РПЗ (Технология рентгенолитографии), страница 6

Рассмотрим, в первую очередь, величину подаваемого напряжения. Верхний предел ее значений связан с возникновением пробоев между элементами ИC. Это вызвано тем, что при многослойной структуре прибора, соседние слои разделены тонкими в 0,1-0,3 мкм диэлектрическими пленками, между которыми при подаче внешнего напряжения может возникнуть разность потенциалов, достаточная для пробоя покрытия и нарушения функциональных возможностей ИС. Данное обстоятельство не позволяет увеличивать внешнее напряжение более 1,5-2,0 кВ. При работе в среде вакуума существуют и иные трудности, связанные с высоким напряжением между электродами, в результате чего возможно возникновение тлеющего разряда (пробой Пашена). Это происходит при таких значениях зазора между электродами и давлении в камере, когда величина напряжения лежит выше минимума кривой Пашена. Для того, чтобы находиться гарантированно ниже кривой Пашена, напряжение должно быть уменьшено до 400 В.

Взяв это значение за основу, определим толщину диэлектрического покрытия, разделяющего электроды. Сформулируем требования, предъявляемые к покрытию:

- высокая относительная диэлектрическая проницаемость;

- эластичность покрытия;

- технологичность получения и обработки.

Требование по эластичности покрытия связано с тем, что при прижиме пластины к поверхности покрытия между ними могут находиться инородные частицы (пылинки и т.п.) из рабочего объема камеры. При наличии твердого покрытия в месте расположения частицы возникает выступ на пластине, не позволяющий обеспечить полное ее выравнивание. В случае эластичного покрытия эта частица вдавливается в структуру материала в а счет усилия со стороны пластины и, тем самым, обеспечивается достаточная плоскостность.

Технологичность обработки диэлектрика подразумевает возможность получения высоких значений плоскостности поверхности покрытия (менее 5 мкм), а также сохранение этой величины в процессе эксплуатации.

Высокое значение относительной диэлектрической проницаемости позволяет увеличить усилие прижима в прямо пропорциональное число раз. В таблице 4.1 приведены значения и удельного пробивного напряжения для некоторых диэлектриков. Эластичные полимерные покрытия имеют значение в пределах 4. Значительно больше эта величина у окислов металлов, особенно у ниобия и титана.

Формула (4.1) позволяет определить толщину диэлектрика при установленных величинах внешнего напряжения и диэлектрической проницаемости . Принимая требуемую величину удельного усилия прижима ррвной Па для = 400 В и =4, толщина покрытия составляет 10 мкм. Диэлектрик такой толщины может бытъ достаточно быстро поврежден из-за прокола твердыми частицами в момент прижатия пластины к покрытию. В результате многочисленных экспериментов было показано, что покрытия, толщиной 10-20 мкм теряют работоспособность уже после 20-40 контактов [27].

Для повышения надежности работы устройства толщина диэлектрика должна быть доведена не менее, чем до 50 мкм. При этом усилие прижима составляет 0,05*10 Па, Использование пленок окислов с высоким значением позволяет поднять эту величину до (О,2-0,4)*10 Па. Следует отметить, что пленки окислов большой толщины (3О мкм и более) обладают повышенной пористостью, что приводит к снижению ресурса работы.

При проколе покрытия пылинками возникает режим короткого замыкания, при котором резкое падение напряжения мгновенно снижает усилие прижима до нуля, а возникший через перемычку ток приводит к местному разрушению покрытия. В результате покрытие оказывается совершенно неработоспособным и требуется его полная замена.

Таким образом, в настоящее время не существует достаточно надежного устройства, позволяющего обеспечить выравнивание полупроводниковой пластины в вакууме. Механические прижимы не могут быть использованы ввиду непосредственной близости мембраны РШ. Фиксирование пластины при помощи клеящих составов увеличивает дефектность ИС, тем самым снижая выход годных. Электростатические устройства крепления не позволяют получить достаточных усилий прижатия при высокой надежности, а также вследствие их влияния на технологический процесс изготовления ИС.

8.2. Использование электрета в электростатических прижимах.

Решением проблемы крепления полупроводниковой пластины в вакууме может явиться применение электрета в качестве диэлектрического покрытия электростатического прижима. Под электретом понимают определенной формы диэлектрик, долго сохраняющий заряды разного или одного знака. Для получения электретов диэлектрик помещают в электрическое поле, в результате чего в структуре диэлектрика образуются поверхностные заряженные слои или объемные заряды.

Известно значительное количество диэлектриков, как полимерных, так и керамических, обладающих электретными свойствами. Методы приготовления объемно-заряженных электретов могут быть различными. В большинстве случаев заряд формируется путем инжекции заряженных носителей внутрь диэлектрика через наружную поверхность в процессе электрического разряда, при воздействии на образец пучком заряженных частиц, при контактной электризации и другими методами. Электризация электрета ограничивается процессами внутреннего и внешнего пробоев, возникающих, когда поле образуемых в образце зарядов достигает достаточной величины. Возникновение внутреннего пробоя зависит от электрической прочности материала. Максимальная плотность заряда, при которой он еще удерживается на поверхности электрета без опасности возникновения пробоя составляет 10 Кл/см .

Случай внешнего пробоя может иметь место, когда напряжение на зазоре между поверхностью электрета и электродом достигает некоторого значения, определяемого геометрией системы образец-электрод, составом газа в зазоре и его давлением. Это тот же самый пробой Пашена, который рассматривался при обсуждении электростатического прижима.

Одним из методов формирования заряженных носителей внутри диэлектрика, обладающего электретными свойствами, является контактная электризация. Этот метод заключается в том, что электретный материал располагают между двумя плоскими электродами, на которые подается постоянное напряжение от внешнего источника. Один из электродов может быть выполнен путем напыления токопроводящего материала на одну из поверхностей электрета, либо, что может

Таблица 3

Относительная диэлектрическая проницаемость и удельное пробивное напряжение материалов, применяемых в электростатических устройствах крепления.

Рис. 54. Схема электретного прижима:

I-металлический контакт, 2-диэлектрическая прокладка,

3-электретное покрытие, 4-полупроводниковая пластина

быть более удобным при дальнейшем технологическом применении, электрет нанесен на металлическую поверхность функционального устройства. За другой электрод возьмем полупроводниковую пластину (рис. 54). Электризация диэлектрической пленки происходит за счет искрового разряда. Для получения удовлетворительных плотностей заряда без разрушения участков пленки возникающими дуговыми разрядами предлагается использовать диэлектрическую прокладку между пленкой и металлическим электродом. Более низкое сопротивление материала прокладки по сравнению с электретом придает ей роль защитного добавочного сопротивления.

При подключении к источнику напряжения такой конструкции перенос заряда осуществляяется постепенно через микроскопические воздушные зазоры между электро-дом и пленкой. Напряжение на воздушном зазоре может быть определено, как:

, где - соответственно толшина диэлектрической прокладки и электрета; - плотность заряда электрета; - относительные диэлектрические проницаемости воздуха и диэлектрической прокладки.

Наличие диэлектрической прокладки позволяет уменьшить величину напряжения в воздушном зазоре. Особенно существенна ее роль, когда толщина прокладки больше толщины электрета и воздушного зазора, а также при высоком значении . Так при использовании прокладки из феррита ЗОСЧ-6 ( =2,4) толщиной 2 мм и пленки электрета толщиной 0,5 мм напряжение на электрете с плотностью заряда = 1C Кл/см оказывается ниже точек на кривой Пашена для любой толщины воздушного зазора.

В результате электризации материала в его структуре формируются заряженные элементы, создающие внутреннее поле электрета, напряженность которого определяется величиной остаточной поляризации. Если величина остаточной поляризации велика, то внутри и вне электрета будет действовать сильное электрическое поле. Воздействие электрического поля на полупроводниковую пластину прижимает последнюю к поверхности электретного материала с усилием:

где - относительная диэлектрическая проницаемость электре-

та; - напряжение внешнего источника; - потенциал поверхности электрета; - положение эквивалентной плоскости распределения заряда.

Расположение заряда в структуре материала электрета носит объемный характер, что, однако, не означает равномерность его распределения по толщине. Положение эквивалентной плоскости распределения заряда зависит от величины внешнего поля и материала электрета. Глубина залегания эквивалентной плоскости может коле­баться в достаточно широком диапазоне от 0,5 до 25 мкм. Для получения значительных усилий прижима, важно выбрать электретный материал, в котором эквивалентный заряд находился бы вблизи поверхности.

Анализ формулы позволяет сделать следующие выводы. Усилие прижима пластины, при прочих равных условиях, возрастает с увеличением толщины электретного покрытия до тех пор, пока увеличение толщины не будет компенсироваться уменьшением отношения . Оно также возрастает с увеличением диэлектрической проницаемости электретного покрытия, пока не начнет выполняться условие