WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 21 | 22 || 24 | 25 |   ...   | 27 |

В случае кинетических энергий, значительно превышающих пороговую, имеется весьма убедительное доказательство того, что распыление является результатом ряда независимых парных столкновений такого же типа, как если бы ион (или нейтрализованный ион) сталкивался с атомами облака газа. Здесь, конечно, решающую роль играют отдельные массы каждой из сталкивающихся частиц. Если бомбардировка поверхности осуществляется при нормальном падении ионов, то для испускания распыленных атомов необходимо более чем одно столкновение, так как направление вектора импульса должно быть изменено более чем на градусов. Распыление атомов или ионов, являющееся результатом единичного столкновения между ионом и поверхностным атомом, можно обнаружить только при наклонной бомбардировке. При кинетических энергиях примерно 100 эВ ионы начинают внедряться в кристаллическую решетку мишени. Так для ионов Ar+ глубина проникновения в Cu равна приблизительно 1 нм/кэВ. Структура и ориентация кристалла являются важными факторами, определяющими глубину проникновения. По мере того, как происходит распыление, устанавливается равновесное состояние, при котором внедренные ионы распыляются так же, как атомы мишени. При высокой кинетической энергии доминирующими явлениями становятся всё более увеличивающиеся объемные нарушения решетки и глубокое проникновение ионов. В результате коэффициенты распыления перестают возрастать пропорционально энергии ионов и достигают слабо выраженного максимума, который для более легких ионов соответствует значительно меньшим энергиям (для Н+ при 2 кэВ), чем для тяжелых ионов ( Hg+ при 50100 кэВ). Если мишенью является тонкая фольга, то при достаточно высоких энергиях (МэВ - протоны) можно фактически наблюдать большее распыление с тыльной поверхности фольги, чем с лицевой.

Распыление материалов количественно характеризуется коэффициентом распыления S, который определяется количеством выбитых одним ионом атомов. S = na/n0, где na - число выбитых атомов; n0 - число ионов, бомбардирующих материал.

Коэффициент распыления сильно зависит от заряда бомбардирующих ионов. Экспериментально установлено, что коэффициенты распыления материалов изменяются значительно сильнее в зависимости от природы ионов (в 100 раз и более), чем от природы атомов мишени (в 10 раз).

Коэффициенты распыления максимальны для ионов инертных газов и минимальны - для элементов, расположенных в центральных столбцах периодической системы элементов (Al, Ti, Zr, Hf и др.).

При увеличении дозы, выражаемой в единицах ион/см2, происходит накопление ионов в поверхностном слое мишени, в результате чего образуется своеобразный твёрдый раствор атомов мишени и бомбардирующих ионов. Коэффициент распыления в этом случае может резко измениться. Коэффициент распыления мишеней ионами одного и того же элемента также немонотонно зависит от номера элемента мишени, что связано с периодичностью изменения энергии связи атомов.

С увеличением энергии выше пороговой (до 100 эВ) интенсивность процесса распыления возрастает в 103 - 104 раз, при этом коэффициент распыления составляет 0,1-0,4 атом/ион. Теория распыления достаточно хорошо разработана для условий бомбардировки металлов монокинетическими ионами. Согласно теории Зигмунда коэффициент распыления может быть найден из уравнения:

3M1M2ES =, (4.20) 2 M1 + M2 2 2Eсуб ( ) где - функция отношения М2/М1, приведенная на рис.4.10.

0,0,1 1 10 M /M 1 Рис.4.10. График функции =f(M1/M2) Это уравнение справедливо при сравнительно малых энергиях первичных ионов, когда их столкновения с атомами мишени можно рассматривать как упругие.

При энергиях ионов более 1 кэВ следует учитывать зависимость коэффициента распыления от ядерной тормозной способности:

N3/2 Sn ( ) S =. (4.21) 4 Eсуб Ядерную тормозную способность можно вычислить по уравнению:

Z1Z2e2 MSn =, (4.22) ( ) ( ) M1 + M2 ( ) в котором () - сечение ядерного торможения;

40M2aE = - приведенная энергия ионов;

M1 + M2 Z1Z2e( ) a = 0,885a0(Z12/3 + Z22/3)-1/2 - характерный радиус экранирования;

а0 = 5,2910-11 м - боровский радиус атома водорода.

Для наиболее часто используемого в технологии диапазона энергий ионов сечение ядерного торможения может быть определено по эмпирическому уравнению:

0, =.

( ) 0,3 + Приведенные выше уравнения могут быть использованы для количественных оценок коэффициента распыления металлов при анализе и выборе режимов технологического процесса. Более строгие расчеты могут быть сделаны в рамках численного моделирования процесса распыления.

Рассмотренные подходы справедливы при бомбардировке металлов монокинетическими ионными пучками. Но процессы ионного распыления монокинетическими пучками редко применяются в технологии из-за их сравнительно малой производительности и сложности используемого оборудования. Гораздо чаще применяется ионно-плазменная обработка, теоретическое описание которой существенно усложняется немонокинетичностью и неоднородностью состава ионных потоков, эффектами переосаждения распыленных частиц и другими факторами.

Подробнее вопросы технологии ионного распыления в различных вариантах будут рассмотрены ниже.

4.8.2. Ионное травление поверхности Ионное травление используется для выполнения значительного количества технологических процессов: очистки поверхности, микрофрезерования поверхностных слоёв, полировки, выявления кристаллической структуры поверхности, микрообработки с целью придания элементам необходимых формы и размеров и т.д. Особенно эффективно использование ионного распыления для "сухого" процесса травления. В отличие от химического травления обработке подвергаются любые материалы, не требуются химические реактивы, отсутствуют после операции следы химических соединений. Если ионное травление выполняют через открытые окна в защитных масках, нанесённых заранее на поверхность, то отсутствует подтравливание под ними, края травления ровные и соответствуют направлению бомбардирующего потока ионов. Подбором материала маски с меньшим коэффициентом распыления, чем обрабатываемая мишень, можно обеспечить значительные глубины травления. При этом высокие требования к адгезии маски отсутствуют.



Материалом масок выбирают органические полимеры (фото-, электроно- или ионорезисты), неорганические диэлектрики типа SiO2, Si3N4 или плёнки металлов. При соизмеримых коэффициентах распыления толщины масок примерно соответствуют толщинам стравливаемых слоёв мишени, хотя желательно выбирать материал маски с минимальной скоростью ионного травления по сравнению с мишенью.

Так как результат ионного травления зависит от угла падения ионов, то при больших углах бомбардировки значительная часть ионов может отражаться, разрушая боковые стенки масок, наблюдается быстрое стравливание первоначально острых углов масок. Часть распыляемого материала мишени переосаждается, что также меняет конфигурацию маски.

Особенно влияет на наличие заданных размеров областей травления изменение конфигурации масок у их оснований. Поэтому в процессе ионного травления целесообразно изменять угол падения, не превышая его критического значения. Такие изменения осуществляют вращением и поворотом держателя мишени относительно направления ионного потока. С целью ионной полировки поверхности угол бомбардировки поддерживают оптимальным.

Различают три разновидности процесса ионного травления: физическое (ионами инертных газов), плазмохимическое и ионно-химическое. В процессах травления ионами инертных газов (Ar+, Ne+, Kr+ и др.) разрушение материала происходит только вследствие передачи кинетической энергии от ионов атомам поверхности твёрдых тел. Ионы можно извлекать из плазмы, которая окружает мишень, или направлять их на поверхность потоком из отдельного ионного источника. Скорости травления в этом методе недостаточно большие. Так, травление SiO2 ионами аргона с энергией 1 кэВ и плотностью тока 1 мA/см2 протекает со скоростью порядка 15 нм/мин.

В плазмохимических процессах удаляемый поверхностный слой материала представляет собой летучие стабильные соединения. Соединения образуются в результате химических реакций атомов твёрдого тела мишени с ионами и радикалами химически активных газов и паров. Этому процессу свойственны высокая селективность травления различных материалов и меньшие радиационные повреждения, чем при травлении ионами инертных газов. Скорость процесса при этом существенно выше, например для SiOона достигает 500 нм/мин. Однако в плазмохимических процессах наблюдается большее подтравливание слоёв под масками, разрешающая способность метода хуже, чем при ионном травлении.

При ионно-химическом травлении для разрушения поверхностных слоёв обрабатываемого материала используется как кинетическая энергия ионов химически активных газов, так и энергия их химических реакций с атомами материала. В этом методе совмещаются преимущества первых двух: высокая селективность и большая скорость травления. Мишень можно поместить в плазму (реактивное ионно-плазменное травление) или бомбардировать её пучком химически активных ионов из автономного ионного источника (реактивное ионно-лучевое травление).

Рабочими газами для двух последних процессов обычно выбирают хлор- и фторсодержащие соединения или кислород, например, травление Si, SiO2, Si3N4,W, Mo, Ti, Ta осуществляют чаще в плазме CF4; Al - в CCl4 и BCl3.

Продуктами реакций являются летучие фтористые и хлористые соединения, например, SiF4. Хром эффективно травят в хлор-кислородной плазме.

Для реализации процессов ионного травления используют различные установки, отличающиеся способами возбуждения и поддержания разрядов, типами автономных ионных источников, способами перемещения обрабатываемых изделий и т.д. Наибольшее распространение получили системы на постоянном токе и высокочастотные. Они могут быть диодными, триодными, тетродными и многоэлектродными. Степень универсальности, контролируемости и управляемости процессов ионного травления во многом определяется выбором соответствующей системы. Для примера рассмотрим принцип действия трёх высокочастотных (ВЧ) систем плазменного травления (рис.4.11).

Рис.4.11. Схемы устройств для ионно-плазменного травления: а - трубчатый реактор с перфорированной алюминиевой трубой (1обрабатываемое изделие; 2 - перфорированная труба; 3 - кварцевый баллон; - заземлённый электрод; 5 - высокочастотный электрод); б - плоский реактор с изделиями на заземлённом электроде (1 - высокочастотная пластина; 2 - плазма; 3 - изделие; 4 - заземлённая пластина; 5 - патрубок для откачки); в - реактор для травления реактивными ионами (1 - заземлённый корпус реактора; 2 - плазма; 3 - изделие; 4 - высокочастотная пластина; 5 - откачка газа; 6 - напуск газа) В трубчатом реакторе с перфорированной алюминиевой трубой плазма высокочастотного разряда поддерживается в цилиндрическом зазоре между кварцевыми баллоном и трубой. Травление изделия происходит долгоживущими радикалами, диффундирующими из плазмы через перфорации трубы к поверхности изделия. Ионы, разряжаясь на трубе, не достигают его. Если использовать рабочий газ CF4, то на поверхности трубы возникает защитная плёнка фторида алюминия, препятствующая её разрушению. При давлении рабочего газа 30-300 Па время жизни радикалов CF3 и F составляет 0,3 с, что при коэффициенте диффузии 50 см2/с обеспечивает диффузионную длину их движения порядка 250 мм. Радикалы свободно достигают поверхности изделия, обеспечивая процесс его изотропного травления. Равномерное травление происходит до значительных глубин (порядка 2 мкм). Скорость процесса зависит от состава газа, его потока и температуры изделия.





В плоском реакторе изделия располагаются на нижней заземлённой пластине. В зазоре от 10 до 50 мм между заземлённой нижней пластиной и верхней с помощью высокочастотного генератора поддерживается разряд.

Давление рабочего газа составляет 10-100 Па. Поверхности изделий, обращённые к плазме, подвергаются воздействию ионов из плазмы разряда и короткоживущих радикалов, при этом ионы вносят ограниченный вклад по скорости в результат процесса травления. В целом в таком устройстве реализуется анизотропное травление с преобладанием разрушения изделия вглубь от плоскости, обращённой к плазме.

В реакторе для травления реактивными ионами изделие расположено на пластине, погруженной в плазму высокочастотного разряда. Разряд поддерживается от внешнего генератора между заземлённым корпусом и внутренним электродом - пластиной, размеры которой меньше внутреннего диаметра корпуса. При давлении рабочего газа 1-10 Па травление происходит практически только вследствие бомбардировки изделия реактивными ионами. Их вклад в процесс гораздо больше, чем в двух предыдущих устройствах. Значительнее проявляются радиационные повреждения вследствие ионной бомбардировки. В целом процесс в этом типе реактора характеризуется значительной анизотропией травления.

В плазменных реакторах рассмотренных типов можно эффективно травить металлы, полупроводниковые материалы и окислы. Например, используя высокочастотный разряд на частоте 13,56 МГц при выходной мощности генератора 100 Вт и давлении в плоском реакторе 26 Па достигнуты скорости травления для Si - 195, Si3N4 - 100, SiO2 - 20 нм/мин.

4.8.3. Ионно-лучевые методы осаждения покрытий Тонкие и толстые пленки и покрытия с воспроизводимыми и заранее заданными свойствами можно получать в условиях высокого вакуума двумя методами - осаждением из сепарированных ионных пучков и из дуги в парах материалов электродов.

Осаждение тонких пленок из сепарированных ионных пучков - самый "чистый" способ, хотя его производительность и невелика. Для микро- и оптоэлектроники, функциональной электроники возможность получения строго контролируемых по составу, практически беспримесных, однородных по структуре тонких пленок открывает новые перспективы создания устройств с уникальными эксплуатационными характеристиками.

Данный метод заключается в создании потока ионов определенного вида и энергии и осаждения их на выбранной подложке. Осаждение проводится в сверхвысоковакуумной камере, поэтому в пленках отсутствуют газовые включения, свойственные плазменным методам. Сепарация ионов по отношениям их массы к заряду исключает из состава ионов пучка посторонние примеси, в том числе ионы материалов электродов ионного источника. Если в широко распространенных для выращивания пленок плазменных методах ионы, падающие на подложку, имеют распределение по энергиям от нуля до нескольких кэВ, то в этом методе их энергетический диапазон очень узок. Чтобы исключить распыление наносимой пленки и обеспечить оптимальные условия ее роста, необходимо вести осаждение при относительно малых энергиях ионов. Например, рост пленок хрома осуществляется при энергиях менее 500 эВ. Известно, что межфазные образования и кинетика роста пленки определяются кинетической энергией ионов, попадающих на подложку. Поэтому, регулируя энергию ионного потока, можно эффективно управлять процессом роста и качеством пленки.

При термическом методе вакуумного напыления покрытий конденсирующиеся атомы имеют энергию, не превышающую 0,3 эВ. Для активации протекающих в ходе конденсации процессов обычно нагревают подложку. Ее температура является одним из основных параметров, определяющих структуру пленки и ее адгезию к подложке. Для получения высококачественных пленок абсолютная температура подложки составляет 0,3 – 0,5 от температуры плавления осаждаемого материала.

В ионном пучке энергия частиц значительно выше, что позволяет получить пленки с хорошей адгезией на холодных подложках. Процессы конденсации в сравниваемых методах отличаются уже на первых стадиях образования зародышей. Размеры зародышей в случае ионного осаждения меньше, а их количество на единице поверхности больше. Сплошность пленки достигается при меньших толщинах.

На рост гомо- и гетероэпитаксиальных пленок влияют такие факторы, как энергия ионов, ориентация поверхности подложки, состав остаточных газов и температура поверхности подложки. Исследования процесса роста пленок методом просвечивающей электронной микроскопии, а также свойств пленок с помощью масс-спектрометра вторичных ионов и электронного ожеспектрометра позволили сделать следующие выводы. Слипание и образование островков серебра и цинка как стадии начала роста зависят от плотности дислокаций на подложке. Плотность дислокаций становится высокой, когда осаждение происходит при относительно большой энергии ионов или же когда оно проводится на плоскость с плотной упаковкой.

Pages:     | 1 |   ...   | 21 | 22 || 24 | 25 |   ...   | 27 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.