МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 5, с. 346-354
= ТЕХНОЛОГИЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 533.9.07
УСТАНОВКА ТРАВЛЕНИЯ И НАНЕСЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР ПУЧКОМ БЫСТРЫХ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ © 2015 г. Ю. П. Маишев, С. Л. Шевчук, Ю. П. Терентьев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технологический институт Российской академии наук E-mail: maishev@ftian.ru Поступила в редакцию 15.04.2015 г.
Разработана установка травления и нанесения тонкопленочных структур, оснащенная оригинальным источником "Нейтрал-Л", формирующим ленточный пучок быстрых нейтральных частиц, полученный при использовании различных рабочих газов. Система нейтрализации и сепарации источника обеспечивает стопроцентную нейтрализацию пучка. С целью повышения равномерности обработки подложек в технологическую камеру установки встроена система с программируемым контроллером возвратно-поступательного линейного перемещения подложкодержателя относительно ленточного пучка. Экспериментально исследованы технологические возможности установки. Проведены процессы травления и нанесения материалов при использовании различных рабочих газов.
DOI: 10.7868/S0544126915050087
ВВЕДЕНИЕ
Основным недостатком использования плазменных и ионно-лучевых методов обработки (или осаждения) непроводящих материалов, а также многослойных структур, содержащих диэлектрические и проводящие слои, является эффект накопления заряда на поверхности и в объеме. Такой эффект может вызывать появление дефектов в диэлектриках или в сформированных структурах. Кроме того, к недостаткам этих методов следует отнести и воздействие на обрабатываемый материал или структуру УФ-излучения, что приводит также к радиационным повреждениям (дефектам). Появление перечисленных дефектов оказывает существенное влияние на электрофизические свойства приборов и стабильность их работы.
Указанные недостатки практически отсутствуют при использовании пучков быстрых нейтральных частиц (БНЧ), энергия которых находится в диапазоне от нескольких эВ до нескольких кэВ.
Анализ литературы по разработке экспериментальных систем и установок, в которых для проведения технологических процессов используются нейтральные пучки, например [1—3], показывает перспективы их применения в микро- и наноэлектронике. Они могут использоваться для очистки поверхности, распыления и травления различных материалов, осаждения тонких пленок непосредственно из пучков, осаждения с ассистированием нейтральным пучком.
Следует отметить, что отечественное оборудование, позволяющее проводить технологические
процессы травления и нанесения тонкопленочных наноразмерных структур с использованием пучков БНЧ отсутствует.
Это вызвало необходимость создания экспериментальной вакуумной установки для травления и нанесения тонкопленочных структур пучком БНЧ, формируемым разработанным нами оригинальным источником [4] "Нейтрал-Л".
Следует отметить, что источник "Нейтрал-Л" создан на основе разработанного нами ранее ионного источника с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов "Радикал" с ленточным пучком. Такой источник используется в промышленности в различных технологических процессах, в частности, для очистки, активации и полировки поверхностей объектов, распыления и травления различных материалов, осаждения пленок непосредственно из пучков, изготовления элементов микро- и наноэлектроники, оптики, пьезотехники и других областей [5—7].
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УСТАНОВКИ
Установка состоит из вакуумного откачного агрегата, рабочей вакуумной технологической камеры, стоек электропитания и управления и источника БНЧ с ленточным пучком "Нейтрал-Л".
Откачной агрегат обеспечивает безмасляную откачку рабочей камеры турбомолекулярным на-
сосом с эффективной быстротой откачки 720 л/с в диапазоне давлений (10-2—1.3 х 10-4) Па.
В технологическую камеру установки встроена система возвратно-поступательного перемещения подложкодержателя (рис. 1), выполненная на основе модифицированного DN40CF BLM высоковакуумного ввода типа ZBLM-275-8 SMMCS-MS и обеспечивающая линейное перемещение подложкодержателя на 200 мм.
Высоковакуумный ввод разработан для экспериментальной установки фирмой MDC Vacuum Limited (США). Привод ввода выполнен на основе шагового двигателя с встроенным программируемым контроллером. Такой ввод применен на установке с целью повышения равномерности обработки подложек за счет линейного возвратно-поступательного перемещения подложкодержателя относительно пучка БНЧ, формируемого источником БНЧ "Нейтрал-Л". На подложкодержателе могут крепиться 2 подложки из ситалла размером 48 х 60 мм или 1 кремниевая пластина диаметром 100 мм.
Для измерения давления в технологической камере используется баратрон, основными достоинствами которого являются высокая точность измерений (менее 1%), возможность работы с химически активными веществами и независимость измерений от рода газа.
Рабочие вещества (инертные или химически активные газы) подаются в источник БНЧ с помощью автоматизированной системы напуска рабочего газа, оснащенной регуляторами расхода газа Bronkhorst.
В состав стойки электропитания агрегата от-качного входят блоки электропитания и управле-
ния всеми узлами вакуумной системы установки с безмасляной откачкой.
Стойка электропитания технологических устройств включает в себя: блоки электропитания и управления источника БНЧ "Нейтрал-Л"; многоканальный электронный блок питания, индикации и регулирования (4 канала по расходу газа, 1 канал по давлению — для баратрона); блоки электропитания и управления системой возвратно-поступательного перемещения подложкодержателя.
Вид на открытую технологическую камеру экспериментальной установки представлен на рис. 2.
На фланце рабочей камеры установлен источник БНЧ "Нейтрал-Л", формирующий пучок БНЧ рабочего вещества, распространяющийся в камере до подложкодержателя, установленного напротив источника на высоковакуумном вводе, совершающем возвратно-поступательное перемещение подлож-кодержателя.
Физические принципы формирования таких пучков были описаны нами ранее [8].
Разработке нового источника пучков БНЧ предшествовал критический анализ ранее созданных источников для нейтрализации потока быстрых положительно заряженных атомных и молекулярных частиц [9, 10].
При разработке нового источника БНЧ ставилась задача по увеличению степени нейтрализации выходного пучка сложного химического состава практически до 100%. Поставленная цель достигается применением специального устройства — сепаратора, выводящего остаточные быстрые ионы из пучка и выполненного в виде электродов определенной конфигурации и длины,
размещенных за выходным сечением канала нейтрализации.
Формирование пучка БНЧ осуществляется в три этапа, определяющих структуру источника БНЧ: создание ионного пучка, нейтрализация ионного пучка, удаление остаточных ионов с помощью системы сепарации.
Для нейтрализации ионов используются два механизма: поверхностная нейтрализация и резонансная перезарядка на собственном газе.
Система сепарации предназначена для фильтрации прошедших через зону нейтрализации ионов от пучка нейтральных частиц. При разработке системы сепарации использовалось отклонение ионов в электрическом поле.
Конструктивно источник БНЧ [4] состоит из ионного источника с холодным катодом и замкнутым дрейфом электронов [10], нейтрализатора с ленточным щелевым каналом, сопряженным с выходной щелью источника, и электродов сепаратора, образующих щелевой канал сепарации, сопряженный с выходной щелью нейтрализатора.
Такой источник БНЧ обеспечивает практически полное устранение из выходного пучка заряженной компоненты при подаче на электроды сепаратора минимального напряжения.
Принципиальная схема нового источника БНЧ (рис. 3) содержит разработанный нами ранее источник быстрых нейтральных частиц 1 [11], заканчивающийся каналом нейтрализации 2, отрица-
тельный (или заземленный) внешний электрод сепаратора 4, заземленный (или положительный) внутренний электрод сепаратора 7.
На рис. 4 представлен вид на встроенный в экспериментальную вакуумную установку источник БНЧ "Нейтрал-Л", формирующий ленточный пучок быстрых нейтральных частиц.
Источник работает следующим образом. Сначала происходит ионизация рабочего газа быстрыми электронами в электрическом и магнитном перпендикулярных полях, затем в канале перезарядки происходит нейтрализация ионного пучка. Выходящий из канала нейтрализации пучок быстрых частиц попадает в канал сепаратора, в котором с помощью электродов определенной геометрии создано электрическое поле с сильной поперечной составляющей. В результате за время пролета канала сепаратора остаточные ионы, присутствую -щие в пучке, приобретают поперечную составляющую скорости.
Система сепарации предназначена для удаления из пучка БНЧ ионов, прошедших через зону нейтрализации. В области, через которую пропускается пучок нейтральных частиц, создается электрическое поле, для чего применяются две обкладки, на одну из которых подается отклоняющий потенциал, а вторая заземлена. В некотором приближении для теоретической оценки мы использовали модель плоского конденсатора. Длина канала сепаратора 4, необходимая для полного удаления всех ионов из пучка нейтральных частиц, зависит от
Рис. 3. Принципиальная схема источника БНЧ: 1 — источник быстрых нейтральных частиц; 2 — канал нейтрализатора; 3 — изолятор электрода сепаратора; 4 — электрод сепаратора; 5 — канал сепаратора; 6 — сепарированный пучок быстрых нейтральных частиц; 7 — электрод сепаратора; 8 — изолятор электрода сепаратора; 9 — отклоненный пучок ионов.
0 ' * ^ * 5 « 1 8 9 Ю 11 V & ?ч )5 К П
Рис. 4. Источник "Нейтрал-Л", формирующий ленточный пучок быстрых нейтральных частиц.
расстояния между обкладками й и энергии ионов следующим образом:
где V — напряжение разряда в источнике ионов, и— напряжение в системе сепарации.
На рис. 5 приведена полученная на установке зависимость напряжения в системе сепарации от расстояния между обкладками при различных длинах канала сепаратора.
При определенной геометрии сепаратора и разности напряжений на его электр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.