Лекции / F_111

Глава 11

Классификация оборудования по механизму воздействия на обрабатываемый материал

§ 11.1. Типы воздействия и механизмы обработки

В

Рис.11.1.

основу работы технологического плазменного оборудования положены различные типы воздействия плазмы на обрабатываемый материал: термическое воздействие плазмы на введенные в реакционный объем материалы и среды; воздействие заряженными частицами высоких энергий (ионами и электронами); воздействие нейтральными, возбужденными в плазме химически активными атомами, молекулами и радикалами; воздействие фотонами ультрафиолетового диапазона излучения; комплексное воздействие (рис.11.1). Каждый из приведенных типов определяет назначение соответствующего технологического оборудования: для получения монокристаллов или порошков тугоплавких материалов; для осаждения толстых или тонких слоев; для очистки поверхности от органических или неорганических загрязнений или пленок; для травления слоев физическим распылением или плазмохимическим способом, для полимеризации поверхностных слоев и т.д.

Использование плазмы в технологическом оборудовании

В конкретном технологическом оборудовании может использоваться плазма с различными сильно отличающимися характеристиками и параметрами. Это может быть:

1) термическая низкотемпературная квазиравновесная плазма с высокой среднемассовой температурой газа;

2) холодная неравновесная плазма при пониженном давлении с высокой электронной температурой.

Рассмотрим холодную неравновесную плазму, которая образуется в условиях пониженного давления (от 10³ до 10^-2 Па), когда увеличивается длина свободного пробега частиц. В связи с этими условиями виды обработки с использованием холодной плазмы и типы технологического оборудования можно назвать вакуумно-плазменными. Классификация оборудования по механизму обработки изделий в плазме приведена на рис.11.2.

Три основных механизма обработки в плазме

В основу классификации положено выделение трех основных механизмов обработки с использованием плазмы:

1) ионного;

2) плазмохимического;

3) ионно-химического (реактивно-ионного).

Ионная обработка идет за счет распыления твердого вещества бомбардировкой ускоренными положительными ионами инертных газов. При плазмохимической обработке основными ответственными за процесс частицами выступают химически активные нейтральные атомы, молекулы, радикалы, часто объединяемые под общим названием - химически активные частицы (ХАЧ). И, наконец, ионно-химическая обработка представляет собой совместное воздействие физического распыления и химических реакций с участием ионов различных веществ. Если же из объема плазмы с помощью системы вытягивающих, ускоряющих или фокусирующих устройств выделяется поток ионов, то такое оборудование носит название ионно-лучевого или реактивно-лучевого.

§ 11.2. Механизм и стадии обработки в плазме

На примере плазмохимического оборудования можно представить физико-химический механизм воздействия образующихся свободных атомов и радикалов на поверхность твердого тела. Такой механизм может быть разбит на отдельные стадии, которые помогают выявлению лимитирующей стадии, т.е. стадии, имеющей минимальную скорость и определяющей скорость всего процесса (рис.11.3).

Для всех плазмохимических процессов (ПХП) характерно образование в плазме разряда свободных атомов или радикалов в результате неупругих соударений электронов с молекулами реагентов. Свободные атомы (кроме инертных газов) и радикалы, отличающиеся от молекул наличием свободных (одной или нескольких) валентностей, проявляют вследствие этого высокую физико-химическую активность. Воздействие же образующих свободных атомов и радикалов на поверхность твердого тела может идти несколькими путями. В соответствии с этим ПХО (плазмохимическое оборудование) может быть разделено на группы.

В ПХО первой группы (рис.11.3,а) основными стадиями процесса являются: доставка реагентов в зону плазмы, диссоциация с образованием ХАЧ, доставка ХАЧ к поверхности, адсорбция ХАЧ на поверхности, гетерогенная химическая реакция с поверхностными атомами с образованием летучих и стабильных соединений, десорбция этих соединений с поверхности, отвод продуктов реакции от поверхности и от реакционного объема. К этой группе оборудования могут относиться установки удаления фоторезистивных слоев, очистки поверхности от неорганических загрязнений, шлифовки и обработки поверхностей и торцов подложек и пластин, размерного и полирующего травления, глубинного травления мезаструктур и скрайбирования пластин.

Для ПХО второй группы (рис.11.3,б) характерны иные стадии процесса. Вместо образования химических веществ в результате гетерогенной химической реакции с адсорбированием ХАЧ возможно образование нелетучих соединений с высокими температурами испарения. Следствием этого является необходимость отвода продуктов реакции только из реакционного объема. Ко второй группе плазмохимического оборудования относятся установки формирования окислов (анодирования), нитридов и других соединений в поверхностных слоях материалов.

В ПХО третьей группы (рис.11.3,в) после доставки реагентов в зону плазмы может осуществляться химическая реакция в газовой фазе с образованием конечных соединений или их фрагментов. Эти соединения

доставляются к поверхности и осаждаются на ней, формируя либо сразу пленку требуемого состава и структуры, либо пленку-полуфабрикат. Формирование пленки конечного заданного состава происходит на следующем этапе под действием электронной или ионной бомбардировки.

К ПХО третьей группы могут быть отнесены установки нанесения тонких пленок различных материалов и полимеризации слоев.

О лимитирующей стадии технологического процесса

Постадийный анализ процессов, протекающих при взаимодействии плазмы или ее составляющих в газовой фазе и с твердой поверхностью, помогает выделить лимитирующую стадию и по ее скорости оценить скорость процесса обработки в целом. Как сама лимитирующая стадия, так и ее скорость могут существенно различаться в зависимости от характера и параметров внешних условий. А это значит, что скорость процесса в конечном счете может определяться такими условиями, как газодинамические режимы подвода реагентов и отвода продуктов реакции, температура поверхности обрабатываемого слоя, концентрация электронов в плазме и вид функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), пороговая энергия диссоциации и т.п.

В оборудовании, использующем термическую низкотемпературную плазму, основным видом воздействия на обрабатываемый материал является термическое воздействие. В условиях высокой среднемассовой температуры плазмы (10⁴ - 10⁵ К) и высоких скоростей газа реализуются высокие скорости нагрева (до 10⁸ К/c), что позволяет осуществить быстрое плавление и даже взрывное испарение порошкообразных твердых и жидких материалов в такой среде. Обеспечиваются условия для неравновесных химических процессов с высокими скоростями реакций.

Общие контрольные вопросы к главе 11

1. В чем состоят основные различия "ионного", "плазмохимического" и "реактивно-ионного" механизмов обработки в плазме?

2. Что называют стадией обработки в плазме и какая стадия может считаться лимитирующей?

123