Модели каналирования:

• Учитывают движение вдоль кристаллографических каналов и скорректированное распределение концентрации ионов.

Программы моделирования

Для описания и прогнозирования процессов имплантации используются специализированные программы:

• TRIM (Transport of Ions in Matter) — расчёт каскадов столкновений.

• SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter) — определение пробега ионов и влияния каналирования.

Применение знаний о процессе

1. В микроэлектронике:

   • Создание зон легирования в полупроводниках (например, транзисторах).

2. В материаловедении:

   • Управление механическими свойствами материалов.

3. В оптике и медицине:

   • Модификация поверхностных свойств материалов для специфических применений.

Знание физики ионной имплантации и её эффектов позволяет точно управлять свойствами материалов и оптимизировать технологические процессы.

35. Ионная имплантация. Процессы дефектообразования. Отжиг дефектов.

Ионная имплантация — это процесс внедрения ускоренных ионов в материал для изменения его свойств. Этот метод широко используется в микроэлектронике, материаловедении и нанотехнологиях. При ионной имплантации неизбежно образуются дефекты в кристаллической структуре материала, которые могут негативно влиять на его свойства. Для восстановления структуры применяется процесс отжига дефектов.

Процессы дефектообразования

1. Основные механизмы дефектообразования:

   • При имплантации ионы передают свою кинетическую энергию атомам материала, вызывая их смещение.

   • Смещённые атомы создают каскады столкновений, которые приводят к образованию различных типов дефектов.

2. Типы дефектов:

   • Точечные дефекты:

     • Вакансии — атомы удаляются из узлов кристаллической решётки.

     • Межузельные атомы — атомы занимают положение между узлами решётки.

   • Кластеры дефектов:

     • Группы вакансий и межузельных атомов, формирующиеся при высоких дозах имплантации.

   • Дефектные области:

     • Локальные зоны с высокой концентрацией дефектов, вплоть до аморфизации материала.

3. Разрушение кристаллической решётки:

   • При низких дозах структура остаётся частично упорядоченной.

   • При высоких дозах кристалл может полностью аморфизироваться.

4. Зависимость дефектообразования от параметров имплантации:

   • Энергия ионов: более высокая энергия приводит к глубоким каскадам столкновений.

   • Масса ионов: тяжёлые ионы вызывают большее количество столкновений и большее разрушение.

   • Доза имплантации: увеличение дозы приводит к накоплению дефектов и аморфизации.

Этапы дефектообразования

1. Первичное смещение:

   • Ион сталкивается с атомом материала, выбивая его из узла решётки.

2. Каскад столкновений:

   • Смещённые атомы передают свою энергию соседним атомам, вызывая дальнейшие перемещения.

3. Рекомбинация:

   • Часть вакансий и межузельных атомов рекомбинируют, восстанавливая кристаллическую структуру.

4. Накопление дефектов:

   • При высоких дозах рекомбинация не успевает компенсировать образование дефектов, что приводит к их накоплению.

Отжиг дефектов

Отжиг — это термическая обработка, направленная на восстановление кристаллической структуры материала после ионной имплантации.

1. Цели отжига:

   • Устранение точечных дефектов и кластеров.

   • Восстановление кристаллической решётки.

   • Устранение аморфизации.

   • Активизация внедрённых атомов в решётке (легирование).

2. Механизмы отжига:

   • Диффузия:

     • Дефекты (вакансии и межузельные атомы) перемещаются в материале, рекомбинируя или уходя к границам зёрен.

   • Рекристаллизация:

     • В аморфных зонах кристаллическая структура восстанавливается за счёт роста кристаллитов.

   • Активация легирующих примесей:

     • Атомы, внедрённые в межузлия, переходят в узлы решётки, занимая свои позиции и становясь электрически активными.

3. Параметры отжига:

   • Температура:

     • Низкотемпературный отжиг (200–400 °C) устраняет точечные дефекты.

     • Высокотемпературный отжиг (700–1100 °C) восстанавливает аморфизированные зоны.

   • Время:

     • Зависит от температуры и размера образца.

   • Среда:

     • Обычно используется инертная атмосфера (аргон) или вакуум для предотвращения окисления.

4. Методы отжига:

   • Традиционный термический отжиг:

     • Материал нагревается в печи при фиксированной температуре.

   • Лазерный отжиг:

     • Используется лазерный пучок для локального нагрева материала.

   • Ультрабыстрый термический отжиг (RTA):

     • Обеспечивает нагрев на миллисекундные временные интервалы.

Особенности отжига аморфных материалов

1. Аморфизация:

   • Аморфизация возникает при высоких дозах имплантации, когда дефекты заполняют весь объём материала.

   • Для восстановления требуется рекристаллизация.

2. Рекристаллизация:

   • Нуклеация кристаллических областей происходит при нагреве.

   • Процесс начинается с границ кристаллов и распространяется внутрь аморфной зоны.

Пример восстановления структуры после имплантации

1. Имплантация кремния:

   • При внедрении ионов фосфора или бора в кремний образуются точечные дефекты и аморфные зоны.

   • Отжиг при 900–1100 °C восстанавливает кристаллическую структуру и активирует внедрённые атомы.

2. Результаты отжига:

   • Снижение уровня дефектов.

   • Повышение подвижности носителей заряда.

   • Восстановление электрических характеристик.

Заключение

Ионная имплантация неизбежно вызывает образование дефектов в материале, которые могут существенно ухудшить его свойства. Для их устранения используется процесс отжига, который восстанавливает кристаллическую структуру, устраняет аморфизацию и активирует внедрённые примеси. Комбинация правильного выбора параметров имплантации и оптимального режима отжига позволяет достичь желаемых свойств материала.

36. Применение методов ионной имплантации в микротехнологии. Легирование, окисление, нитрирование, протонизация.

Применение методов ионной имплантации в микротехнологии

Ионная имплантация широко используется в микротехнологии для создания и модификации свойств материалов. Этот метод позволяет внедрять атомы с высокой точностью и контролем, что делает его незаменимым в производстве полупроводниковых приборов и структур.

Основные направления применения

1. Легирование полупроводников:

   • Основное применение ионной имплантации.

   • Введение примесей в кремний (или другой полупроводник) для создания p- или n-типов проводимости.

2. Окисление и нитрирование:

   • Формирование тонких слоёв оксида или нитрида на поверхности материала.

   • Используется для улучшения изоляционных свойств и формирования барьерных слоёв.

3. Протонизация:

   • Введение протонов (ионов водорода) для изменения физических и электрических свойств материала.

   • Применяется для создания изолирующих областей и модификации поверхностей.

1. Легирование полупроводников

Цель: создание областей с определённым типом проводимости и заданной концентрацией носителей заряда.

• Примеси для легирования:

  • n-тип: фосфор (P), мышьяк (As), сурьма (Sb).

  • p-тип: бор (B), алюминий (Al), индий (In).

• Преимущества метода:

  • Высокая точность регулировки концентрации примесей.

  • Возможность создания сложных профилей распределения примесей по глубине.

  • Низкая температура процесса, что минимизирует диффузию примесей.

• Применение:

  • Создание p−np-n переходов.

  • Формирование зон истока и стока в MOSFET-транзисторах.

  • Производство интегральных схем.

2. Окисление ионной имплантацией

Цель: модификация поверхности материала путём введения кислорода.

• Процесс:

  • Ионы кислорода (O⁺) внедряются в материал.

  • После имплантации проводится термическая обработка для образования слоя оксида.

• Применение:

  • Создание изолирующих слоёв (например, SiO2 на кремнии).

  • Использование в технологии SOI (кремний на изоляторе) для улучшения электрической изоляции.

  • Формирование защитных покрытий.

3. Нитрирование ионной имплантацией

Цель: формирование слоёв нитрида (например, Si3N4) для улучшения механических и электрических свойств материала.

• Процесс:

  • Введение ионов азота (N⁺) в материал.

  • Термическая обработка для образования нитридных слоёв.

• Применение:

  • Улучшение изоляционных свойств.

  • Формирование барьерных слоёв для предотвращения диффузии примесей.

  • Повышение термической стабильности структур.

4. Протонизация

Цель: внедрение протонов (ионов водорода) для изменения структуры материала и его электрических свойств.

• Применение:

  • Создание изолирующих областей:

    • Введение водорода изменяет локальные свойства материала, превращая области в изоляторы.

  • Управление дефектами:

    • Водород может пассивировать дефекты в кристаллической структуре, улучшая электрические характеристики.

  • Производство устройств на основе SOI:

    • Используется для формирования изолирующего слоя в технологии Smart Cut (внедрение водорода и разделение слоёв).

Преимущества ионной имплантации

• Высокая точность управления концентрацией и глубиной примесей.

• Отсутствие термической диффузии во время процесса.

• Возможность использования в различных материалах (кремний, нитриды, оксиды, металлы).

• Совместимость с технологией производства микроэлектронных приборов.

Примеры применения

1. Производство МОП-транзисторов:

   • Создание истока, стока и канала с помощью легирования.

   • Формирование тонких оксидных слоёв.

2. Технология SOI:

   • Формирование изолирующих слоёв с помощью кислорода или водорода.

   • Улучшение характеристик полупроводниковых приборов.

3. Интегральные схемы:

   • Локальное легирование для формирования функциональных областей.

   • Повышение плотности интеграции за счёт точного контроля процессов.

4. Оптоэлектроника:

   • Формирование активных областей в лазерных и светодиодных структурах.

   • Улучшение изоляции между компонентами.

Заключение

Методы ионной имплантации предоставляют уникальные возможности для управления свойствами материалов и создания сложных структур в микротехнологии. Благодаря своей универсальности, точности и совместимости с существующими технологическими процессами, они играют ключевую роль в производстве современных микро- и наноэлектронных устройств.

37. Аппаратурная реализация процессов ионной имплантации.

Ионная имплантация требует сложного оборудования, которое позволяет генерировать ионы, ускорять их до высоких энергий, фокусировать и направлять на материал с высокой точностью. Такие системы называются ионными имплантаторами.

Основные компоненты ионного имплантатора

1. Ионный источник:

   • Предназначен для генерации ионов из газа или твёрдого вещества.

   • Типы источников:

     • Термоионные (используют нагрев материала для получения ионов).

     • Плазменные (создают ионы из газа путём воздействия электрического разряда).

     • Фотоионные (основаны на использовании фотонизации).

2. Система ускорения:

   • Ускоряет ионы до заданной энергии.

   • Типы ускорителей:

     • Электростатический ускоритель: использует высокое напряжение для разгона ионов.

     • Линейный ускоритель (RF-ускоритель): применяется для высокоэнергетической имплантации.

3. Система массовой фильтрации:

   • Отделяет ионы нужного элемента от других видов ионов.

   • Использует магнитное или электрическое поле для разделения по массе/заряду (m/q).

   • Гарантирует точный выбор внедряемых примесей.

4. Система управления пучком:

   • Фокусирует ионы в пучок с требуемыми параметрами (плотность, ширина, равномерность).

   • Использует электромагнитные линзы и дефлекторы.

5. Камера имплантации:

   • Вакуумная камера, где происходит облучение материала ионами.

   • Оборудована системой крепления и перемещения подложек для равномерного нанесения.

   • Часто включает охлаждающие механизмы для предотвращения перегрева образцов.

6. Вакуумная система:

   • Поддерживает высокий уровень вакуума для предотвращения рассеяния ионов.

   • Компоненты:

     • Форвакуумные насосы.

     • Насосы высокого вакуума (например, турбомолекулярные).

     • Ультравысоковакуумные насосы (ионные или криогенные).

7. Система контроля и управления:

   • Управляет параметрами имплантации: энергией ионов, дозой, равномерностью облучения.

   • Включает программное обеспечение для настройки режимов работы и мониторинга процесса.

Ключевые параметры аппаратуры

1. Энергия ионов:

   • Задаёт глубину проникновения ионов в материал.

   • Типичные диапазоны энергий: от нескольких кэВ до нескольких МэВ.

2. Доза имплантации:

   • Количество ионов, внедряемых в материал на единицу площади (ионов/см2).

   • Диапазон: 10^{11} – 10^{16} ионов/см².

3. Однородность распределения:

   • Контролируется движением пучка и/или вращением подложки.

4. Скорость имплантации:

   • Определяет производительность системы.

Типы ионных имплантаторов

1. Универсальные имплантаторы:

   • Поддерживают широкий диапазон энергий и доз.

   • Используются для легирования и других стандартных процессов.

2. Высокоэнергетические имплантаторы:

   • Работают с энергиями в диапазоне >1 МэВ.

   • Применяются для глубокого легирования и структурных модификаций.

3. Имплантаторы высокой производительности:

   • Обеспечивают высокую скорость обработки подложек.

   • Применяются в массовом производстве полупроводниковых приборов.

4. Имплантаторы для исследований:

   • Могут работать с низкими дозами и малыми образцами.

   • Используются в лабораторных условиях.

Процесс имплантации: этапы

1. Подготовка образцов:

   • Очистка и закрепление подложек в камере имплантации.

2. Создание ионного пучка:

   • Генерация ионов из выбранного вещества (например, газа BF3 для получения бора).

3. Ускорение ионов:

   • Разгон до заданной энергии.

4. Фильтрация и фокусировка:

   • Отбор ионов нужного типа и регулировка формы пучка.

5. Облучение материала:

   • Направление пучка на подложку с заданной дозой.

6. Контроль и завершение:

   • Проверка равномерности имплантации.

   • Выгрузка обработанных подложек.

Преимущества современных имплантаторов

• Точность:

  • Высокий контроль энергии, дозы и профиля распределения ионов.

• Производительность:

  • Возможность обрабатывать большое количество подложек за короткое время.

• Гибкость:

  • Возможность работы с разными материалами и примесями.

• Экономичность:

  • Минимизация материальных затрат благодаря точному использованию примесей.

Примеры применения

1. Легирование полупроводников:

   • Создание областей p- и n-типа в кремнии для интегральных схем.

2. Повышение изоляции:

   • Формирование оксидных и нитридных слоёв.

3. Модификация поверхностей:

   • Улучшение адгезии и устойчивости к коррозии.

4. Создание барьерных слоёв:

   • Препятствие диффузии металлов в полупроводниковую структуру.

Заключение

Аппаратура для ионной имплантации — это сложные системы, обеспечивающие высокую точность и контроль над процессом внедрения ионов. Современные имплантаторы являются неотъемлемой частью микро- и нанотехнологий, играя ключевую роль в производстве полупроводниковых приборов, сенсоров и наноструктур.

38. Жидкостное химическое травление. Травители, стадии процесса, управление скоростью процесса.

Жидкостное химическое травление (или мокрое травление) — это процесс удаления материала с поверхности подложки с помощью жидкостных химических реагентов (травителей). Этот метод широко используется в микроэлектронике для создания тонких плёнок, травления узоров, очистки поверхностей и удаления ненужных слоёв.

Основные характеристики жидкостного травления

1. Изотропность:

   • Травление часто происходит изотропно (одинаково во всех направлениях), что приводит к образованию закруглённых краёв.

2. Контролируемость:

   • Скорость травления зависит от температуры, концентрации реагента и времени.

3. Простота:

   • Оборудование для жидкостного травления менее сложное, чем для сухого травления.

Травители (реактивы)

Травители выбираются в зависимости от материала, который нужно удалить.

1. Для кремния (Si): смесь плавиковой кислоты (HF) с азотной кислотой (HNO3HNO_3).

2. Для диоксида кремния (SiO2): плавиковая кислота (HF).

3. Для нитрида кремния (Si3N4:

   • Травитель: фосфорная кислота (H3PO4).

4. Для металлов:

   • Алюминий (Al): раствор фосфорной кислоты (H3PO4) или щёлочи (например, NaOH).

   • Медь (Cu): смесь персульфата аммония (NH4)2S2O8 или азотной кислоты (HNO3).

Стадии процесса жидкостного травления

1. Подготовка поверхности:

   • Очистка подложки от загрязнений и органических остатков.

   • Это улучшает равномерность травления.

2. Доставка травителя:

   • Подложка помещается в раствор или травитель наносится на поверхность.

   • Для улучшения процесса может использоваться перемешивание раствора.

3. Химическая реакция:

   • Реагенты взаимодействуют с материалом, удаляя его слой за слоем.

4. Удаление продуктов реакции:

   • Продукты реакции (например, соли) должны удаляться, чтобы не тормозить процесс.

5. Промывка:

   • После травления подложка тщательно промывается деионизированной водой для удаления остатков травителя.

6. Сушка:

   • Удаление воды для предотвращения пятен или окисления поверхности.

Управление скоростью процесса

Скорость травления определяется несколькими параметрами:

1. Концентрация травителя:

   • Увеличение концентрации ускоряет реакцию, но может снизить точность.

2. Температура:

   • Повышение температуры увеличивает скорость реакции, но требует тщательного контроля для предотвращения повреждений подложки.

3. Время обработки:

   • Длительность травления определяет глубину удаляемого материала.

4. Перемешивание раствора:

   • Интенсивное перемешивание обеспечивает равномерное травление и удаление продуктов реакции.

5. Пассивирующие слои:

   • Некоторые материалы образуют на поверхности пассивирующие слои, которые замедляют процесс. Их необходимо удалять механически или химически.

Достоинства жидкостного травления

1. Простота реализации.

2. Высокая скорость травления для большинства материалов.

3. Низкая стоимость оборудования.

4. Возможность обработки больших площадей.

Недостатки жидкостного травления

1. Изотропность:

   • Сложно получить строго вертикальные стенки при травлении.

   • Проблема при создании микроразмерных структур.

2. Опасность реагентов:

   • Травители, такие как плавиковая кислота (HF), требуют строгих мер безопасности.

3. Ограниченный контроль:

   • Сложно точно контролировать процесс на наноуровне.

Примеры применения

1. Очистка подложек:

   • Удаление оксидных или загрязнённых слоёв перед нанесением плёнок.

2. Создание структур:

   • Формирование полупроводниковых приборов путём удаления ненужных слоёв.

3. Тонкие плёнки:

   • Травление металлов и диэлектриков для формирования контактных слоёв.

Современные подходы к оптимизации

1. Использование автоматизированных систем для подачи и удаления травителей.

2. Комбинирование с фотолитографией для точного травления.

3. Применение ингибиторов для улучшения анизотропности.

Жидкостное химическое травление остаётся важной технологией благодаря своей универсальности и низкой стоимости, хотя его недостатки частично компенсируются альтернативными методами, такими как сухое плазменное травление.

39. Изотропное жидкостное травление кремния.

Изотропное жидкостное травление кремния

Изотропное жидкостное травление кремния — это процесс удаления материала, при котором скорость травления одинакова во всех направлениях. Этот метод используется для создания закруглённых структур, полостей, микроканалов и при предварительной обработке подложек.

Принцип изотропного травления

Изотропность достигается за счёт равномерного химического воздействия реагентов на поверхность подложки. Это означает, что скорость травления не зависит от кристаллографического направления в материале. Основной реакцией является взаимодействие кремния с травителем, результатом чего становится образование растворимых соединений.

Травители для изотропного травления кремния

1. Смесь плавиковой и азотной кислот (HF + HNO₃):

   • Химическая реакция:

   • Азотная кислота окисляет кремний, а плавиковая кислота растворяет образующийся оксид.

   • Результат: равномерное удаление материала.

2. Щелочные растворы (используются реже):

   • Например, гидроксид калия (KOH) или гидроксид натрия (NaOH) при высокой температуре.

   • Реакция:

   • В чистых растворах щелочей травление анизотропное, но добавки (например, изопропиловый спирт) могут увеличивать изотропность.

Факторы, влияющие на процесс травления

1. Концентрация реагентов:

   • Увеличение концентрации HF и HNO3 увеличивает скорость травления.

   • Изменение соотношения HF:HNO3 позволяет регулировать агрессивность раствора.

2. Температура:

   • Повышение температуры ускоряет процесс, но может снижать точность.

3. Время травления:

   • Продолжительность определяет глубину травления.

4. Равномерность перемешивания раствора:

   • Перемешивание обеспечивает равномерное удаление материала.

5. Кристаллографическая ориентация:

   • Хотя травление изотропное, минимальные различия в скорости могут быть обусловлены направлением в кристаллической решётке.

Стадии процесса изотропного травления

1. Подготовка подложки:

   • Очистка от загрязнений и окисных слоёв.

2. Травление:

   • Погружение подложки в раствор или нанесение травителя на её поверхность.

   • Травление происходит равномерно по всей поверхности.

3. Удаление продуктов реакции:

   • Продукты реакции (например, SiF_6^{2-}) удаляются путём перемешивания раствора.

4. Промывка:

   • После завершения травления подложка промывается в деионизированной воде для удаления остатков реагентов.

5. Сушка:

   • Применяются методы сушки, предотвращающие образование пятен и окисление.

Примеры применения изотропного травления

1. Создание закруглённых структур:

   • Микроканалы и полости в микромеханических системах.

2. Удаление материала для предварительной обработки:

   • Очистка и удаление ненужных слоёв кремния.

3. Травление структур для MEMS (микроэлектромеханических систем):

   • Формирование резонаторов и чувствительных элементов.

Преимущества изотропного жидкостного травления

1. Простота реализации и оборудование.

2. Высокая скорость травления.

3. Возможность обработки больших площадей подложек.

4. Равномерное травление без зависимости от ориентации кристалла.

Недостатки

1. Отсутствие вертикальных стенок:

   • Закруглённые края ограничивают точность и масштабируемость для определённых применений.

2. Контроль глубины:

   • Сложно добиться точной остановки процесса.

3. Использование опасных реагентов:

   • Необходимы строгие меры безопасности при работе с HF и HNO3.

Современные подходы к улучшению изотропного травления

1. Автоматизация процесса:

   • Использование систем автоматического контроля температуры, концентрации и времени.

2. Комбинирование с фотолитографией:

   • Для точного формирования участков травления.

3. Использование ингибиторов:

   • Химические добавки для управления скоростью и изотропностью процесса.

Заключение

Изотропное жидкостное травление кремния остаётся востребованным методом благодаря своей простоте и универсальности. Однако для задач, требующих высокой точности и анизотропных структур, применяются альтернативные методы, такие как сухое травление или анизотропное жидкостное травление.

40. Ориентационно-чувствительное анизотропное травление.

Ориентационно-чувствительное анизотропное травление (ОЧАТ) — это процесс химического травления кремния, при котором скорость травления зависит от кристаллографической ориентации материала. Это позволяет создавать структуры с высокоориентированными гранями и строго заданной геометрией. Метод широко используется в производстве микроэлектромеханических систем (MEMS) и в других микроэлектронных применениях.

Принцип ориентационно-чувствительного травления

Анизотропное травление происходит в водных растворах щелочей, таких как гидроксид калия (KOH) или тетраметиламмоний гидроксид (TMAH). Скорость травления зависит от ориентации атомов кремния в его кристаллической решётке:

• Самая высокая скорость: плоскости (100).

• Самая низкая скорость: плоскости (111).

• Это различие связано с плотностью атомов на поверхностях и их доступностью для химической реакции.

Химические реакции

1. Общая реакция травления:

2. Этапы процесса:

   • Щёлочь (OH⁻) реагирует с кремнием, образуя растворимые силикат-ионы (SiO2²⁻).

   • Выделяется водород (H2), который удаляется с поверхности, способствуя дальнейшему травлению.

Щелочные травители

1. Гидроксид калия (KOH):

   • Наиболее распространённый травитель.

   • Концентрация: 20–30% водный раствор.

   • Температура: 60–90 °C.

   • Добавление изопропилового спирта (IPA) улучшает селективность и качество травления.

2. Тетраметиламмоний гидроксид (TMAH):

   • Менее токсичен, чем KOH.

   • Используется для совместимости с металлическими слоями (например, алюминием).

3. Этилендиамин-пирокатехиновый раствор (EDP):

   • Высокая селективность к оксиду кремния (SiO2).

   • Применяется реже из-за токсичности.

Факторы, влияющие на процесс

1. Кристаллографическая ориентация:

   • Скорость травления на плоскости (111) минимальна (в 10–100 раз ниже, чем на плоскости (100)).

   • Это приводит к образованию чётко выраженных граней с углами 54,7°.

2. Температура:

   • Повышение температуры ускоряет травление, но снижает контроль над процессом.

3. Концентрация раствора:

   • Более концентрированные растворы дают лучшую анизотропность.

4. Добавки:

   • Изопропиловый спирт и другие поверхностно-активные вещества улучшают селективность и качество поверхности.

Преимущества ОЧАТ

1. Высокая анизотропность:

   • Формирование структур с острыми краями и строго ориентированными гранями.

2. Селективность:

   • Высокая избирательность к маскам из оксида кремния (SiO2) и нитрида кремния (Si3N4).

3. Точность геометрии:

   • Возможность создания сложных микроструктур.

Недостатки

1. Ограниченность по материалу:

   • Метод применим только для кристаллического кремния.

2. Ограничения по ориентации подложки:

   • Требуется точное согласование ориентации плоскостей подложки.

3. Влияние загрязнений:

   • Примеси в растворе могут ухудшать равномерность травления.

4. Токсичность некоторых травителей:

   • Некоторые щелочные растворы требуют строгих мер безопасности.

Применение

1. MEMS-технологии:

   • Создание каналов, мембран, резонаторов и других компонентов.

2. Формирование V-образных канавок:

   • Для размещения оптоволокна или других микромеханических элементов.

3. Углубления и полости:

   • Для датчиков давления или ёмкостных устройств.

Примеры

1. Травление на подложке (100):

   • Формируются углубления с наклонными стенками, образующими угол 54,7° к поверхности.

2. Травление на подложке (110):

   • Возможность создания вертикальных стенок для определённых приложений.

3. Травление на подложке (111):

   • Практически невозможно, поскольку скорость травления в этом направлении минимальна.

Заключение

Ориентационно-чувствительное анизотропное травление является ключевой технологией для создания микроразмерных структур с высокой точностью. Его использование позволяет разрабатывать сложные элементы микроэлектромеханических систем, а высокая селективность и воспроизводимость делают метод незаменимым в микроэлектронике и материаловедении.

41. Плазменное и ионное травление.

Плазменное и ионное травление — это методы удаления материала с поверхности с использованием плазмы или ионов, которые активируют химические реакции для разрушения или удаления материала. Эти методы применяются в микроэлектронной технологии для формирования микро- и наноразмерных структур, а также для очистки поверхностей.

1. Плазменное травление

Плазменное травление — это процесс, при котором используется активированная плазма (газы, подвергшиеся ионизации) для удаления материала с поверхности.

Принцип действия:

• Плазма состоит из ионов, электронов, атомов и молекул в возбуждённом состоянии.

• В процессе травления газ, подверженный электрическому полю, ионизируется, создавая плазму, которая взаимодействует с поверхностью материала.

• Молекулы активных газов (например, кислород, фтор, хлор) могут реагировать с материалом, разрушая его или удаляя определённые компоненты.

Типы плазменного травления:

1. Химическое плазменное травление:

   • Газ в плазме активно взаимодействует с материалом, создавая химические реакции, приводящие к удалению вещества с поверхности.

   • Применяется для травления полупроводников, например, кремния и оксидов.

2. Физическое плазменное травление:

   • В этом процессе ионы и электроны, ускоренные электрическим полем, сталкиваются с поверхностью материала, что приводит к его эрозии за счёт механического воздействия.

   • Этот метод обычно используется для удаления высокообработанных слоёв или покрытия.

Преимущества плазменного травления:

• Высокая селективность: позволяет травить материалы с высокой точностью, оставляя другие слои нетронутыми.

• Минимальное термическое воздействие: не требует нагрева материала до высоких температур, что предотвращает термическое повреждение.

• Универсальность: может применяться для разных материалов, включая полупроводники, металлы и диэлектрики.

Недостатки:

• Неравномерность травления: возможны проблемы с равномерностью травления, особенно на больших площадях.

• Низкая скорость травления: по сравнению с химическими методами травления.

2. Ионное травление

Ионное травление — это процесс, в котором используется ускорение ионов для воздействия на поверхность материала с целью удаления или изменения его структуры. Это более специфичный процесс по сравнению с плазменным травлением, так как используется преимущественно ионизированный газ, а не полная плазма.

Принцип действия:

• В процессе ионного травления ионы ускоряются в электрическом поле и направляются на поверхность материала.

• Ионы ударяются о поверхность и передают свою энергию материалу, что может привести к разрушению молекул или атомов на поверхности.

• Ионное травление часто используется для точных манипуляций с поверхностью или для создания микро- и наноразмерных структур.

Особенности ионного травления:

1. Травление с помощью реактивных ионов:

   • Используется реактивный ион, такой как фторид, хлорид, оксид или водород, которые активно взаимодействуют с материалом.

   • Пример: травление кремния с использованием ионов фтора или хлора.

2. Ионно-лучевая обработка:

   • В этом случае ионы ударяются о поверхность с высокой энергией, вызывая удаление атомов или молекул с поверхности.

Преимущества ионного травления:

• Точная селективность: ионы могут быть направлены точно на определённую часть поверхности.

• Малое термическое воздействие: нет необходимости в нагреве материала, что позволяет работать с термочувствительными материалами.

• Высокая чистота поверхности: ионное травление позволяет достичь очень чистой поверхности, так как ионы могут удалить загрязнения и оксидные слои.

Недостатки:

• Медленная скорость травления: процесс может быть медленным, так как удаление материала происходит постепенно.

• Ограничения по глубине воздействия: обычно ионное травление эффективно для обработки поверхностных слоёв, но не всегда подходит для глубокой обработки материала.

Сравнение плазменного и ионного травления

Применение

1. Плазменное травление:

   • Применяется в микроэлектронной и нанотехнологии для точного удаления слоёв материалов, таких как кремний, оксиды, металлы.

   • В производстве полупроводников, для удаления оксидных слоёв или создания тонких плёнок.

   • Для гравировки на металлических поверхностях и в обработке микросхем.

2. Ионное травление:

   • Применяется для создания высокоточных структур на поверхности полупроводников.

   • В нанофабрикации для удаления материалов с определённых участков микросхем.

   • В создании специализированных материалов и в микрообработке.

Заключение

Плазменное и ионное травление — это важнейшие методы для создания микро- и наноструктур в производстве полупроводников и микросхем. Плазменное травление широко используется благодаря своей универсальности и способности работать с различными материалами, тогда как ионное травление предоставляет большую точность и селективность, что делает его идеальным для высокоточных приложений.

42. Свойства материалов, необходимые для создания проводящих и изолирующих слоёв интегральных микросхем.

При разработке интегральных микросхем (ИМС) используются различные материалы для формирования проводящих и изолирующих слоёв. Каждый из этих материалов должен обладать определёнными свойствами, чтобы удовлетворять требованиям электрических характеристик, механической прочности, стабильности и совместимости с другими слоями. Рассмотрим основные свойства этих материалов для их применения в ИМС.

1. Проводящие материалы

Проводящие материалы используются для создания электрических связей между различными элементами микросхемы, такими как транзисторы, резисторы и конденсаторы. Эти материалы должны обладать хорошей проводимостью, стабильностью и возможностью тонкой обработки.

Две категории:

Материалы разводки (алюминий и медь) и материалы резистивных элементов.

Основные требования к проводящим материалам:

1. Максимальная плотность

2. Высокое пробивное напряжение

чем позже наступает пробой при увеличении напряжения, тем больше рабочий диапазон напряжений

3. Низкий тангенс угла диэлектрических потерь

тк это величина, обратная добротности, иными словами, чем меньше тангенс д/э потерь, тем выше добротность

4. Значение ε

для изоляционного и подзатворного диэлектрика желательно низкое, для конденсаторного – высокое – для конденсаторов чем выше проницаемость, тем выше ёмкость

5. Толщина подзатворного диэлектрика должна быть 50-100нм

Ёмкость "канал-затвор" фактически определяет степень влияния напряжения на затворе на ток транзистора, т.е. определяет крутизну его подпороговой и надпороговой характеристики. В настоящее время главным способом увеличения этой ёмкости является утончение подзатворного диэлектрика.

6. Низкая плотность поверхностных состояний

7. Высокая электрическая проводимость:

   • Материалы для проводников должны иметь низкое удельное сопротивление для обеспечения быстрого прохождения тока.

   • Примеры материалов: Cu, Al, Au, W, и кремний (в определённых условиях).

8. Термостойкость:

   • Материалы должны выдерживать высокие температуры, которые могут возникать в процессе работы микросхемы (например, при повышении температуры во время включения или в результате работы силовых цепей).

9. Химическая инертность:

   • Проводящие материалы должны быть устойчивы к воздействию кислорода, влаги, агрессивных химических веществ и других факторов, которые могут привести к коррозии.

10. Пластичность и податливость:

    • Важно, чтобы материал легко обрабатывался при процессе металлоснаписи, например, в процессе осаждения и гальванизации.

    • Медь и алюминий обычно легко обрабатываются для изготовления проводящих дорожек.

Примеры проводящих материалов:

• Медь (Cu): Один из самых широко используемых материалов для проводников, благодаря своей отличной проводимости и низкой стоимости. Однако она подвержена окислению, что может требовать применения защитных слоёв.

• Алюминий (Al): Наиболее распространённый материал для межсоединений в микросхемах до появления меди. Лёгок в обработке и достаточно дёшев, но имеет худшую проводимость по сравнению с медью.

  +	–
  -высокая электропроводность, близкая к объёмной; -лёгкость испарения в вакууме; -чистота испаряемой плёнки; -хорошая адгезия к кремнию и окислам; -образует низкоомный контакт с n- и p-Si; -пластичен и стоек к циклическим изменениям температуры; -легко обрабатывается методами фотолитографии и -избирательного жидкостного травления.	-легко повреждается механически; -электродиффузия при малых плотностях тока; -образует гальванические пары с другими -металлами → коррозия; -образует силицид; -«золотая чума».

• Золото (Au): Применяется в специализированных областях, где требуется высокая инертность и стойкость к коррозии, например, в высококачественных соединениях или в отдельных элементах чувствительных цепей.

Многослойные контактные системы

-контактный слой (Mo, Ni, Pt, Cr, Ti);

-проводящий слой (Ag, Cu, Al, Au,

-силициды тугоплавких металлов);

-диффузионно-барьерный слой (Ti, W,

-сплавы, нитриды и карбиды тугоплавких

металлов);

-межслойный диэлектрик;

-вспомогательные слои: раскисляющий, адгезионный, антиотражающий, стоп-слой, смачивающий слой.

Требования противоположные, для резистивных элементов необходимо высокое сопротивление слоя и точное задание с помощью технологического режима.

(В производстве приборов и схем используют полупроводниковые материалы, легированные различными примесями, что даёт возможность существенно изменять свойства этих материалов. В производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем используются германий, кремний и арсенид галлия. Так же используют KHC, SiO2, Si3N4, Al, Au, Cu, Cr, Ta, Pt

Требования к материалам: доступная стоимость, чистота(для Si-1012 cм-3), дефектность(10-100 см-2), электрофизические параметры, такие как подвижность, скорость диффузии, напряжение пробоя, теплопроводность, удельное сопротивление

Теплопроводность: Cu>Si(в 10 раз)>GaAs(в 1000 раз)>AlN>SiC> фулерены> алмаз(в 10 раз))

2. Изолирующие материалы

Изолирующие материалы необходимы для предотвращения коротких замыканий между проводниками и для обеспечения изоляции в транзисторах, диодах и других устройствах, а также для защиты от внешних воздействий.

Основные требования к изолирующим материалам:

1. Высокая диэлектрическая проницаемость:

   • Изолирующие материалы должны эффективно изолировать электрические проводники друг от друга, не пропуская электрический ток, но при этом допускающая высокую диэлектрическую проницаемость для улучшения работы устройств, таких как конденсаторы.

   • Примеры материалов: оксид кремния (SiO2), оксид алюминия (Al2O3), диэлектрические полимеры (например, полиимид).

2. Высокое сопротивление:

   • Необходимо, чтобы материал имел высокое удельное сопротивление, предотвращающее протекание тока через него. Чем выше сопротивление, тем лучше материал защищает элементы от электрических помех и коротких замыканий.

   • Пример: диэлектрические материалы, такие как оксид кремния (SiO2SiO_2), обладают высоким сопротивлением.

3. Стабильность при высоких температурах:

   • Изоляторы должны сохранять свои свойства при высоких температурах, которые могут возникать в процессе работы устройства.

4. Низкая утечка тока:

   • Материал должен минимизировать утечку тока, которая может привести к нагреву и ошибкам в работе схемы.

   • Важно для создания изолирующих слоёв в транзисторах и конденсаторах.

5. Процессируемость и совместимость с другими материалами:

   • Изолирующие материалы должны быть совместимы с другими материалами, используемыми в микросхемах, и иметь возможность быть легко нанесены на подложку в процессе изготовления, например, путём осаждения или химического осаждения из газовой фазы (CVD).

   • Пример: оксид кремния (SiO2) может быть нанесён с помощью термического окисления кремниевых подложек.

Примеры изолирующих материалов:

• комплементарные диэлектрики:

• Оксид кремния (SiO2): Один из наиболее популярных и часто используемых изоляторов для кремниевых микросхем. Он используется для формирования диэлектрических слоёв в транзисторах и других устройствах.

• Полимеры (полиимид): Применяются для создания гибких микросхем, для защиты проводящих слоёв и в качестве защитных покрытий для поверхностей, полиимид чрезвычайно стоек к внешним воздействиям - покрывают стекла истребителей

• Азотистые изоляторы (например, Si3N4): Используются в качестве изоляторов и защиты от воздействия внешней среды в компонентах, таких как транзисторы и диоды.

• Оксид алюминия (Al2O3): Обладает хорошими диэлектрическими свойствами и используется в некоторых устройствах для изоляции. Изолирующие слои, защитное покрытие окон космических кораблей

Заключение

Правильный выбор проводящих и изолирующих материалов для интегральных микросхем имеет решающее значение для их надёжности, долговечности и функциональности. Проводящие материалы должны обеспечивать высокую проводимость, термостойкость и химическую инертность, тогда как изолирующие материалы должны обладать высоким удельным сопротивлением, хорошими диэлектрическими свойствами и стабильностью при высоких температурах.

43. Ионно-химическое осаждение слоёв.

Ионно-химическое осаждение — это процесс, который сочетает химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и использование ионизированных частиц для улучшения качества и толщины осаждаемых слоёв. Этот метод используется для осаждения тонких слоёв материалов на подложку, причём активное использование ионов позволяет управлять качеством осаждаемого слоя и обеспечивать его лучшие адгезионные и физико-химические свойства.

Принцип работы ионно-химического осаждения

Процесс ионно-химического осаждения слоёв включает несколько этапов:

1. Химическая реакция:

   • Газообразные прекурсоры, такие как металлорганические соединения или другие химические вещества, подаются в камеру с осаждением.

   • При введении в камеру эти газы подвергаются ионизации в результате воздействия электрического поля, образуя активные ионы, свободные радикалы и нейтральные молекулы.

2. Ионизация:

   • Ионизированные молекулы или атомы активируют химические реакции с материалом, что способствует более эффективному осаждению слоёв на подложку.

   • В отличие от традиционного CVD, ионно-химическое осаждение использует не только химическое взаимодействие, но и активные ионы, что позволяет управлять качеством осаждаемого материала.

3. Осаждение материала:

   • После химической реакции активные частицы (ионы, радикалы) осаждаются на поверхности подложки, формируя тонкий слой материала.

   • Осаждающийся слой может быть как металлом, так и диэлектрическим материалом в зависимости от используемых прекурсоров.

Преимущества ионно-химического осаждения:

1. Улучшенная адгезия:

   • Ионное воздействие на поверхность способствует лучшему сцеплению осаждаемого материала с подложкой, что особенно важно для создания долговечных и качественных слоёв.

2. Контроль структуры слоя:

   • Ионы и активные молекулы позволяют более точно контролировать структуру осаждённого материала. Это особенно полезно для создания однофазных слоёв с нужной текстурой и плотностью.

3. Управление толщиной слоя:

   • Метод позволяет очень точно контролировать толщину осаждаемого слоя, что важно для производства высокоэффективных компонентов микросхем и других устройств.

4. Минимизация термического воздействия:

   • Процесс может быть проведён при более низких температурах по сравнению с традиционным CVD, что позволяет работать с термочувствительными подложками.

5. Высокая чистота:

   • Ионная активизация помогает уменьшить количество примесей в осаждённых слоях, повышая их качество и чистоту.

6. Гибкость в выборе материалов:

   • Ионно-химическое осаждение может использоваться для осаждения различных материалов, включая металлы, оксиды, нитриды и другие, что делает этот метод универсальным.

Недостатки ионно-химического осаждения:

1. Сложность оборудования:

   • Процесс требует использования сложных систем для создания ионизированных частиц, что может увеличить стоимость оборудования.

2. Проблемы с равномерностью:

   • Ионно-химическое осаждение может быть менее равномерным на больших поверхностях, особенно в случае сложных подложек с неровностями.

3. Проблемы с осаждением на сложных подложках:

   • На некоторых подложках и в условиях определённых температурных режимов могут возникать сложности с равномерным осаждением слоёв.

Применение ионно-химического осаждения:

1. Создание тонких проводящих и изолирующих слоёв:

   • Ионно-химическое осаждение используется для создания слоёв проводников и изоляторов в микроэлектронных устройствах, таких как микросхемы, солнечные элементы и сенсоры.

2. Поверхностная модификация:

   • Этот метод позволяет изменять физико-химические свойства поверхностей, например, повышать их коррозионную стойкость или улучшать сцепление материалов.

3. Применение в нанотехнологии:

   • В нанотехнологиях ионно-химическое осаждение используется для создания наноструктурированных материалов, тонких плёнок и нанопокрытий, обладающих улучшенными характеристиками.

4. Производство сложных многослойных покрытий:

   • Используется для формирования многослойных структур, где каждый слой имеет уникальные свойства, такие как магнитные, оптические или электронные.

Заключение

Ионно-химическое осаждение слоёв представляет собой мощную технологию для создания высококачественных тонких слоёв на различных подложках. Этот процесс позволяет достичь точности в толщине и структуре осаждаемых материалов, улучшить адгезию и чистоту покрытия, что делает его востребованным в микроэлектронике, нанотехнологии и других областях. Несмотря на некоторые сложности с оборудованием и равномерностью покрытия, ионно-химическое осаждение остаётся важным методом для создания сложных и высокоточных слоёв.

44. Ионно-химическое травление.

Ионно-химическое травление — это процесс, в котором используется сочетание химических реакций и ионизации для удаления материала с поверхности. Он сочетает в себе принципы химического травления и воздействия ионов, что позволяет получить высокую селективность и точность при обработке поверхности материалов.

Принцип работы ионно-химического травления:

Ионно-химическое травление включает несколько ключевых этапов:

1. Ионизация газа:

   • Газообразные прекурсоры (например, кислород, хлор, фтор или их смеси) подаются в реакционную камеру.

   • Эти газы подвергаются ионизации в результате воздействия электрического поля или других источников энергии, образуя активные ионы и радикалы.

2. Химическое взаимодействие:

   • Активные ионы или радикалы химически взаимодействуют с материалом на поверхности подложки. Это может привести к химическому разрушению или удалению определённых слоёв.

   • Ионы могут растворять или окислять материал, что способствует его удалению с поверхности.

3. Энергетическое воздействие ионов:

   • Ионы, ускоренные электрическим полем, также могут механически воздействовать на поверхность, разрушая химические связи в материале. Это позволяет улучшить селективность процесса и обеспечить более быстрое удаление материала.

4. Удаление материала:

   • В результате химического и ионного воздействия на поверхность происходит удаление материала, часто в виде летучих продуктов реакции, которые отводятся из камеры.

Преимущества ионно-химического травления:

1. Высокая селективность:

   • Ионно-химическое травление может быть очень избирательным, что позволяет точно удалять материал с определённых участков поверхности без повреждения других частей подложки.

2. Тонкие и точные слои:

   • Это метод позволяет достигать высокой точности в удалении материала и контролировать толщину осаждённых и травленных слоёв.

3. Минимальное термическое воздействие:

   • Ионно-химическое травление работает при более низких температурах по сравнению с традиционными термическими методами травления, что важно для работы с термочувствительными материалами.

4. Управление глубиной травления:

   • Процесс позволяет точно контролировать глубину травления, что полезно при обработке тонких и сложных материалов, а также при создании микро- и наноразмерных структур.

5. Чистота поверхности:

   • Ионное воздействие помогает эффективно очищать поверхность от загрязнений и других нежелательных слоёв, повышая чистоту материала.

Недостатки ионно-химического травления:

1. Сложность процесса:

   • Процесс требует точного контроля за параметрами, такими как давление, температура и состав газов, что делает оборудование дорогим и сложным в эксплуатации.

2. Неравномерность травления:

   • При недостаточном контроле может наблюдаться неравномерное травление на больших поверхностях или на сложных структурах с неровностями.

3. Ограниченные материалы:

   • Метод может быть неэффективен для всех типов материалов, особенно для очень твёрдых или химически инертных веществ, которые плохо реагируют с используемыми газами.

Применение ионно-химического травления:

1. Микроэлектроника и нанотехнология:

   • Ионно-химическое травление широко используется в производстве микро- и наноразмерных структур, таких как транзисторы, интегральные схемы, а также для создания тонких слоёв и сложных многослойных покрытий.

2. Изготовление микроэлектронных компонентов:

   • Этот метод используется для травления полупроводников, металлов и других материалов при производстве микросхем, сенсоров, солнечных панелей и других устройств.

3. Гравировка и маркировка:

   • Ионно-химическое травление применяется для создания тонких гравированных рисунков и маркировки на различных материалах, таких как металлы и пластики.

4. Удаление слоёв в многослойных покрытиях:

   • Метод эффективен для удаления одного слоя материала, не повреждая другие, что полезно при производстве многослойных структур.

Сравнение с другими методами травления:

Заключение

Ионно-химическое травление представляет собой мощный метод для точной обработки поверхностей, позволяющий достигать высокой селективности и чистоты при минимальном термическом воздействии. Этот процесс является важным инструментом в микроэлектронике и нанотехнологии, где требуется высокая точность и контроль над удалением материала. Несмотря на сложности с оборудованием и возможные проблемы с равномерностью, ионно-химическое травление остаётся эффективным методом для создания сложных структур и многослойных покрытий.

i