1
.pdf33 Распыление ионной бомбардировкой
Процесс распыления ионной бомбардировкой является "холодным" процессом, т.к.
атомарный поток вещества на подложку создаѐтся путѐм бомбардировки поверхности твѐрдого образца (мишени) ионами инертного газа и возбуждения поверхности атомов до энергии, превышающей энергию связи с соседними атомами. Необходимый для этого поток ионов создаѐтся в электрическом газовом разряде, для чего давление газа в рабочей камере должно быть в пределах 0,1×10 Па, т.е. на несколько порядков более высокое, чем в камере установки термовакуумного напыления.
Последнее обстоятельство приводит к рассеиванию потока атомов с мишени и повышению равномерности толщины осаждаемых плѐнки без применения дополнительных устройств.
Катодное распыление.
Катодное распыление - одна из разновидностей распыления ионной бомбардировкой. На рис. 7 представлена схема рабочей камеры установки катодного распыления.
Рис. 7. Упрощенная схема рабочей камеры установки катодного распыления.
Основными элементами камеры являются: 1 - анод с размещенными на нѐм подложками; 2 - игольчатый натекатель, обеспечивающий непрерывную подачу аргона; 3
- катод - мишень из материала, подлежащего распылению и осаждению; 4 - вакуумный колпак из нержавеющей стали; 5 - экран, охватывающий катод с небольшим зазором и предотвращающий паразитные разряды на стенки камеры; 6 - постоянный электромагнит,
удерживающий электроны в пределах разрядного столба; 7 - герметизирующая прокладка.
Питание осуществляется постоянным напряжением, нижний электрод с подложками заземлѐн и находится под более высоким потенциалом, чем катод-мишень. Переменная нагрузка служит для регулирования тока разряда.
Кограничениям и недостаткам процесса катодного распыления относятся:
1.Возможность распыления только проводящих материалов, способных эмиттировать в разряд электроны, ионизирующие молекулы аргона и поддерживающие горение разряда.
2.Малая скорость роста плёнки (единицы нм/с) из-за значительного рассеивания распыляемых атомов материала в объёме рабочей камеры.
Другие виды распыления.
Первый недостаток преодолевается в процессах высокочастотного
распыления. При замене постоянного напряжения на переменное диэлектрическая мишень становится конденсатором и подвергается бомбардировке ионами в отрицательный полупериод питающего напряжения. Иначе говоря, распыление мишени происходит не непрерывно, как при катодном распылении, а дискретно с частотой питающего напряжения (обычно 13,56 Мгц).
При высокой частоте и согласованным с ним расстоянием от мишени до подложек электроны, находящиеся в срединной части высокочастотного разряда, не успевают
достигать электродов за время полупериода, они остаются в разряде, совершая колебательные движения и интенсивно ионизируя рабочий газ. Это обстоятельство позволяет снизить давление рабочего газа без снижения разрядного тока, т.к. степень ионизации заметно повышается (второй недостаток катодного распыления).
Вустановках магнетронного распыления (в частности ВЧ-магнетронного)
приняты меры для дальнейшего, существенного снижения давления рабочего газа и повышения за счѐт этого скорости осаждения плѐнки. С этой целью на разрядный столб накладывается постоянное магнитное поле, вектор которого перпендикулярен вектору электрического поля. В результате движение электронов происходит по сложным
(близким к циклоидам) траекториям, степень ионизации рабочего газа существенно повышается и это даѐт возможность снизить давление газа, не снижая (и даже повышая)
разрядный ток. Главный итог этих мер - повышение скорости роста плѐнки до нескольких нм/с, что сравнимо со скоростями в процессах термического вакуумного напыления.
Установка магнетронного распыления состоит из рабочей камеры, загрузочного шлюза, независимых откачивающих систем камеры и шлюза, блоков управления, ЭВМ и системы подачи газов с четырьмя независимыми газовыми линиями с точной регулировкой подачи газов в камеру. В вакуумной камере располагаются несколько высокочастотных магнетрона и магнетрон на постоянном токе. Диаметр мишени 200 мм.
Мощность высокочастотных генераторов может достигать 2кВт, мощность генератора постоянного тока – 5 кВт. На подложкодержателе оборудовано 6 мест, в том числе 2,
оборудованных нагревателями, дающими температуру до 750оС. На подложки можно подавать смещение с отдельного ВЧ-генератора до 1.2 кВт. Это позволяет осуществлять
предварительную чистку подложек в плазме Ar+. Расстояние от мишени до подложки можно менять от 60 до 110 мм, подложкодержатель может вращаться с частотой 3–30
об/мин. Турбомолекулярный насос обеспечивает предельное давление остаточных газов
~2*10-8 Тор. Система откачки безмаслянная за счет применения азотной ловушки. В
откаченную камеру напускается аргон, на магнетроны подается смещение, зажигается разряд. Ионы аргона бомбардируют поверхность мишени, выбивая из нее атомы,
кластеры, ионы, которые летят в магнитном поле по дуге от края мишени к центру.
Поскольку расстояние до подложки мало, происходит их осаждение на подложку.
Рис. 8. Установка реактивного магнетронного распыления Alcatel SCM-850
1 - рабочая камера; 2 – нагрев подложек; 3 – подложкодержатели; 4 – подложки; 5 –
загрузочный шлюз; 6 – откачная система шлюза (ТМН – турбомолекулярный насос); 7 –
откачная система камеры; 8 - система подачи газов с 4 независимыми газовыми линиями с точной регулировкой подачи газов в камеру; 9 - три высокочастотных магнетрона и один магнетрон на постоянном токе; 10 – водяное охлаждение; 11 - ЭВМ
34 ОСАЖДЕНИЕ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
Химическое осаждение из газовой фазы можно определить как конденсацию газообразных (парообразных) элементов или соединений с образованием твердых осадков. Отличие от методов физического осаждения заключается в том, что состав газовой фазы и состав осадка существенно различаются. Летучее соединение осаждаемого элемента подается к подложке, где подвергается термическому разложению (пиролизу) или вступает в восстановительные химические реакции с другими газами (или парами); при этом нелетучие продукты реакций осаждаются на поверхность подложки. Осадки образуются в результате большого количества химических реакций,
протекающих в газовой фазе вблизи от поверхности подложки и на самой поверхности подложки, что в значительной мере усложняет процесс осаждения, но делает его гораздо более универсальным и гибким.
Классификация процессов ХОГФ функциональных слоев ИС
На современном этапе развития процессы ХОГФ можно классифицировать следующим образом (рис. 9). По давлению во время процесса: процессы при атмосферном давлении (760 торр), при субатмосферном давлении (20-700 торр), низкого
давления (10-2-10 торр) и сверхнизкого давления (10-3-10-6 торр).
Процессы ХОГФ можно классифицировать по виду активации, способу подачи реагентов, виду группы материалов, к которой относится осаждаемый слой, и по хи-
мическому составу газовой фазы
Рис. 9. Классификация процессов ХОГФ
Так, процессы ХОГФ только с термической активацией подразделяются на низкотемпературные процессы (LT —low temperature processes) до 500°С, которые выдерживает алюминиевая металлизация и высокотемпературные процессы (НТ - high temperature processes) свыше 500°С, которые могут быть использованы только на транзисторной части изготовления ИС. Кроме того, обе группы процессов ХОГФ могут разделяться по скорости нагрева подложки:
—на обычные равновесные термические процессы, в которых подложка нагревается до рабочей температуры в течение минут, приходя в тепловое равновесие с нагретым подложкодержателем или нагретой реакционной зоной;
—на быстрые термические процессы, в которых подложка достигает стационарной рабочей температуры (не приходя в термическое равновесие с подложкодержателем или реакционной зоной) с помощью лампового нагрева со скоростями 25— 150°С/сек.
Существуют чисто плазмохимические и чисто фотоннохимические процессы ХОГФ,
в которых нет специального активирующего воздействия температуры на пластины.
Процессы ХОГФ с дополнительной активацией (дополнительной к термической активации) подразделяются по виду активации:
—на плазмоактивируемые процессы — (plasma enhanced CVD or plasma assisted CVD - PE CVD or PACVD);
—на фотонноактивируемые процессым — (процессы ХОГФ, активируемые излучением (photon enhanced CVD - PhE CVD);
—на радикальноактивируемые процессы — (процессы ХОГФ, активируемые химически активными частицами (радикалами)) (radical enhanced CVD - RE CVD);
—на катализаторноактивируемые процессы — (процессы ХОГФ, активируемые адсорбированными на поверхности газовыми частицами, играющими роль катализатора реакции осаждения) (catalyst enhanced CVD - СЕ CVD).
Плазмоактивируемые процессы ХОГФ могут разделяться по виду плазмы,
используемой для активации на процессы, активируемые:
—импульсной плазмой;
—плазмой высокой плотности;
—плазмой разной частоты: низкочастотной, меньше 1 МГц, высокочастотной, обычно
13,56 МГц и 27,12 МГц, и сверхвысокочастотной (СВЧ), обычно 2,45 ГГц;
— двухчастотной плазмой.
Процессы, активируемые плазмой высокой плотности (ПВП), могут классифицироваться по виду разряда, создающего плазму высокой плотности:
—на СВЧ ЭЦР (электронно-циклотронный резонанс) ПВП;
—на ВЧ резонансную индукционно связанную ПВП;
—и на ВЧ трансформаторно связанную ПВП.
Фотонноактивируемые процессы ХОГФ по виду и спектральному диапазону
используемого излучения могут классифицироваться на процессы, активируемые:
—лазерным когерентным излучением (laser enhanced CVD — LE CVD);
—инфракрасным излучением;
—излучением видимого света;
—ультрафиолетовым излучением;
—глубоким ультрафиолетовым излучением.
Радикальноактивируемые процессы ХОГФ могут классифицироваться по виду используемых химически активных частиц (радикалов) на процессы с использованием:
—озона;
—атомарного азота);
—атомарного водорода.
Катализаторноактивируемые процессы ХОГФ могут классифицироваться по виду газа (или пара), частицы которого, адсорбированные на поверхности подложки, играют роль катализатора.
По способу подачи реагентов процессы ХОГФ подразделяются на процессы:
— с непрерывной подачей всех реагентов, участвующих в реакции осаждения функционального слоя;
—с дискретной разнесенной во времени подачей каждого из реагентов, участвующих
вреакции осаждения функционального слоя.
Процессы ХОГФ с непрерывной подачей реагентов классифицируются на процессы:
—с подачей реагентов с помощью газа-носителя;
—с прямой (непосредственной) подачей реагентов.
Процессы ХОГФ с дискретной подачей реагентов классифицируются:
— на процессы, в которых в промежутке между подачей каждого из реагентов,
участвующих в реакции осаждения функционального слоя, происходит откачка системы или ее продувка инертным газом при том же давлении, что и при подаче реагентов, так что реагенты не встречаются в газовой фазе у поверхности подложки, а происходит периодическая самоостанавливающаяся реакция одного подаваемого реагента с адсорбируемым на поверхности подложки слоем другого реагента. Такие процессы послойного ХОГФ, контролируемые поверхностной химией, называются процессами атомно слоевого химического осаждения из газовой фазы (atomic layer CVD — или сокращенно atomic layer deposition — ALD);
— на процессы, в которых в промежутке между подачей каждого из реагентов,
участвующих в реакции осаждения функционального слоя, происходит очень быстрая продувка системы инертным газом при повышенном давлении. Очевидно, что в этом случае реагенты имеют возможность более длительного взаимодействия на поверхности подложки, так как скорости осаждения слоев в несколько раз выше, чем при атомно-
слоевом осаждении. Такие процессы ХОГФ называются процессами импульсного химического осаждения слоев из газовой фазы (pulsed layer CVD — PL CVD). Естественно,
что термоактивируемые процессы ХОГФ с дискретной подачей реагентов также могут