Материал: 1381

81

плазменное травление. Существенное отличие ионно-лучевого травления в наличии ионного источника для генерации ионного луча.

3.4.2.1 Механизмы ионного травления

Существует более десятка теорий, поясняющих особенности ионного травления. В настоящее время наибольшей популярностью пользуются три механизма ионного травления: механизм прямого выбивания атомов, механизм смещения атомов и механизм тепловых пиков. На рис. 3.26 представлены схемы указанных механизмов.

Рисунок 3.26 – Механизмы распыления поверхности под действием ионной бомбардировки

Механизм прямого выбивания характерен для одноэлементных материалов. Количество распыленного материала пропорционально коэффициенту распыления.

Механизм смещения атомов характерен для многоэлементных материалов. Элементы меньшего относительно бомбардирующего иона атомного веса подвержены выбиванию, а более тяжелые – в основном смещаются. В итоге травимый материал обедняется легкими компонентами.

По модели теплового пика считается, что ион в месте падения на поверхность формирует зону локального разогрева за счет пикового, локального роста температуры. Это способствует локальному термическому испарению материала без нарушения состава. Модель дает неплохие совпадения с экспериментом на предварительно прогретых подложках.

3.4.2.2 Типы распылительных систем для ионного травления

Системы ионного травления подразделяются на диодные, триодные,

тетродные, а также системы с автономными ионными источниками.

Диодные системы имеют всего два электрода: катод и анод. Они просты в устройстве. Работают при давлениях ~ 1Па. В числе недостатков таких систем следует отметить нестабильность вольтамперной характеристики, обилие газов в пленке, малая скорость травления (~30 нм/мин).

82

Триодная система в отличие от диодной, имеет дополнительный управляющий электрод для организации дополнительного низковольтного разряда с напряжением 100-150 В. Дополнительный разряд является источником плазмы и позволяет изменять вольтамперную характеристику без изменения давления газа. Уменьшение рабочего давления до 0,1 Па повышает качество формируемой пленки. Недостатком триодных систем является взаимовлияние разрядов друг на друга и возможность перехода вспомогательного электрода в режим анода.

Тетродные системы имеют две автономных управляющих системы: по высокому напряжению и по низковольтному управлению. На рис. 3.27 представлена тетродная система ионно-плазменного распыления материалов. Положительно заряженные ионы газа (аргона) бомбардируют мишень 2, находящуюся под отрицательным потенциалом. Накаленный катод 1служит источником электронов, способствующих ионизации газа. Атомы распыленного материала оседают на подложку 3. Для отсечки низкоэнергетичных ионов, ухудшающих адгезию пленки, на подложку подается отрицательный потенциал (до 200 В). Ток эмиссии электронов поддерживается с помощью анода 4.

Рисунок 3.27 – Тетродная система ионно плазменного распыления материалов. 1– катод, 2 – мишень, 3 – подложка, 4 – анод

В последнее время интенсивно развиваются системы травления на основе автономных ионных источников. На рис. 3.28 представлена принципиальная схема газоразрядного ионного источника. Выход ионов обеспечивается за счет высокого извлекающего напряжения.

Рисунок 3.28 – Принципиальная схема источника газовых ионов

Травление с помощью автономных ионных источников в меньшей степени зависит от параметров подложки, ионный пучок можно

83

локализовать в узкий луч.

3.4.2.3Факторы, влияющие на скорость травления

Внаибольшей степени на скорость ионного травления влияют род газа, ток и напряжение разряда, давление, а также расстояние от мишени до подложки. Скорость травления прямо пропорциональна плотности ионного тока. На рис. 3.29 представлены основные зависимости скорости распыления (V) и коэффициента распыления Kр от параметров разряда.

Рисунок 3.29 – Основные зависимости скорости распыления (V) и коэффициента распыления от параметров разряда

При напряжениях свыше 3 кВ возрастает доля ионов внедренных в поверхность, что несколько снижает коэффициент распыления.

Оценка начала травления. Процесс травления материала начинается не сразу. Первоначально ионной обработке подвергаются окислы и остатки органических веществ на поверхности материала. Окислы имеют очень низкий коэффициент распыления (10-2 – 10-4). По истечении некоторого времени (~ 20 мин в зависимости от плотности тока) вольтамперная характеристика устройства для травления начинает изменяться, что свидетельствует о начале горения разряда в парах травимого материала. Цвет разряда при этом также меняется.

Оценка скорости травления. При ускоряющих напряжениях до

где J – плотность тока (А/м2);

N – число Авогадро N=6 1023; ρ – плотность материала кг/м3.

Kр ~10-2– 10-4 –коэффициент распыления материала.

3.4.3Ионная имплантация поверхности

Ионная имплантация служит для создания зон определенной проводимости в полупроводниковом материале или модификации

84

поверхности.

Ион, массой М и порядковым номером Z в периодической системе элементов, попадая в материал, испытывает многократные соударения с атомами решетки. Путь иона в материале представляет собой ломаную линию. Существует понятие проекционного пробега R, представляющего проекцию пути на направление движения. Проекционный пробег R, помимо энергии иона, очень сильно зависит от межатомного взаимодействия. Для упрощения расчетов доз воздействия вводится

где индексы 1, 2 относятся соответственно к бомбардирующим ионам и ионам мишени;

R– проекционный пробег, [мкг/см2]; Е – ускоряющее напряжение, кВ.

Например: при E=30 кВ С2= 0,5; При E= 50 кВ С2= 0,3.

Основными элементами установок ионной имплантации являются безмасляная вакуумная система, источник ионов, масс – сепаратор, ускорительная система. Ионизация газа производится в ионизационной камере посредством электрического поля между термокатодом (рис.3.30 а), или холодным катодом (рис. 3.30б) и анодом.

Рисунок 3.30 – Ионные источники для имплантации в полупроводниковые материалы

Ионы извлекаются отрицательным потенциалом. Для повышения эффективности ионизации применяется магнитное поле. Широко используются системы с испарением паров рабочего вещества внутри ионизационной камеры. Сепараторами являются магниты, и сетки с отрицательным потенциалом.

Ускорительная система представляет собой систему соосных диафрагм с распределением отрицательного относительно катода потенциалом.

В настоящее время создана серия установок ионной имплантации типа «Везувий». Последние разработки установок снабжены программным

85

управлением, системами шлюзования вакуумной системы и системами сканирования ионного пучка.

3.5Плазменная технология

Втехнике часто возникает необходимость наплавки изношенной детали или разрезки толстых крупногабаритных металлов, железобетонных изделий и т.п. при атмосферном давлении. Подобные операции выполняются с помощью плазменных методов обработки материалов. Поток плазмы в виде тонкой струи формируется в специальном сопле плазмотрона. В простейшем виде плазмотрон

представляет собой сопло с электродами, между которыми горит дуговой разряд током ~ 500 А и продувается газ с расходом ~ 1м3/ч. Устойчивость горения дуги обеспечивается присутствием высоковольтной искры от специального высоковольтного трансформатора. Струя плазмы может быть очень тонкой и применяться в микроплазменных технологиях для резки или сварки синтетических тканей, листовой резины, стекла, полимеров. В последнее время плазма применяется для стимулирования реакций синтеза химических соединений, для утилизации токсичных веществ. На рис 3.31 представлены принципиальные схемы некоторых плазмотронов.

Вкачестве рабочих газов используется аргон, метан, пары воды и др.

Вряде случаев при резке толстых плит из нержавеющей стали, в качестве рабочего газа, используется воздух.

Катоды плазмотронов изготавливаются из вольфрама в медной водоохлаждаемой вставке. При работе на воздухе катод изготавливается из лантана, иттрия или гафния.

Анодом может служить деталь (если она металлическая) или корпус плазмотрона. Сопло плазмотрона для улучшения охлаждения может изготавливаться из меди. При обработке проводящих материалов может