (катод) на котором располагаются обрабатываемые подложки. Катод электрически изолирован от металлических заземлённых стенок камеры. К ВЧ-электроду через согласующее устройство подключён ВЧ-генератор (13,56 МГц; 10²-10³ Вт), обеспечивающий зажигание и поддерживание газового разряда между ВЧ-электродом и стенками камеры (анод). Для интенсификации процессов ионизации и диссоциации молекул рабочего газа при низких давлениях (0,1-1,5 Па), а также локализации плазмы вблизи поверхности подложки, под ВЧ-электродом расположена сканирующая магнитная система (на основе постоянных магнитов, перемещающихся вдоль оси Х в плоскости подложки). Система создаёт магнитное поле ~ 0,1 Тл, направленное параллельно поверхности подложки перпендикулярно вектору напряжённости электрического поля. Это обуславливает горение разряда в скрещённых электрическом и магнитном полях. Для обеспечения текущего контроля глубины и скорости травления обрабатываемая подложка (или тестовый образец) подсвечивается через оптическое окно на крышке камеры монохроматическим излучением (λ = 0,63 мкм) с помощью Не-Nе лазера ЛГ-78. Отражённое от подложки излучение регистрируется фотоприёмником (фотодиод ФД-7к) и самописцем. Устанавливая необходимую скорость протяжки ленты самописца, можно записать временные изменения интенсивности отражённого излучения. По этим диаграммам можно рассчитать в соответствии с формулами (8) и (9) глубину и скорость травления.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Одним из ключевых этапов производства полупроводниковых приборов на основе SiC является прецизионное формирование микрорельефа в монокристаллическом SiC и эпитаксиальных плёнках SiC. В настоящее время на смену высокотемпературным методам жидкостного химического травления в расплавах щелочей приходит метод низкотемпературного, так называемого “сухого”, травления в плазме галогеносодержащих газов. Процессы “сухого” травления SiC и других кремнийсодержащих материалов микроэлектроники основываются на взаимном воздействии ионной бомбардировки и химических реакций на поверхности подложки. Ионная бомбардировка аморфизирует поверхность, разрушая или ослабляя химические связи между атомами материала подложки. Химически активные частицы (атомы, ионы, радикалы) генерируются в плазме за счёт соударений нейтральных молекул газа с высокоэнергетическими электронами. Атомы и радикалы галогенов (F, Cl, Br т.д.) насыщают разорванные связи. Травление материала подложки возможно при условии, что в результате химических реакций на поверхности образуются летучие соединения, которые в процессе травления постоянно удаляются откачной системой.

В зависимости от того, преобладает процесс ионной бомбардировки над протеканием химических реакций на поверхности или наоборот, методы сухого травления можно разделить на:

• плазмохимическое – ПХТ (энергия ионов невелика, травление осуществляется за счёт химических реакций, протекающих на поверхности);

• реактивное ионно-плазменное – РИПТ (вклад физического распыления значителен, однако суммарное воздействие ионной бомбардировки и химических реакций является неаддитивным, т.е. превышает простое сложение обоих процессов).

Последний метод применительно к травлению SiC особенно актуален, поскольку этот материал характеризуется большими энергиями связи между атомами кремния и углерода. В данном случае процесс ионной бомбардировки значительно активизирует протекание реакций в приповерхностной области. В качестве рабочих газов при РИПТ, как правило, используют хладоны CF₄, CHF₃, SF₆, NF₃, а также их смеси с кислородом, азотом, водородом и инертными газами. В лабораторной работе приводится исследование РИПТ SiC в хладоне SF₆. Особенность метода РИПТ в том, что процесс травления является ионновозбуждаемым, поскольку радикалы SF_n (n < 6 и ионы SF_n способны реагировать с поверхностью подложки наряду с атомами (в отличие от ионов инертных газов). Простейшую схему процессов, протекающих в плазме и на поверхности подложки, можно охарактеризовать системой уравнений:

	(1)
	(2)
	(3)
	(4)

Как видно из уравнения (3), на поверхности подложки осаждается сера. Удалить ее можно за счёт физического распыления или с помощью добавки кислорода в смесь рабочих газов:

(5)

Добавка кислорода также приводит к увеличению скоростей травления SiC, поскольку кислород реагирует с углеродом с образованием летучих соединений:

(6)

Основными задачами “сухого” травления является достижение высоких скоростей травления и селективности, большого значения отношения глубины рельефа к боковому подтраву. Возникновение в плазме химически активных частиц вызывает одновременное протекание различных процессов, например, травления, полимеризации, газофазных реакций. Плазма является источником ионов, электронов, фотонов и т.д., которые оказывают заметное влияние на поверхность. При этом скорость травления зависит практически от всех параметров процесса – давления травящего газа (Р), мощности ВЧ-разряда (W), температуры и скорости потока рабочего газа. Это отрицательно сказывается на воспроизводимости технологического процесса, нуждающегося в стабилизации. Для обеспечения текущего контроля глубины и скорости травления в лабораторной работе используется интерферометрический метод измерения коэффициента отражения зондирующего излучения от поверхности обрабатываемой пластины. На рисунке 1 приведены временные диаграммы изменения коэффициента отражения R для двух видов обрабатываемых структур. Первый случай (рисунок 2, а) соответствует травлению монокристаллической подложки SiC через алюминиевую маску в виде регулярной структуры дифракционной решётки с шагом 5-20 мкм. Отражённое от поверхности такой решётки монохроматическое излучение (λ = 0,63 мкм) будет содержать наряду с повышенным фоном излучения дифрагирующую волну, создающую в определённых точках поля наблюдения максимумы интенсивности. Если в обрабатываемом изделии материал плёнки, образующей микроструктуру, не подвержен травлению (Al не травится во фторсодержащей плазме), то, наблюдая изменение интенсивности в нулевом рефлексе (или в любом другом) при травлении материала подложки, можно получить информацию об изменении глубины рельефа. В данном случае изменение интенсивности отражённого излучения будет обусловлено интерференцией когерентных электромагнитных волн, отражённых от поверхности маски и поверхности подложки, незащищённой Al. Закон изменения интенсивности при травлении материала подложки будет соответствовать выражению:

(7)

где А и В – константы, а ψ – фазовый сдвиг (функция обратно пропорциональная глубине протравленного рельефа).

При этом экстремумы интенсивности отражённого излучения наблюдаются каждый раз при изменении глубины травления на величину, равную:

(8)

Рисунок 2 – Временные диаграммы изменения коэффициента отражения R

(а – при травлении монокристаллической подложки SiC через сформированную на ее поверхности алюминиевую маску в виде регулярной микроструктуры, b – при травлении оптически прозрачной (полупрозрачной) плёнки (n₁) на подложке (n₂n₁))

Второй случай (рисунок 2, б) соответствует оптически прозрачной плёнке (толщиной 0,5 – 10 мкм) с показателем преломления n₁n₂. Например, плёнка SiC (n₁ = 2,5) на поверхности кремния (n₂ = 4). При этом будет наблюдаться явление интерференции когерентных электромагнитных волн, т.е. эффект усиления или ослабления суммарной волны, образующейся при наложении волны, отражённой от поверхности плёнки и волны, отражённой от границы раздела «плёнка-подложка». При нормальном падении монохроматического излучения на поверхность образца интенсивность отражённого сигнала будет определяться выражением (7). Таким образом, если в процессе обработки плёнки изменяется ее толщина, результирующий поток, отражённый системой «плёнка-подложка», будет иметь косинусоидальную модуляцию интенсивности. Экстремумы интенсивности наблюдаются при изменении толщины обрабатываемой плёнки на величину (8).

На рисунке 3 приведены реальные временные диаграммы изменения коэффициента отражения R для рассмотренных выше приборных структур.

Рисунок 3 – Изменение коэффициента отражения R в процессе травления

(а – многослойной системы оптически прозрачных плёнок,

b – монокристаллического SiC со сформированной на его поверхности Al маской типа дифракционной решётки)

ОТВЕТЫ НА КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ