Краткое описание методов, применяемых в процессах ионно-плазменной обработки материалов

ВВЕДЕНИЕ

       Ионно-плазменная обработка основана на взаимодействии ионов и других энергетических частиц, полученных в низкотемпературной плазме, с поверхностью твердого тела. Процессы ионно - плазменной обработки ограничиваются поверхностью и приповерхностными слоями материалов, поскольку кинетическая энергия частиц не превышает нескольких килоэлектронвольт. При таких энергиях толщина поверхностного слоя, в котором осуществляется взаимодействие энергетических частиц с материалами, не превышает нескольких нанометров, т.е. ограничена несколькими десятками атомных слоев у поверхности.

       Результатом взаимодействия потока частиц с поверхностью является в одном случае локальное или сплошное удаление со всей поверхности материала обрабатываемой подложки с целью ее очистки, полирования, создания травлением или распылением прецизионного топологического рельефа. В другом случае распыление материала мишени используется для получения пленочных покрытий на подложках.

       Это дает возможность применять процессы ионно-плазменной обработки для нанесения пленок разнообразных материалов, очистки, полировки и травления в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем, резисторов, конденсаторов, фотошаблонов, пьезокварцевых приборов и других изделий электронной техники. Сфера применения ионно-плазменной обработки распространяется и на другие области техники, например, оптику и машиностроение, где она используется для получения полированных поверхностей упрочнения инструмента, защиты поверхностей износо- и коррозионно - стойкими покрытиями и т.п.

       Для ионно-плазменной обработки используется специальное оборудование. Основным отличительных признаком ионно - лучевого оборудования является разделение областей образования энергетических частиц и обработки материалов. Зажигание разряда, формирование плазмы и ускорение ионов осуществляются в автономном устройстве - источнике ионов, что позволяет независимо регулировать энергию и плотность тока ионов, поступающих на обрабатываемый объект в виде полностью сформированного пучка.

       Основой ионно-плазменных процессов является использование низкотемпературной газовой плазмы низкого давления в качестве источника частиц для обработки материалов. Такая плазма представляет собой слабо ионизированный газ, состоящий из смеси стабильных и возбужденных атомов и молекул, продуктов диссоциации молекул - радикалов, электронов, положительно и отрицательно заряженных ионов.

       Плазма образуется при внешнем энергетическом воздействии на вещество с помощью различного рода газовых разрядов в сильных постоянных и переменных электрических и постоянных магнитных полях. Характерная частота переменного электрического поля, применяемого для образования плазмы, колеблется в широких пределах - от единиц килогерц до единиц гигагерц. Магнитное поле обеспечивает удержание плазмы в заданном пространстве и, увеличивая длину пути движения электронов, повышает степень ионизации газа.

       Свободные электроны, образовавшиеся в электрическом разряде при ионизации части атомов и молекул, передают энергию электрического поля более тяжелым атомам и молекулам. В упругих и неупругих столкновениях с электронами атомы и молекулы приобретают дополнительную кинетическую энергию. Это увеличение энергии незначительно из-за большого различия масс. Не более одного процента энергии в плазме поглощается в упругих столкновениях электронов с атомами и молекулами. Основную роль в процессах передачи энергии играют неупругие столкновения электронов, приводящие к возбуждению атомов и молекул, их ионизации и диссоциации. Основным процессом создания активных частиц плазмы инертных газов является ионизация. При образовании плазмы многоатомного газа основными являются процессы возбуждения и диссоциации. Число образующихся ионов относительно мало.

       Перевод вещества в состояние плазмы открывает новые возможности его эффективного использования для обработки материалов. Диссоциация молекул вещества обеспечивает образование высоко химически активных продуктов - радикалов, способных энергично вступать в гетерогенные химические реакции с материалами. При соответствующем выборе исходных веществ на поверхности обрабатываемого материала образуются легко летучие соединения, удаляемые откачкой. Изменением параметров электрического разряда, формирующего плазму, вида газа можно управлять составом химически активных частиц, т. е. управлять воздействием на материалы. Ионизованная составляющая частиц плазмы - ионы -легко отбирается и ускоряется электрическим полем до необходимых энергий. Важным фактором, определяющим преимущество использования ионов, является возможность управления их движением, т. е. направленностью их воздействия на материалы.

       Основу ионно - плазменной обработки составляет воздействие на материалы «энергетических» активных и неактивных частиц плазмы. Понятие «энергетические» подразумевает высокую кинетическую или потенциальную энергию частиц. При физическом взаимодействии кинетическая энергия частиц является основной и может превышать тепловую на несколько порядков величины. Частицы приобретают способность при соударении с поверхностью материала физически распылять его. Высокая потенциальная энергия частиц определяется наличием ненасыщенных химических связей. Взаимодействие таких частиц с обрабатываемым материалом ведет к формированию химических соединений.

       Рассматриваемые процессы ионно-плазменной обработки ограничиваются поверхностью и приповерхностными слоями материалов, поскольку кинетическая энергия частиц не превышает нескольких килоэлектрон - вольт (10^-16 - 10^-15 Дж). При таких энергиях толщина поверхностного слоя, в котором осуществляется взаимодействие энергетических частиц с материалами, не превышает нескольких нанометров, т.е. ограничена несколькими десятками атомных слоев у поверхности.

       Эффективность протекания процесса физического распыления и процесса химического взаимодействия слабо зависит от того, заряжена частица или нет. Определяющим фактором является ее энергия - кинетическая или потенциальная, поскольку уже на расстоянии нескольких десятых нанометра вблизи обрабатываемой поверхности происходит нейтрализация ионов электронами, вырываемыми из материала электрическим полем ионов.

       В литературе часто одними и теми же терминами называются существенно различные процессы, отличающиеся по природе взаимодействия частиц плазмы с материалами, а также имеют место случаи различных наименований одних и тех же процессов. Необходима систематизация основных технологических процессов ионно-плазменной обработки. В основу такой систематизации могут быть положены различные признаки. Вся совокупность физико -химических процессов, составляющих технологический цикл изготовления изделий микроэлектроники, классифицируется на основе использования геометрического, структурного и физико - химического критериев. В то же время все основные процессы ионно - плазменной обработки можно систематизировать по двум основным признакам:

       - природе взаимодействия энергетических частиц плазмы с материалами (физическое или химическое взаимодействие), и

       - способу осуществления взаимодействия (ионное или плазменное). Механизм процессов в зоне взаимодействия энергетических частиц с материалами определяет различие по первому признаку. Физическое взаимодействие характеризуется обменом энергией и импульсом в упругих столкновениях атомных частиц и приводит к распылению материала с поверхности. Химическое взаимодействие определяется неупругими столкновениями с обменом электронами между атомами и приводит к химическим превращениям обрабатываемого материала. Физическое распыление ионами характеризуется энергетическим воздействием непосредственно на отдельные атомы. Все энергетические связи атома с другими атомами разрываются, и он может удалиться с поверхности. В процессах с химической природой взаимодействия энергетическое воздействие направлено в основном на электронные связи атома в материале. Ослабление, разрыв и установление новых связей может приводить к удалению частиц материалам поверхности в виде соединений с атомами энергетических частиц.

       Высокая энергия частиц, участвующих а процессах ионно-плазменной обработки, определяет специфичность их взаимодействия с материалами. В этих процессах невозможно полностью разделить кинетику физического и химического взаимодействий. Каждый из процессов, физический и химический, несет в себе элементы другого. Тем не менее в реальных процессах ионно-плазменной обработки всегда можно выделить преимущественный механизм, определяющий эффективность их протекания.

       Процесс физического распыления часто сопровождается инициированием радиационно -химических реакций. Бомбардировка ионами инертных газов может вызвать диссоциацию сложных по составу соединений, изменение химического состава поверхностного слоя, стимулированную диффузию, селективную сублимацию, восстановление материала на поверхности из окисленного состояния. Эти эффекты ослабляют или усиливают связи поверхностных атомов, способствуют увеличению или уменьшению раопыляемости материалов.

       Если основой взаимодействия является химическая реакция, сопутствующая бомбардировка ионами может изменять скорость ее протекания. Это изменение определяется наряду с удалением материала физическим распылением, созданием активных центров, инициированием процессов диссоциации химически малоактивных частиц плазмы с образованием химически высокоактивных частиц на обрабатываемой поверхности. Бомбардировка ионами активирует атомы поверхностного слоя при передаче им энергии. Снижается энергия активации возможных химических реакций. Выбивание атомов приводит к возникновению ненасыщенных химических связей, появление которых способствует протеканию химических реакций между компонентами обрабатываемого материала и поступающими на его поверхность химически активными частицами плазмы.

       Второй признак систематизации определяется различием технологических характеристик ионно-плазменной обработки при различных способах ее осуществления. Если обрабатываемый материал помещен в плазму или находится в непосредственной близости от нее и подвергается воздействию всего, набора частиц плазмы - возбужденных атомов и, молекул, радикалов, положительно и отрицательно заряженных ионов, электронов, а также ультрафиолетовому и тепловому облучению из плазмы, - это плазменная обработка. Природа основных «рабочих» частиц плазмы определяет, будет ли механизм воздействия на материал.физическим или химическим. Если обрабатываемый материал находится вне плазмы и обрабатывается только ионами, отбираемыми из плазмы, - это ионная обработка. Природа энергетических ионов определяет, будет ли взаимодействие физическим или химическим.

       Различным способам ионно - плазменной обработки свойственны характерные диапазоны давлений, при которых они осуществляются: плазменному - более высокий, ионному - более низкий. В результате способ осуществления в большой степени определяет обратное отражение физически распыленного материала, энергию, моноэнергетичность, зарядовое состояние, направленность движения частиц плазмы и удаленных частиц материала, управляемость составом частиц, обрабатывающих материал, энергию частиц, осаждающихся на подложках при ионно - плазменном нанесении, зарядовое состояние поверхности обрабатываемого материала.

       Способ осуществления оказывает влияние на соотношение между физическим и химическим механизмами взаимодействия систематизированы по признакам природы взаимодействия и способу осуществления наиболее распространенные технологические операции, осуществляемые с помощью ионно-плазменных процессов. Рассмотрены процессы травления и нанесения материалов. Процессы нанесения являются многостадийными и включают в качестве составной части стадию распыления материалов. Их систематизация проведена по этой стадии. Образуется сравнительно небольшая группа процессов, отличающихся по своим характерным признакам. Все известные процессы ионно-плазменной обработки - катодное, магнетронное, высокочастотное распыление и нанесение, а также другие - являются разновидностями, модификациями приведенных. Эти модификации отличаются лишь техническими средствами осуществления ионно-плазменной обработки, а в природе и способе осуществления взаимодействия энергетических.

                                                                                                                               Т а б л и ц а 1.

Систематизация процессов ионно - плазменной обработки

 

Способ	Природа взаимодействия
обработки	физическая	химическая
Плазменный	Травление распылением в плазме. Ионно - плазменное нанесение. Реактивное ионно-плазменное нанесение	Плазмохимическое травление. Реактивное ионно-плазменное травление
Ионный	Ионно-лучевое травление Нанесение ионно-лучевым распылением. Реактивное ионно-лучевое нанесение	Ионно-химическое травление

 

 

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МЕТОДОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ПРОЦЕССАХ ИОННО-ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ

Мишень                                         Подложка

Травление распылением в плазме - повсеместное или локальное удаление распылением в плазме инертных газов поверхностных слоев материала с целью очистки его от загрязнений или создания рельефа на поверхности. Бомбардировка ионами осуществляется при подаче на обрабатываемый материал высокого отрицательного электрического потенциала, ускоряющего ионы.

       Разновидности травления распылением определяются техническими средствами, обеспечивающими создание плазмы и бомбардировку. К ним относятся катодное распыление на постоянном токе проводящих материалов и высокочастотное распыление проводящих и диэлектрических материалов. Катодное распыление осуществляется в диодных, триодных, тетродных системах при давлениях газа 0,1 - 1 Па. В этих условиях отсутствует направленность движения и моноэнергетичность ионов и распыленных частиц. До 90 % распыленных частиц материала отражаются обратно на поверхность в результате столкновений с атомами газа.

       Высокочастотное распыление осуществляется подачей на обрабатываемый материал переменного высокочастотного электрического потенциала. Высокоподвижные электроны плазмы за время положительного полупериода изменения потенциала поступают на подвергаемый обработке материал в большем количестве, чем ионы за время отрицательного полупериода, создавая на нем отрицательный потенциал самосмещения. Этот потенциал ускоряет положительно заряженные ионы, осуществляющие распыление. Электроны нейтрализуют также положительный заряд, возникающий на поверхности диэлектрика при бомбардировке ионами, т. е. обеспечивают условия для распыления диэлектрика. Давление газа, обеспечивающее интенсивное ВЧ - распыление, ниже, чем при катодном распылении, и составляет 5 × 10^-2 - 1 Па. Увеличение эффективности ионизации и снижение давления достигается наложением на область разряда магнитного поля. Основное практическое применение травления распылением в плазме - очистка подложек перед нанесением на них пленочных покрытий.

 

                                                                                                                                                                    Таблица 2.

                                    Сравнение различных методов "сухого" или вакуумного травления

 

Метод травления	Механизм травления	Энергия пучка или ионов, эВ	Рабочее разряжение, Па	Селек-тивность травления	Предельное разрешение травления, мм	Требования к маске	Получаемый профиль
I. Ионный пучок А.Ионно-лучевое травление (ИТ). Б.Реактивное ионно-лучевое травление (РИЛТ)	Физический     Химический + физический	200 - 2000     100 - 500	10-2 - 10-3     10-1 - 10-2	(2 - 10): 1     (5 - 25): 1	10     50 - 100	Низкая скорость травления ионным пучком.   Низкая скорость травления + химическая стойкость	Высокоани-зотропный     Анизотропный
II. Реактор с паралельными электродами А.ВЧ распыление Б. Реактивное травление	Физический   Химический + физический	500 - 5000   50 - 500	10-1   10-1	(2 - 10): 1   (10 - 50): 1	100 - 500   50 - 500	Низкая скорость травления ионами + высокая термическая стабильность   Низкая скорость травления ионами + химическая стойкость	Анизотропный   Относительно анизотропный
III. Объемный реактор А. Плазменное травление	Химический (свободные радикалы)	5 - 50	103 - 102	(10 - 100): 1	500 - 1000	Химическая стойкость	Почти изотропный

       Ионно - лучевое травление - распыление материалов направленным пучком энергетических ионов инертных газов. Ионизация газа в электрическом разряде, формирование магнитным полем в пучок и электростатическое ускорение ионов осуществляются в автономных источниках ионов. Ионы, ускоренные до высоких энергий в источнике, способны распылять проводящие и диэлектрические материалы. Ионно-лучевое травление проводится в относительно высоком (по сравнению с травлением распылением в плазме) вакууме при давлениях 10^-3 - 10^-2 Па. При этом исключается рассеяние ионов на пути их движения, обратное отражение распыленных частиц материала. Можно изменять угол падения ионов на обрабатываемый материал для управления процессом травления. Основное назначение ионно -лучевого травления - создание элементов топологии интегральных микросхем на поверхности материалов.

 

       Ионно - плазменное нанесение - получение пленочных покрытий распылением, в плазме инертных газов материала мишени при подаче на нее отрицательного электрического потенциала. Разновидности ионно - плазменного нанесения отличаются техническими средствами, обеспечивающими создание плазмы и бомбардировку распыляемой мишени: катодное распыление, высокочастотное распыление, магнетронное распыление.

       «Замагничивание» электронов в скрещенных электрическом и магнитном полях в условиях магнетронного разряда увеличивает вероятность их столкновения с атомами и эффективность ионизации газа, следовательно, увеличивается эффективность распыления мишени интенсивными потоками ионов. Давление газа в процессах ионно - плазменного нанесения составляет 5 × 10^-2 - 10 Па. Высокая энергия распыленных частиц при ионно - плазменном нанесении обеспечивает получение плотных пленок материалов, имеющих прочное сцепление с подложками. Возможно получение пленок многокомпонентных материалов, сплавов и соединений без изменения их стехиометрического состава. Ионно -плазменное нанесение используется в технологии и получения пленок практически любых материалов: металлов, полупроводников и диэлектриков.

 

       Нанесение ионно - лучевым распылением - получение пленочных покрытий путем распылением материала мишени направленным пучком энергетических ионов инертных газов. Процесс осуществляется при давлениях 10^-3 - 10^-2 Па. Распыленные частицы материала мишени достигают подложки без соударений с газом среды и сохраняют свою энергию до конденсации на подложке.

       С помощью этого метода возможно нанесение пленок металлов, в том числе магнитных, полупроводниковых и диэлектрических материалов в производстве СБИС; приборов оптомагнитной записи информации и др.; нанесение с помощью одного источника многослойных структур в едином вакуумном цикле, например для Si0₂ - Аl - Si0₂ - FeNi - Та), оптомагнитных дисков (SiO₂ - TbFe - SiO₂ - Аl), СВЧ - приборов на Si и GaAs; скорость нанесения не меньше 1,5 нм/с.

 

       Реактивное ионно - плазменное нанесение - получение сложных по составу пленочных покрытий распылением мишени в плазме, содержащей химически активный (реактивный) газ. Пленки формируются в результате химического взаимодействия распыленного материала и реактивного газа в основном на поверхности подложки и частично на поверхности распыляемой мишени. В качестве реактивного газа может быть использован для получения пленок карбидов металлов метан, окислов — кислород, нитридов — азот, селенидов — пары селена и т. п. Заменой реактивного газа и регулированием его парциального давления можно изменять компонентный состав получаемых пленок. Реактивное ионно -плазменное нанесение осуществляется всеми видами ионно - плазменного распыления для получения в основном пленок окислов, нитридов металлов и полупроводников.

       Реактивное ионно - лучевое нанесение - получение сложных по составу пленочных покрытий распылением мишени пучков, содержащим ионы реактивного газа или в среде реактивного газа. Реактивное ионно - лучевое нанесение разделяется на:

                   - распыление материала мишени пучком ионов инертного газа с одновременной

                                           подачей реактивного газа в область конденсации пленки;

                   - распыление пучком, состоящим из смеси инертных и реактивных газов;

                   - распыление пучком, состоящим только из ионов реактивного газа.

       Пленка, формируемая в процессе реактивного ионно - лучевого нанесения - продукт химического взаимодействия реактивного газа и распыленного материала. Диапазон давлений 10^-3 - 10^-2 Па. Процесс используется для получения пленок окислов, нитридов, оксинитридов в условиях, обеспечивающих высокую энергию распыленных частиц.

 

       Плазмохимическое травление - удаление материала с поверхности в химически активной плазме. Плазма формируется из галогеноуглеродов, кислорода, водорода, их смесей и других газов. Образование химически активной плазмы происходит в электрическом разряде. Наиболее удобны для этой цели ВЧ и СВЧ разряды. Продукты взаимодействия частиц плазмы, в основном радикалов, с материалами должны обладать равновесным давлением пара, достаточным для их удаления откачкой при температурах, близких к комнатной. Плазмохимическое травление проводится при давлениях 10^-1 - 10² Па. Процесс позволяет получать структуры травления с разрешением, примерно равным толщине вытравливаемого слоя. Относительно низкая разрешающая способность процесса определяется диффузным движением частиц плазмы к обрабатываемой поверхности. Основное применение плазмохимического травления - травление элементов топологии, очистка поверхности и удаление фоторезиста после операций фотолитографии.

       Реактивное ионно - плазменное травление - разновидность процесса плазмохимического травления. В процессе травления участвуют радикалы и химически активные ионы. К обрабатываемому материалу прикладывается отрицательный электрический потенциал. Диапазон давлений газа в процессах реактивного ионно - плазменного травления 10^-1 - 1°Па. Ускорение полем к подложке и более низкое давление обеспечивают направленность движения ионов и относительно высокое разрешение процесса травления. Процессы плазмохимического и его разновидности реактивного ионно - плазменного травления экологически безопасны, снижают затраты химических реагентов, токсичность образующихся продуктов травления. Эти качества обеспечивают перспективность использования плазмохимического травления в технологии.

       Ионно - химическое травление - травление материалов направленными пучками химически активных ионов. Удаление материала осуществляется при химическом и физическом взаимодействии иона с поверхностью. При малых энергиях превалирует химическое взаимодействие, при высоких - физическое. Химическая природа процесса ионно -химического травления обеспечивает его высокую селективность (избирательность) воздействия на различные материалы. Направленное движение ионов и низкое давление газа 10^-2 - 10^-1 Па обеспечивают направленность и высокое разрешение процесса ионно -химического травления.

       Применяется для осуществления процессов травления в производстве СБИС, СВЧ транзисторов, изделий акусто- и оптоэлектроники и т. д.

       К обрабатываемым материалам метода относятся SiO₂, Si3N₄, стекло, кварц и др. Селективность травления больше чем 10: 1. Скорость травления больше 1,5 нм/с. Разрешение меньше 0,3 мкм.

       Вакуумное плазменное - дуговое нанесение - принцип действия вакуумных плазменно-дуговых источников заключается в переводе любых металлов и их сплавов в катодном пятне в плазменное состояние и истечении в полупространство над поверхностью катода. Дуговой разряд самоподдерживается в парах материала катода, поставляемых в результате эрозии из области катодных пятен, и приводит к появлению направленного пучка атомов, ионов и капельной составляющей. Возникновению вакуумной дуги предшествует пробой межэлектродного промежутка или возникновение первичной плазмы за счет токов самоиндукции в результате коротких замыканий тока на катоде. Напряжение дуги несколько превышает потенциал ионизации материала катода. Плотность тока в катодных пятнах составляет 10⁵ - 10⁶ А / см. Давление в процессе вакуумного плазменно-дугового нанесения составляет 10^-4 - 10^-4 Па. Эрозия катода из области катодных пятен используется целенаправленно в плазменно - дуговых напылительных процессах.

       Этот метод даёт возможность создания систем "металл - диэлектрик" с заданными свойствами; металлизацию керамики для герметичных МКУ ЭВП; нанесения электродных покрытий на пьезокерамику и сегнетокерамику для ПКЭ и конденсаторов; нанесения резистивных и контактных слоев дискретных резисторов; получения фольг тугоплавких металлов. Распыляемыми материалами являются W, Mo, Ni Al, Сu, Та сплавы Ni - Cr, Ni - Сu, нержавеющая сталь и др.

       Коэффициент эрозии 10^-4 - 10^-3 Т/Кл, что обеспечивает скорость напыления на подложку на расстоянии 100 мм не менее 1 мкм/мин и соответствует производительности процесса нанесения до 60 мкм/ч. Прочность сцепления покрытии превышает прочность основы (прочность спаев "металл - керамика" > 250 МПа).

                               Преимущества:

       - большая доля ионной компоненты (40 - 100 %) стимулирует протекание реакций:

                               Ме+ МеО+ е ® соединение;

       - наличие капельной составляющей (диаметр капли 0,5 - 5 мкм, температура капли > температуры плавления) определяет значительную температуру контакта и взаимную диффузию компонентов пленки и подложки;

       - большая выделяемая на подложке мощность (1 - 5 Вт/см²);

       - перенос состава распыляемых материалов катода на подложку.

 

       Реактивная ионно - лучевая полировка - создание гладкой, полированной до высокого класса чистоты поверхности подложки направленными пучками ионов инертных и химически активных газов и их смесей. Достижение полирующего эффекта основывается на зависимости скорости травления от угла падения ионов на поверхность материала, локальные участки которой (выступы, относительно плоские площади, впадины) распложены под различными углами по отношению к ионному пучку. На поверхности преимущественно распыляются выступы, поскольку углы падения на них соотвествуют максимальному коэффициенту распыления. Полирующий эффект усиливается явлением осаждения распыленного с выступов материала во впадинах. Процесс осуществляется при давлении 10 Па.

 

 

                               Преимущества метода:

       - глубина нарушенного слоя в 40 раз меньше, чем при механической полировке, в 20 раз меньше, чем при химико-механической полировке;

       - коэффициент рассеяния в 100 раз меньше, чем при механической полировке, и в 10 раз меньше, чем при химико - механической полировке.

                               Технологические возможности:

       - обрабатываемые материалы: Si, стекло, кварц и др.;

       - минимальная величина шероховатости - 1,0 нм.

ОБОРУДОВАНИЕ