Методы формирования рисунка в диэлектрических плёнках микроэлектронных структур

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ  ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Ижевский Государственный Технический Университет»

(ИжГТУ)

Кафедра: «Сети и связи телекоммуникаций»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

По дисциплине : ХИМИЯ

На тему : «Методы формирования рисунка в диэлектрических плёнках микроэлектронных структур.»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы 4-29-1 ЗУ

Серов Н.О

                                                                              Принял: Меркульева Л.Е

 

 

 

г. Ижевск 2012 г

Содержание.

Введение

1.Характиристика процесса  ионно- плазменного нанесения…………………. 5 стр

2.Реактивное ионно-плазменное нанесение  материалов ……………………… 6 стр

3.Разновидности процесса ионно-плазменного   нанесения плёнок ……..   9 стр

4.Устройство высокочастотного  распыления …………………………………………. 11 стр

5.Реактивный ионно-лучевой синтез  тонких плёнок …………………………….. 13 стр

6. Заключение …………………………………………………………………………………………… 14 стр

7.Список литературы ………………………………………………………………………………… 15 стр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Получение высококачественных тонких пленок металлов, диэлектриков и полупроводников является одной  из актуальных задач технологии изготовления различных элементов микроэлектроники.

До 70-х годов XX века для  получения тонких пленок использовался  в основном термовакуумный метод (испарение и конденсация вещества в высоком вакууме), который характеризуется простотой и высокими скоростями осаждения, но не обеспечивает достаточной воспроизводимости свойств пленок в особенности при осаждении веществ сложного состава. Кроме того, в процессе испарения материалов (особенно с низкой теплопроводностью) может происходить вылет крупных частиц, что является причиной появления поверхностных дефектов и нарушения непрерывности пленочного покрытия.

Расширение номенклатуры материалов, используемых при получении  элементов микроэлектроники, и тенденция  перехода к непрерывным технологическим  процессам вызвали интенсивное  развитие ионно-плазменных процессов  осаждения тонкопленочных слоев.

Существующие в настоящее  время методы осаждения тонких пленок с использованием низкотемпературной плазмы и ионного луча дают возможность  получать пленки различных материалов (в том числе тугоплавких и  многокомпонентного состава), которые  практически невозможно получить термовакуумным методом. Ионно-плазменные методы осаждения пленок дают возможность создания установок и линий непрерывного действия и позволяют осуществить полную автоматизацию всего цикла получения покрытия. Развитие ионно-плазменных процессов получения тонких пленок идет в направлении повышения качества пленок (снижение загрязнений и радиационных дефектов) и повышения производительности процессов.

В основе метода положен  принцип осаждения частиц (атомов, ионов, кластеров) на поверхности изделий  в вакууме из плазмы, генерируемой тем или иным способом. При этом объемные свойства обрабатываемых изделий  не нарушаются, а изменяются свойства поверхности, придавая ей требуемые  функциональные характеристики.

В отличие от других способов получения покрытий (гальванический, лакокрасочный) данный метод выгодно  отличается экологической чистотой и возможностью получения широкого спектра покрытий различных как  по составу, так и структуре.

Вакуумно ионно-плазменный метод относится к области высоких технологий и находит самое широкое применение в современном производстве.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ

В процессах ионно-плазменного  нанесения осаждаемый на подложку материал получают путем распыления твердотельной  мишени энергетическими ионами. Одним  из важнейших отличий ионно-плазменного нанесения от термовакуумного является высокая энергия распыленных частиц (3-5 эВ) по сравнению с испаренными (0,15 эВ при Т_исп 2000 К), что позволяет осаждающимся частицам частично внедряться в подложку, обеспечивая высокую адгезию пленки к подложке. Кроме того, ионно-плазменное нанесение обладает еще целым рядом достоинств:

• возможность получения пленок тугоплавких и неплавящихся материалов, поскольку процесс распыления не требует расплавления материала;
• сохранение стехиометрического состава пленок при осаждении многокомпонентных материалов;
• высокая энергия осаждаемых частиц обеспечивает снижение минимальной температуры эпитаксиального роста;
• возможность получения пленок различных соединений (например, окислов или нитридов) при введении в газоразрядную плазму химически активных (реактивных) газов;
• возможность очистки подложки и растущей пленки ионной бомбардировкой до, в процессе и после окончания процесса нанесения.

В ионно-плазменном процессе распыляемая мишень и подложка находятся  непосредственно в газоразрядной плазме. Поэтому формирование пленок в процессе ионно-плазменного нанесения протекает в сложных условиях из-за сравнительно высокого рабочего давления (до 10 Па), неопределенности энергии ионов и распыленных частиц.

При ионно-лучевом нанесении  распыляемая мишень и подложка находятся  вне плазмы. Распыление мишени осуществляется пучком ионов, направляемым на мишень из автономного источника. Поскольку  в этом случае на мишень и подложку не воздействуют другие частицы и излучение плазмы, то ионно-лучевое нанесение можно рассматривать как некую идеализацию ионно-плазменного нанесения.

Для того чтобы проанализировать ионно-плазменный процесс нанесения  пленок целесообразно разделить  его на три основных этапа:

• распыление материала мишени,
• перенос распыленного материала в пространстве мишень – подложка,
• осаждение материала на подложке.

 

2.РЕАКТИВНОЕ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ НАНЕСЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ.

 

Реактивное ионно-плазменное нанесение предусматривает использование  химически активных (реактивных) газов, способных вступать в химическое взаимодействие с материалом распыляемой  мишени, для направленного изменения  состава получаемых пленок. Для получения  пленки заданного состава используется эффект повышения химической активности молекул реактивного газа в электрическом  разряде и энергетической активации  поверхности осаждаемой пленки. Реактивным ионно-плазменным нанесением получают пленки окислов (реактивный газ кислород), нитридов (газ азот), карбидов (газ  метан). Заменой реактивного газа и регулированием его парциального давления можно изменять состав получаемых пленок.

На каком этапе процесса нанесения происходит образование  химического соединения из атомов распыляемого материала и реактивного газа в значительной степени определяется интенсивностью распыления мишени, скоростью  осаждения, парциальным давлением  реактивного газа, геометрией устройства распыления, а также температурой подложки.

Для различных материалов в различной степени существует вероятность того, что формирование соединения будет происходить на распыляемой мишени. В этом случае будет распыляться не чистый материал, а его соединение. Например, при  ионно-плазменном нанесении окислов  металлов существует некоторое критическое  давление кислорода, при превышении которого происходит окисление распыляемой мишени. При давлении кислорода выше критического скорость окисления превышает скорость распыления материала мишени. Критическое давление соответствует резкому падению скорости распыления, поскольку коэффициенты распыления окислов, как правило меньше, чем чистых металлов. Это определяется более высокой энергией связи атомов в окислах. Так, у титана энергия связи Тi – Тi равна 4,9 эВ, а энергия связи Тi – О 6,8 эВ. У алюминия энергии связи Al – Al и Al – О равны соответственно 3,2 и 19,2 эВ. Аналогичные зависимости наблюдаются и при использовании азота в качестве реактивного газа, причем реактивность молекулярного азота проявляется лишь в условиях плазмы.

Образование соединения на мишени в процессе реактивного распыления не означает, что образовавшееся соединение затем переносится на подложку в  сформированном виде. Обычно при распылении происходит фрагментация соединения на атомы. Перенос материала в виде молекул возможен только для соединений, молекулы которых имеют очень  прочные связи. Образование химического соединения на поверхности мишени не происходит, если скорость распыления высока, так как в этом случае материал мишени распыляется прежде, чем произойдет образование соединения.

Вероятность формирования химического  соединения на этапе переноса распыленного материала в пространстве мишень – подложка очень мала вследствие низкой плотности потока распыленного материала и относительно низкой плотности молекул реактивного газа.

Экспериментальные данные позволяют  сделать вывод, что в большинстве  случаев протекание химических реакций  наиболее вероятно непосредственно  на подложке. Например, процесс окисления  на подложке будет происходить всегда, даже при давлениях кислорода  ниже критического для данного материала, так как на подложку поступает  распыленный материал и активированные молекулы реактивного газа, а процесс  распыления не происходит или незначителен.

Стехиометрия пленок, получаемых при реактивном ионно-плазменном нанесении, зависит от относительной концентрации реактивного газа в смеси с инертным и от температуры подложки. Поиск условий нанесения соединений осуществляется экспериментально при умеренных скоростях осаждения и температурах подложки 300–500 К.

 

3. РАЗНОВИДНОСТИ ПРОЦЕССА ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ ПЛЕНОК

 

Устройства ионного распыления на постоянном токе используются только для распыления мишеней из материалов с достаточно высокой электропроводностью (металлов и сплавов).

В наиболее простом случае ионное распыление производят в тлеющем  разряде инертного газа с помощью диодной системы (катодное распыление), где мишень из распыляемого материала является катодом, а держатель подложки – заземленным анодом (рис. 1).

 

Рис. 1. - Схема устройства катодного распыления диодного типа:

1 – высоковольтный ввод; 2 – экран катода; 3 – катод; 4 –  подложка;

5 – анод; 6 – натекатель для рабочего газа; 7 – патрубок к откачной

системе; 8 – протяженность катодной области разряда.

 

Для тлеющего разряда характерно наличие двух резко различающихся  областей: небольшой по протяженности  катодной области, в которой сосредоточено  падение потенциала значительной величины, называемое катодным падением потенциала, и области столба разряда, представляющего  собой плазму с хорошей электропроводностью, а потому сравнительно малым перепадом  потенциала на нем. Катодная область  состоит из следующих участков: 1 – первого катодного темного  пространства; 2 – первого катодного свечения; 3 – второго темного катодного пространства; 4 – катодного тлеющего свечения; 5 – фарадеева темного пространства. Для поддержания тлеющего разряда необходимы лишь его катодные участки (1 – 4), обеспечивающие ионизацию газа. Столб разряда и фарадеево темное пространство играют пассивную роль проводника с хорошей электропроводностью, соединяющего катодную область с анодом. Весьма характерным для тлеющего разряда является то, что при уменьшении расстояния между анодом и катодом уменьшается лишь протяженность столба разряда, пока он не исчезает совсем. Катодные участки разряда при этом не изменяются.

В качестве рабочего газа обычно используют аргон. В процессе ионного  распыления в диодной системе  катод выполняет две функции: является источником электронов для  поддержания тлеющего разряда и  источником распыляемого материала. Рабочее  напряжение в такой системе 1 – 3 кВ и давление до ~ 10 Па. Высокое напряжение и относительно высокое давление являются причиной основных недостатков диодной системы. Высокое напряжение определяет интенсивный нагрев подложки и пленки в результате бомбардировки высокоэнергетическими вторичными электронами и образование радиационных дефектов в формируемых структурах, а относительно высокое давление в системе повышает вероятность загрязнения пленки. В диодных системах достигаются относительно малые скорости распыления мишеней (0,02 – 0,03 мкм/мин).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Устройства высокочастотного распыления

 

Диодная высокочастотная  распылительная система содержит два  электрода: заземленный анод и мишень (катод), на которую подают напряжение от ВЧ-генератора. ВЧ-распыление значительно  расширяет возможности тонкопленочной технологии, позволяя получать высококачественные пленки не только металлов, сплавов  и полупроводников, но и пленки диэлектриков путем распыления мишеней из диэлектрических  материалов.

 

Рис. 3. - Форма суммарного напряжения и его составляющих на

поверхности мишени:

1 – высокочастотная составляющая; 2 – напряжение, возникающее за

счет ионного тока на мишень; 3 – отрицательное смещение,

возникающее за счет электронного тока на мишень; 4 – суммарное

напряжение на поверхности мишени

 

ВЧ-распыление диэлектрической  мишени происходит благодаря возникновению  на ней отрицательного (относительно плазмы) смещения. Механизм возникновения  отрицательного смещения связан с тем, что при подаче ВЧ-напряжения на помещенную в плазму мишень на ее поверхность начинают попеременно поступать электронный и ионный токи. В первый момент после подачи ВЧ-напряжения его постоянная составляющая на поверхности диэлектрической мишени равна нулю. В этом случае электронный ток в положительный полупериод ВЧ-напряжения значительно превосходит ионный ток в отрицательный полупериод, что объясняется значительно большей подвижностью электронов по сравнению с ионами. Таким образом на поверхности мишени накапливается отрицательный заряд и, следовательно, растет отрицательное напряжение смещения до тех пор, пока средние значения электронного и ионного токов не сравняются.