Молекулярно – променева епітаксія

Молекулярно – променева епітаксія (МПЕ) – це метод орієнтованого нарощування речовин при конденсації молекулярних пучків у вакуумі. При цьому методі нарощування епітаксійних шарів проходить при більш низьких температурах Це зменшує вплив дифузії з підкладки. Крім того, цей метод дозволяє легко варіювати профіль легування.

Молекулярно – променева епітаксія проводиться в спеціальних установках,

в яких використовуються два способи легування. Один з них основний на легуванні атомами домішки, яка випаровується (рис.4), а другий – на іонній імплантації (рис.5 ).

Рис.4. Схема установки молекулярно – променевої епітаксії з легуванням на основі випаровування домішок. 1- робоча камера; 2- тримач підкладки; 3- нагрівач; 4- підкладка; 5- заслінка; 6- потік домішки; 7- джерело домішки; 8- електронна гармата; 9- джерело кремнію; 10- потік електронів; 11- потік кремнію.

Після випаровування атоми кремнію і легуючої домішки досягають поверхні і вбудовуються в кристалічні гратки.

При другому методі легування нарощуваної епітаксійної плівки полягає в імплантації іонів із прискорених іонних пучків. Іонний пучок вводиться в робочу камеру, сканується в горизонтальному та вертикальному напрямках і змішується з пучком молекул кремнію на підкладці,

Як звичайно, поверхня підкладки покрита шаром , тому початковий період росту епітаксійного шару може мати суттєві відміни.

Рис.5. Схема установки молекулярно – променевої епітаксії з легуванням на основі іонного впровадження домішки. 1- робоча камера; 2- нагрівач; 3- підкладка; 4- завантажувальна камера; 5- заслінка; 6- відхиляючи пластини; 7- має аналізатор; 8- фокусуюча система; 9- камера джерела іонів; 10- джерело іонів; 11 – електрона гармата; 12- джерело кремнію; 13- електронний потік; 14- оглядове вікно.

18 Загальна характеристика фотолітографічного процесу.

Фотолітографія - це технологічний процес, який базується на використанні фотохімічних реакцій, що виникають в фото резистивних шарах при актинічному їх опроміненні. Актинічним називається опромінювання, яке викликає незворотні зміни властивостей фото резистивного шару. Для цього використовують два типи фоторезистивних матеріалів (негативні,позитивні).

Негативні фоторезисти (ФН) під дією актинічного опромінювання полімеризуються і утворюють захисний шар, стійкий до травників, які застосовуються в технологічному процес виготовленн ІМС.

Позитивні фоторезисти (ФП) під дією опромінювання розкладаються і легко усуваються з підкладки, а захисні властивості має неопромінений фоторезист.

Для опромінення фоторезистів використовують ультрафіолетові джерела світла. Фотохімічні реакції j фоторезистах стимулюються поглинанням кванта опромінюючою світла Фотолітографія являється основним способом перенесення рисунка мікросхеми на напівпровідникову пластину.

На практиці широко застосовують фоторезисти таких марок: ФП-307, ФП-309, ФП-330, ФП-383, ФП-РН-7, ФП-617, які забезпечують; формування ліній, шириною 1- 2 мкм при товщині фоторезиста 0,3-0,4 мкм.

Негативні фоторезисти мають дещо меншу роздільну здатність, яка забезпечує відтворення ліній шириною більше 5мкм. В табл.1 приведені характеристика деяких фоторезистів.

При виборі матеріалу фоторезисту оцінюють фото чутливість, роздільну здатність, стійкість до агресивних середовищ та вартість.

Е – освітленість, час експонування.

При виборі фоторезиста треба знати, які травники і проявники будуть застосовуватися при виготовленні даної мікросхеми. Фоторезистивна маска, сформована на основі позитивного чи негативного фоторерезиста, повинна бути стійкою до цих агресивних середовищ і мати хороші захисні властивості, щоб не була порушена геометрія елементів.

Роздільна здатність фоторезиста визначається максимальною кількістю ліній однакової ширини, розділених проміжками, рівними ширині лінії, яку можна отримати у фоторезистивному шарі на довжині одного міліметра після проявлення рисунка. Роздільну здатність визначають з допомогою випробувальної міри. Цією мірою можна контролювати роздільну здатність фотокамери, фотошаблонів, фоторезиста і процесу фотолітографії.

Для створення фоторезистивної захисної маски використовуються фотошаблони, виготовлення яких проводиться із застосуванням фотооригіналів.

Процес отримання фотошаблону з розмноженим зображенням називають мультиплікацією. Мультиплікація; проводиться з допомогою фотоповторювачів, її суть полягає в. послідовному чергуванні операцій експонування і переміщення! фотопластини, яка перебуває на координатному столі, в певну координатну позицію, яка визначається прецизійною системою відрахунку і задається спеціальною програмою мультиплікування.

Розглянемо послідовність операцій фотолітографічного процесу при формуванні маски з окислу кремнію необхідної конфігурації.

Підкладка з нанесеною суцільною окисною плівкою (рис.1,а) покривається негативним фоторезистом. Після засвічування фоторезиста через фотошаблон формується фоторезистивна маска (рис.1,б), а потім стравлюється незахищений маскою окисел. Після цього задублений фоторезист знімається спеціальними розчинниками (рис.1,в).

Товщина резистивного шару визначається з формули де - кінематична в'язкість фоторезиста (мм2/с); hp - товщина рідкого фоторезиста, мкм, А- коефіцієнт; - частота обертання центрифуги. Після нанесення фоторезиста усувається розчинник, який заважає ефективному проходженню фотохімічних реакцій. Для отримання твердої плівки і забезпечення зчеплення її з поверхнею підкладки чи плівки, на ,яку вона наноситься, проводять висушування. Його час залежить від обраного методу.

Сушіння здійснюють конвекцією в термостатах чи в спеціальних пічках, які використовують інфрачервону ( ІЧ ) чи надвисокочастотну (НВЧ) енергію і які набули найбільшого розповсюдження. Тривалість сушіння ІЧ-променями становить "близько 5 хвилин, а при НВЧ – декілька секунд.

У всіх випадках сушіння треба проводити в інертному середовищі, щоб виключити окислення молекул фоторезиста. Засвічування фоторезиста проводиться через ' фотошаблони, рисунок яких повинен бути точно суміщений з рисунком на підкладці, раніше нанесеному в процесі попередньої фотолітографії. Фотошаблон може знаходитися безпосередньо на підкладці з фоторезистом при контактному експонуванні або близько від підкладки з фоторезистом (на віддалі 10-30 мкм) при безконтактному експонуванні чи проектуватися на поверхню фоторезиста при проекційному експонуванні.

Істотним обмеженням контактної фотолітографії є неминучість механічних пошкоджень робочих поверхонь пластин і фотошаблону, які при експонуванні щільно притискають один до одного. Це приводить до частої заміни фотошаблону_і_виключає можливість автоматизації процесу експонування.

Фотолітографія на мікрощілині базується на використанні ефекту подвійного чи множинного джерела випромінення, який створюється в системах експонування спеціальної конструкції.Ультрафіолетові промені падають на фотошаблон і пластину під однаковими кутами до загальної оптичної осі системи експонування. За рахунок нахилу променів дифракційні явища за прозорими ділянками фотошаблону зведені до мінімуму, тому поліпшується рівномірність опромінення країв пластин, підвищується точність передачі рисунка і роздільна здатність.Щілина між фотошаблоном і пластиною не перевищує 30 мкм, час експонування - 2-5 секунд, термін служби фотошаблону практично необмежений. Застосування цього методу усуває всі недоліки, властиві контактному експонуванню, і підвищує процент виходу придатних ІМС. Проекційна фотолітографія відрізняється від контактної фотолітографії технікою суміщення і експонування і полягає в проектуванні зображення фотошаблону на пластину, покриту фоторезистом, з допомогою системи лінз з високою роздільною здатністю.

Для експонування використовують джерела ультрафіолетового, випромінення, в основному ртутно-кварцеві лампи. Час експозиції підбирають на контрольних зразках в залежності від типу фоторезистів і джерел випромінення.

Після експонування проводять проявлення, усуваючи експонований позитивний і неекспонований негативний фоторезист. Для усунення неекспонованих негативних фоторезистів використовують толуол, трихлоретилен, диоксан та інші розчинники, а експонований позитивний фоторезист усувається водними лужними розчинами (0,3-0.5% розчин їдкого калію, 1-2% розчин тринатрійфосфату) чи органічними лугами. Проявлення здійснюється зануренням у розчин, витримкою у парах проявника. Після проявлення зображення підкладку старанно промивають деіонізованою водою і проводять сушіння.

При необхідності усунення фото резистивної маски застосовують хімічну, термічну (в атмосфері кисню чи плазмохімічну деструкцію.

Хімічна деструкція - це розклад фоторезиста при допомозі хімічних реакцій, в результаті яких утворюються менш складні короткі молекули з мало молекулярно масою які легка змиваються водою. Для хімічної деструкції найчастіше використовують сірчану кислоту, яку для прискорення процесу підігрівають до температури 160°С..Можна проводити очищення і при нижчій температурі - до 100°С, якщо використовувати суміш концентрованої сірчаної кислоти та 30% перекису водню в об'ємному відношенні 3:1. Оскільки цей метод не можна застосувати для металізованих підкладок, тому для зняття фоторезистивної маски з поверхні останніх використовують органічні розчинники (ацетон, метилетилкетон, диметилформамід) чи органічні розчинники з додаванням органічних лугів - еталомінів.