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. 7 )

Рисунок 9. Схема электронно-лучевого испарителя

Отклоняющая система предназначена для создания магнитного поля, перпендикулярного направлению скорости движения электронов, выходящих из фокусирующей системы пушки, и состоит из полюсных наконечников 1 и электромагнита 2. Между полюсными наконечниками расположены водоохлаждаемый тигель 3 и электронная пушка. Отклоняя электронный луч магнитным полем, его направляют в центральную часть водоохлаждаемого тигля. В месте падения луча создается локальная зона испарения вещества из жидкой фазы. Нагретый электронной бомбардировкой материал 4 испаряется, и поток паров 5 осаждается в виде тонкой пленки 9 на подложке 10. Изменяя ток в катушке электромагнита, можно сканировать лучом вдоль тигля, что предотвращает образование «кратера» в испаряемом материале.

Водоохлаждаемые тигли обеспечивают длительную непрерывную работу без добавки испаряемого материала, который кроме того, не контактирует в расплавленном виде со стенками тигля, а значит, и исключается их взаимодействие.

Электронно-лучевые испарители могут быть одно - и многотигельной конструкции, с разворотом луча на 2700 и 1800. При угле отклонения электронного луча до 2700 исключается попадание испаряемого материала на катод и загрязнение наносимых пленок материалом катода, который во время работы также испаряется.

Недостатки этих испарителей - сложность аппаратуры питания и управления, трудность испарения материалов высокой теплопроводности (медь, алюминий, серебро, золото) из водоохлаждаемого тигля, необходимость частой замены и юстировки катода, а также питание высоким напряжением, что требует соблюдения соответствующих правил техники безопасности.

1.2.3. Лабораторное задание

1. Ознакомиться с описанием работы и устройством установки термовакуумного испарения «KurtJ. Lesker Lab18» (см. приложение 2).

2. Ознакомиться с описанием работы и устройством интерференционного микроскопа МИИ-4 (см. приложение 5).

3. Снять и построить зависимости скорости конденсации пленки Al (Ti) от мощности нагревателя;

Значения мощности нагревателя для каждой бригады выдает преподаватель (инженерно-технический персонал).

4. Рассчитать неравномерность пленки Al (Ti).

1.2.4. Порядок выполнения работы

1. Получить у преподавателя (инженерно-технического персонала) образцы для осаждения пленки Al (Ti) (по одному образцу на бригаду).

2. Открыть крышку шлюзовой камеры, загрузить образец.

3. Запрограммировать значения операционных параметров процесса термовакуумного испарения Al (Ti) (для каждой бригады задаются (преподавателем, инженерно-техническим персоналом) свои значения мощности нагревателя).

4. Провести процесс осаждения функционального слоя Al (Ti).

5. После окончания процесса осаждения, выгрузить образец из шлюзовой камеры и определить толщины полученной пленки Al (Ti) с помощью интерференционного микроскопа МИИ-4 в 5-ти точках (см рисунок, представленный в разд. 1.5.5, п.5), предварительно процарапав металлическую пленку с помощью скальпеля (любого твердого режущего инструмента).

6. Построить график зависимость скорости конденсации пленки Al (Ti) от мощности нагревателя, предварительно рассчитав значения экспериментальных скоростей конденсации ФС. График строится по значениям скоростей конденсации, полученных каждой бригадой.

7. Рассчитать неравномерность пленки Al (Ti) и внести в таблицу (см. табл. приведенную ниже).

8. Оформить отчет.

1.2.5. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1.  цель работы;

2.  краткие теоретические сведения;

3.  режимы технологических процессов в виде таблицы;

Осаждаемый слой	Мощность, Вт	Скорость конденсации, нм/мин	Нерав-рность, %	Примеч.
Al (Ti)				бригада№ 1
			бригада№ 2
			бригада№ 3

4.  экспериментальные результаты в виде графика зависимости скорости конденсации пленки Al (Ti) от мощности нагревателя;

5. значения неравномерности пленки Al (Ti), представленные в таблице;

6. выводы по работе.

1.2.6. Контрольные вопросы

1. Каков механизм получения пленок методом ФОГФ? Какие способы ФОГФ Вы знаете?

2. Давление равновесного пара испаряемого материала. Скорость испарения, скорость конденсации.

3. Удельное поверхностное сопротивление пленки. Число квадратов.

4. Как влияет температура подложки на удельное сопротивление пленки?

5. Как влияет скорость осаждения испаряемых частиц на удельное сопротивление пленки?

6. Как влияет давление остаточных газов на удельное сопротивление пленки?

7. Каков механизм процесса испарения с помощью резистивного нагрева? Испарители с непосредственным нагревом (принцип работы, схема испарителя, достоинства и ограничения этих испарителей).

8. Какие требования предъявляются к материалам испарителей?

9. Испарители с косвенным нагревом (принцип работы, схемы испарителей, достоинства и ограничения этих испарителей).

10. Каков принцип действия испарителей с электронно-лучевым нагревом? Схема электронно-лучевого испарителя и его состав.

2. Технология плазменного травления

Одной из основных и постоянно действующих тенденций в развитии микроэлектроники является рост степени интеграции, связанный, в первую очередь, с уменьшением размеров элементов микросхем. Формирование элементов с малыми размерами, в первую очередь, стало возможным, благодаря внедрению в технологию микроэлектроники методов электронной, рентгеновской и ионной литографии, а также с совершенствованием уже известных и поиском новых технологий при создании СБИС, в частности с активно развивающимися методами «сухого» травления, уверенно вытесняющими традиционную технологию жидкостного химического травления.

В общем случае под процессом плазменного травления понимают удаление поверхностных атомов или молекул материала в низкотемпературной газовой плазме (НГП).

Низкотемпературная газовая плазма (НГП) – это слабоионизованный газ при давлениях 10-1 - 103 Па со степенью ионизации порядка 10-6 – 10-4 (концентрация электронов 1015 – 1018 м-3), в котором электроны имеют среднюю энергию 1 – 10 эВ (температуру порядка 104 – 105 К), а средняя энергия тяжелых частиц газа (ионов, атомов, молекул) на два порядка меньше.

НГП может генерироваться в разрядах, возбуждаемых постоянным электрическим полем, и примыкающих к ним разрядах на низкой частоте (102 – 103 Гц), в ВЧ – (105 – 108 Гц), СВЧ – (109 – 1011 Гц) разрядах и в электромагнитных полях оптического диапазона частот (1013 – 1015 Гц).

2.1. Образование частиц в низкотемпературной плазме

В неизотермической НГП низкого давления происходят возбуждение и ионизация молекул рабочего газа, а также диссоциация молекул на свободные атомы и радикалы:

1) AB + CD ®АB + CD – Упругое рассеяние; в большинстве случаев наблюдается именно этот тип столкновений, при котором столкнувшиеся частицы разлетаются, обменявшись только энергией.

2) AB+CD®АB*+CD – Неупругое рассеяние. Молекула АB*оказалась в возбужденном состоянии (значок *). Может оказаться возбужденной CD* или АB* и CD* одновременно. Полная кинетическая энергия уменьшилась на энергию возбуждения. Атомы и молекулы не могут долго оставаться в возбужденном состоянии, поскольку возбужденные состояния имеют вполне определенное конечное время жизни, спустя которое происходит переход в основное состояние, сопровождающийся излучением кванта.

3) AB+CD®А+B +CD – Диссоциация. Одна из молекул или обе молекулы распались на атомы: AB+CD®АB+C+D; AB+CD®А+B +C+D

4) AB+CD®АB++CD + e – Ионизация. Одна из молекул (или обе) «потеряла» электрон и стала ионом: AB+CD®АB+CD++ e; AB+CD®АB++CD++2e

Переход газа в состояние плазмы связан с различными процессами взаимодействия между частицами: между заряженными частицами действуют электростатические силы, между заряженными и нейтральными частицами – силы квантовомеханической природы. Эти процессы происходят при столкновениях частиц между собой или при взаимодействии их с излучением. Наиболее важным является процесс ионизации, т. е. отрыв электрона от атома или молекулы газа, т. к. без него нельзя получить плазму. Количественно состояние ионизации характеризуется степенью ионизации:

αи = nи/nоо = nэ/nоо,

где nи, nэ – концентрация ионов и электронов, соответственно, nоо – концентрация нейтральных частиц до образования плазмы.

Соответственно, количественно состояние диссоциации характеризуется степенью диссоциации:

αд = nхач/ nоо,

где nхач – концентрация ХАЧ в плазме.

При этом возможны не только «прямые» процессы, перечисленные выше, но и обратные, например, процессом обратным диссоциации, является ассоциация – процесс объединения атомов в молекулу. Процессом, обратным ионизации, является рекомбинация. При рекомбинации, образующаяся нейтральная частица (атом или молекула) должна избавится от избыточной энергии, иначе она развалится немедленно. По тому, как расходуется избыточная энергия различают два основных процесса рекомбинации: рекомбинацию с излучением и рекомбинацию при тройных столкновениях. В последнем случае с ионом должны одновременно столкнуться два электрона – один присоединяется к иону, другой уносит избыточную энергию. Таким образом, в отличие от ионизации рекомбинация возможна только при наличии «третьего тела», уносящего избыток энергии, равный энергии связи рекомбинирующих частиц.