17.Газофазное осаждение окислов и нитридов.
Оксид и нитрид – маски для анизотропного травления, которые проявляют защитные свойства в разной степени, так что оба типа маски используются на практике в разных условиях.
Когда эти слои используются для остановки травления в кремнии (100), низкая скорость травления маскирующих слоев позволяет перетравливать кремний, чтобы скомпенсировать неравномерность толщины подложки. Поскольку раствор КОН травит SiO2 относительно быстро (скорость травления от 1.4 до 3 нм/мин), для глубокого и длительного травления в КОН в качестве маски нужно использовать Si3N4 или Au/Cr.
Жидкостным травителем для нитрида кремния (Si3N4) является кипящая при 180° С фосфорная кислота (H3PO4), и фоторезист не выдерживает таких жестких условий травления. В этом случае в качестве маскирующего слоя используется оксид кремния. Газофазным осаждением на поверхности нитрида формируется слой оксида, в котором травлением в HF с применением маски фоторезиста получают изображение. После удаления резиста оксид служит маской для травления Si3N4. Когда был разработан способ травления Si3N4 в плазме CF4, в развитие этой технологии инвестировались значительные средства, несмотря на то, что технология была еще несовершенна и не давала существенных результатов. Однако это направление активно развивается, поскольку использование для формирования рисунка в Si3N4 плазменного травления более перспективно, чем жидкостного травления.
Для травления стеклянных подложек (или толстых слоев оксида) в концентрированной HF (49%) подходящими маскирующими материалами являются никель, хром, поликристаллический или аморфный кремний. Карбид кремния, оксид тантала и нитрид алюминия – материалы, используемые для «твердых» масок в большинстве процессов жидкостного и сухого травления. Однако нитрид алюминия легко травится в щелочных растворах, например в КОН и даже в сильноразбавленном растворе NaOH, который используется в качестве проявителя в фотолитографии. Достаточно надежной защитой практически для любого травления является композиция «нитрид кремния – диоксид кремния» при сравнительно тонких слоях (до 0.2 мкм) нитрида и оксида. Аналогичные свойства у защитной пленки карбида кремния. В большинстве случаев необходимо защищать обратную сторону подложки от действия анизотропных и изотропных травителей. Такую защиту можно осуществить механически или химическим способом. При механическом способе подложка помещается в держатель, обычно изготовленный из фторопласта. Подложка фиксируется между двумя покрытыми фторопластом кольцами, форма которых очень тщательно подбирается, чтобы исключить возникновение механических напряжений в подложке. Возможны варианты защиты обратной стороны при использовании кассеты из коррозионностойкой стали с винтовой крышкой и двусторонней герметизацией пластины
химически стойкой резиной. При химическом способе на обратную сторону подложки центрифугированием наносились воск (парафин) или другое органическое покрытие. Для ускорения процесса травления две подложки могут склеиваться обратными сторонами.
18.Молекулярно-лучевая эпитаксия.
Молекулярно-пучковая эпитаксия (МЛЭ), которую ещё называют молекулярно-пучковой эпитаксией (МПЭ), – усовершенствованная разновидность методики термического напыления в условиях сверхвысокого вакуума. Англоязычное название этой технологии: MBE – Molecular Beam
Epitaxy. Принципиальная схема и структура:
Остаточное давление в ростовой камере обычно чрезвычайно мало – pост
< 1∙10–8 Па (или 10–10 мм рт.ст.). Потоки атомов или молекул образуются за счёт испарения жидких или сублимации твёрдых материалов,
располагающихся в источниках – эффузионных ячейках.
Их температура определяет интенсивность потоков частиц,
поступающих на подложку, и тщательно контролируется. Основной механизм управления потоками – заслонки.
Сверхвысокий вакуум в ростовой камере нужен, чтобы атомы прошли необходимое расстояние до подложки без соударения, и чтобы в эпитаксиальном слое «не оседало ничего лишнего» из остаточной атмосферы вакуумной камеры. Для равномерного роста по площади пластины подложка вращается. Кроме того, осуществляется подогрев подложки.
Эпитаксиальный рост плёнки полупроводника состоит из следующих важнейших этапов:
1)адсорбции составляющих вещество атомов и молекул;
2)миграции и диссоциации адсорбированных частиц;
3)пристраивания составляющих атомов к подложке, приводящего к зародышеобразованию и росту слоя.
Анализ осаждённой плёнки проводят непосредственно в рабочей камере
(это называется анализ «in situ», что означает «по месту»).
В систему мониторинга входит:
1)Дифракция отражённых высоко-энергетичных электронов
(энергия первичного пучка 10…30 кэВ, угол падения – 1°) (англ.: reflection high
energy electron diffraction (RHEED)). Положение и интенсивность дифракционных максимумов, наблюдаемых на люминесцентном экране в конкретное время роста, содержат информацию о структуре, толщине поверхностного слоя и его стехиометрии (обогащении поверхности тем или иным сортом атомов), а также о скорости роста и химическом составе;
2)Эллипсометрия (контролирует толщину плёнок, отличных от
подложки);
3)Масс-спектрометрия остаточной атмосферы (квадрупольный масс-спектрометр) и интенсивности потоков базовых элементов;
4)Вторичная ионная масс-спектрометрия для контроля состава слоев
5)Лазерная рефлектометрия для измерения скорости роста и состояния поверхности;
6)Инфракрасная пирометрия температуры ростовой поверхности;
7)Методы контроля интенсивности молекулярных пучков и др.
Достоинства МЛЭ:
Возможность формирования атомарно-гладких границ слоев, что принципиально важно для наногетероструктурных приборов.
Получение счетного количества завершенных слоев, начиная с одного монослоя, что важно для структур с квантовыми ямами.
Возможность получения резких скачков концентрации компонентов в слоях.
Возможность создания структур со сложным распределением концентрации основных и примесных элементов.
Наличие сверхвысокого вакуума в рабочей камере, что исключает недопустимо высокий уровень загрязнения подложки и растущих слоев.
Низкие температуры роста, что минимизирует диффузию в объеме, размывающую границы между слоями.
Возможность контроля и коррекции роста непосредственно в ходе процесса, диагностика роста, точный контроль температуры подложки и ячеек, компьютерное управление параметрами процесса
Относительно низкая температура роста (на 200 – 300 ºС ниже, чем при газофазной эпитаксии из металлорганических соединений)
Возможность резкого прерывания и возобновления роста
(реализуется за счет заслонок, время срабатывания которых примерно равна
0,3 с)
Наличие атомно-гладкой поверхности растущего кристалла при
эпитаксиальном росте
Недостатки МЛЭ:
дорогостоящее оборудование;
чистота испаряемых материалов должна достигать 99,999999 %;
требуется сверхвысокий вакуум;
для улучшения качества границы перед осаждением слоя требуется тонкая ионная очистка;
высокая сложность легирования материала;
малая площадь используемых подложек;
невысокая скорость роста плёнки (обычно менее 1 мкм/час);
малая производительность;
высокая энергоемкость;
не может быть использован для получения разнородных материалов.
В настоящее время выпускаются установки МПЭ, позволяющие
одновременно выращивать эпитаксиальные структуры сразу на нескольких
подложках большого диаметра, что делает эту технологию также применимой
к масштабному промышленному производству.