Лабораторная работа № 4 Изучение технологических операций плазменного травления и получения тонких пленок методами термовакуумного испарения и плазменного осаждения из газовой фазы при изготовлении изделий микроэлектроники (стр. 4 )

1. Ознакомиться с описанием работы и устройством установки ПА ХОГФ «Corial d250» (см. приложение 1).

2. Снять и построить зависимости скорости осаждения ПА ХОГФ пленок SiO2 и Si3N4 от ВЧ-мощности при постоянном расходе газовой смеси (рабочего давления при постоянных значениях ВЧ-мощности и расхода газовой смеси);

Значения ВЧ-мощности (рабочего давления) для каждой бригады выдает преподаватель (инженерно-технический персонал).

3. Рассчитать неравномерность осаждения пленок SiO2 и Si3N4.

1.1.5. Порядок выполнения работы

1. Получить у преподавателя (инженерно-технического персонала) образцы для осаждения пленок SiO2 и Si3N4 (по два образца на бригаду).

2.  Открыть крышку шлюзовой камеры, загрузить образец.

3.  Запрограммировать значения операционных параметров процесса ПА ХОГФ SiO2 (для каждой бригады задаются (преподавателем, инженерно-техническим персоналом) свои значения ВЧ-мощности (давления)).

4.  Провести процесс осаждения функционального слоя SiO2.

5.  После окончания процесса осаждения, выгрузить образец из шлюзовой камеры и измерить толщины полученной пленки SiO2 с помощью таблицы цветов (см. приложение 4) в 5-ти точках (см рис.).

6.  Повторить переходы 2 – 5 для процесса ПА ХОГФ пленки Si3N4

7. Передать образцы с осажденными слоями SiO2 и Si3N4 на операцию фотолитографии для формирования фоторезистивной маски и последующего плазменного травления ФС (см. лаб. задание 2.9).

8. Построить графики зависимости скорости осаждения функциональных слоев от ВЧ-мощности при постоянном давлении (давления в рабочей камере при постоянных значениях ВЧ-мощности и расхода газовой смеси), предварительно рассчитав значения скоростей осаждения ФС. Графики строятся по значениям скоростей осаждения, полученных каждой бригадой.

9. Рассчитать неравномерность осаждения пленок SiO2 и Si3N4 и внести в таблицу (см. табл. приведенную ниже)

10.  Оформить отчет.

1.1.6. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1.  цель работы;

2.  краткие теоретические сведения;

3.  режимы технологических процессов в виде таблицы;

Осаждаемый слой	ВЧ-мощность, Вт	Давление, Па	Скорость осаждения, нм/мин	Нерав-рность, %	Примеч.
SiO2					бригада№ 1
				бригада№ 2
				бригада№ 3
Si3N4					бригада№ 1
				бригада№ 2
				бригада№ 3

4.  экспериментальные результаты в виде графиков зависимости скорости осаждения SiO2 и Si3N4 от - ВЧ-мощности при постоянном расходе газовой смеси (от давления в рабочей камере при постоянных значениях ВЧ-мощности и расхода газовой смеси);

5. значения неравномерности осаждения пленок SiO2 и Si3N4

6. выводы по работе.

1.1.7. Контрольные вопросы

1. Какие методы получения тонких пленок Вы знаете?

2. Каков механизм метода ПА ХОГФ?

3. Какие технологические параметры процессов осаждения Вы знаете?

4. Какие основные преимущества и недостатки метода ПА ХОГФ Вы знаете?

5. Какие факторы влияют на концентрацию примесей в пленках, полученных в процессах ПА ХОГФ?

6. Перечислите операционные параметры процесса ПА ХОГФ?

7. Какие исходные реагенты используются для получения пленок SiO2 в процессах ПА ХОГФ? Что препятствует зародышеобразованию в газовой фазе в процессах ПА ХОГФ SiO2?

8. Какие исходные реагенты используются для получения пленок Si3N4 в процессах ПА ХОГФ? Как избежать образования обогащенной кремнием пленки Si3N4?

9. Какие исходные реагенты используются для получения пленок оксинитрида кремния в процессах ПА ХОГФ? Каковы преимущества пленок оксинитрида по сравнению с пленками SiO2, полученных в процессах ПА ХОГФ?

10. Как влияет температура процесса ПА ХОГФ на содержание кислорода в пленках Si3N4 и на их стехиометрический состав?

1.2. Методы термовакуумного испарения

Все вещества в зависимости от температуры нагрева могут находиться в одном из трех фазовых состояний: твердом, жидком или газообразном. Испарение, т. е. переход в парообразное состояние, происходит, когда с повышением температуры средняя колебательная энергия его частиц возрастает настолько, что становится выше энергии связи с другими частицами, и они покидают поверхность, и распространяются в свободном пространстве.

Применение кинетической теории газов для интерпретации явления испарения позволяет создать теорию процесса испарения. Первые попытки количественной оценки скорости, с которой вещество из конденсированной фазы переходит в газообразную, связаны главным образом с именами Герца, Кнудсена и Ленгмюра. Наблюдение отклонений от первоначально постулированной идеальной модели привело к уточнениям механизма переноса, которые стали возможны после возросшего понимания молекулярного и кристаллического строения вещества. Теория испарения включает в себя элементы кинетики реакций, термодинамики и теории твердого тела. Вопросы, связанные с направлением движения испаренных молекул, были решены в первую очередь с помощью вероятностного рассмотрения эффектов кинетики газов и теории сорбции.

Для получения пленок методом термического испарения и конденсации в вакууме важно знать некоторые параметры, описывающие характеристики этого процесса.

Одним из них является величина давления равновесного пара испаряемых материалов. Для металлов зависимость давления насыщенного пара РИ от температуры в области давлений меньше 133 Па можно выразить следующим уравнением:

(1)

где ∆Н - скрытая теплота испарения; R - универсальная газовая постоянная; TKИП - температура кипения металла при атмосферном давлении; ТИ - температура испарения; РКИП – давление насыщенного пара металла при температуре кипения.

Для приближенных вычислений скрытой теплоты испарения существует ряд эмпирических формул. Из них отметим правило Трутона, из которого следует, что молярная теплота испарения в точке кипения приблизительно пропорциональна температуре кипения:

(2)

где КТ - постоянная Трутона. Примерно для половины всех металлов КТ = (104 ± 12) Дж/(моль∙градус)

Логарифмируя выражение (1) и проводя простые преобразования, получаем:

(3)

Давление насыщенного пара испаряемого материала РИ лежит в пределах 13,3 – 1,3∙10-1 Па. Это связано с тем, что при давлениях больших 13,3 Па, начинается интенсивное разбрызгивание испаряемого материала с испарителя и попадание на подложку макрочастиц, нарушающих структуру пленки, а при давлениях, меньших 1,3∙10-1 Па, скорости осаждения настолько малы, что не представляют практического интереса, время же взаимодействия с активной атмосферой остаточных газов рабочей камеры вакуумной установки велико. При расчетах эта величина обычно выбирается 1,33 Па. Учитывая, что РКИП =101308 Па, а R = 8,29 Дж/(моль ∙град), получаем

или, подставляя КТ =104,

ТИ = 0,53 ТКИП

При испарении с открытой поверхности в вакууме скорость испарения (г/(см2 с)) может быть описана формулой Ленгмюра:

(4)

где М - атомная масса материала, a β - безразмерный коэффициент испарения, учитывающий изменение рабочей площади испарителя в процессе испарения, покрытие поверхности испаряемой навески непроницаемой оксидной или нитридной пленкой, снижающей скорости испарения, и другие факторы (β ≤ 1). (Здесь РИ выражается в Паскалях, а Т - абсолютная температура). Пользуясь выражениями (3) и (4), а также данными, приведенными в таблице 1.7, можно вычислить скорости и температуры испарения при различных давлениях.

Таблица 1.7.

Значения температуры кипения, теплоты испарения и

плотности для некоторых материалов.

№	Металл	Ткип, К	∆Н, Дж/моль	ρ*, г/см3
1	Cu	2868	304855	8,93
2	Ag	2485	254235	10,5
3	Au	3239	342500	19,3
4	Zn	1180	116730	6,92
5	Al	2600	284505	2,70
6	Si	2750	297280	2,42
7	Ge	2980	284715	5,46
8	Cr	2495	305525	7,1
9	Ni	3110	378840	8,7
10	Ga	2700	251220	6,093
11	Pd	3440	372640	12,16
12	Fe	3008	354300	7,87

Скорость конденсации ω, т. е. поток молекул пара в граммах, конденсирующихся за 1 с на 1 см2 подложки, зависит oт скорости испарения, эмиссионной характеристики испарителя и его площади: