л ) При энергии ионов более 30 кэВ они могут проникать вглубь образца. на этом явлении основан процесс, который называется ионной имплантацией или ионным легированием (рисунки А) и Б) внизу). Независимо от материала мишени в нее можно внедрить атомы практически любых элементов таблицы Менделеева, что широко используется для изменения механических, электрических, химических, оптических, эмиссионных и других свойств вещества.

Рис. А Схема пробега имплантированного иона

Рис. Б Схема размещения имплантированного иона в кристаллической решетке

Глубина проникновения ионов зависит от их энергии и атомного номера (Рис.8), а также от кристаллографической ориентации атомов мишени по отношению к направлению движения ионов. Так, с увеличением энергии увеличивается глубина проникновения ионов (Рис.8 а, б), а более легкие ионы, например бора, приникают глубже, чем тяжелые, например сурьмы. При определенном расположении атомов кристаллической решетки наблюдается эффект каналирования (Рис.9), т.е. глубокого проникновения ионов в материал мишени. Критический угол падения ионов, при котором имеет место этот эффект, рассчитывается по следующей формуле:

,

где заряд электрона q_e=1; E_i - энергия иона, кэВ, d - расстояние между атомами, нм.

Так как имплантация ионов - процесс термодинамически неравновесный, то можно создавать соединения, которые принципиально невозможно получить диффузией или металлургическим путем, а также достигнуть концентрации имплантированного материала, существенно превышающей предел растворимости данной примеси в материале мишени.

Этот эффект используется в микроэлектронике для получения p-n переходов в полупроводниковых материалах, в машиностроении – для легирования сталей, в других областях – для измерения в широких пределах свойств материалов.

Концентрация имплантированных в материал атомов примеси распределяется по нормальному закону

,

где x – координата, перпендикулярная поверхности мишени, м; y - координата, параллельная поверхности мишени, м; D – доза имплантации, ион/м²; R_p - средний квадратичный разброс глубины проникновения ионов (по координате «x »), м; R_p - математическое ожидание глубины проникновения ионов (проекционный пробег), м; R_y - средний квадратичный разброс пробега ионов по координате «y », м.

В микроэлектронике ионное легирование осуществляется через резистивную маску, что приводит к изменению концентрации имплантированных атомов вблизи маски (рис.В) по следующему закону:

,

где erfc – стандартная функция ошибок

Р ис.В Схема изменения концентрации легирующей примеси на линии маски

5. Формирование газоразрядной плазмы и ее взаимодействие с материалами

Газоразрядная плазма (Рис.10 и фото внизу), состоящая из электронов, ионов и электрически нейтральных атомов, молекул и радикалов, генерирующая различные виды излучений, также может служить инструментом для обработки материалов.

С ее помощью можно осаждать металлические и диэлектрические пленки, стимулировать осаждение из газовой фазы диэлектрических пленок, пленок переходных металлов и их силицидов, вытравливать материал через резистивную маску после операций микролитографии, а также, получать ионные и электронные пучки большой интенсивности. Плазменная обработка, заменившая жидкостное травление, получила название "сухое травление".

Плазменная обработка осуществляется при давлении ниже атмосферного и поэтому совместима с другими "вакуумными" процессами - электронно- и ионнолучевыми, лазерными, рентгеновскими и другими операциями. Формирование микротопологии или микрорельефа на обрабатываемых изделиях осуществляется повторением цикла, включающего три группы операций: 1) получение, обработка и легирование тонких пленок и слоев; 2) микролитография (фото-, электроно-, ионо- и рентгенолитография); 3) травление топологического рисунка или микрорельефа. Благодаря использованию "сухого травления” геометрические размеры рисунка могут быть получены с погрешностью менее 0,1 мкм. Для определения момента окончания травления, контроля за химическими и физическими процессами в плазме, измерения скорости осаждения пленок и других параметров применяются различные методы диагностики плазмы. Параметрами газоразрядной плазмы являются: состав и концентрация частиц, температура электронов и ионов, плазменное давление и др. В плазменных технологиях в качестве рабочего газа для обработки материалов чаще других используются Ar, O₂, N₂, H₂, CF₄, CCl₄, SiH₄, различные углеводородные соединения C_xH_y при давлении от 0,65 до 250 Па; концентрация ионов в плазме составляет порядка 10¹⁰ ион/см³, а электронов - 10⁸ - 10¹⁰ эл/см³; энергия электронов может составлять 1,2 - 30 эВ, а частота ВЧ-плазмы может изменяться в диапазоне 3,5 - 27 МГц.

Р азличные виды плазменной обработки материалов зависят от энергетических характеристик плазмы и доминирующего влияния одного из эффектов в пространстве между областью газового разряда и электродами (Рис.11): 1 – уход быстрого электрона; 2 – отражение медленного электрона; 3 – инжекция иона; 4 – отражение отрицательного иона; 5 – рассеяние на нейтральной частице; 6 – обмен заряда иона с нейтральной частицей; 7 – эмиссия вторичного электрона; 8 ионизация электронным ударом; U₀ – прикатодный потенциал; h – толщина прикатодной области – темного катодного пространства; n_e и n_i – концентрация соответственно электронов и ионов; kT_e – энергия электрона; U_m – потенциал мишени.Важным параметром плазмы является энергия E_e (температура kT_e) электронов (Рис.12), которая имеет нормальное распределение (Рис.12 а) и от которой зависит вероятность образования ионов - коэффициент ионизации (Рис.12 б) .

Длина свободного пробега электрона в плазме =1/(S_e^.N), где S_e - сечение столкновения электрона с атомами плазмообразующего газа, м² (для Ar при E_e=2 эВ S_e = 3^.10^-16 см²); N - концентрация атомов или молекул газа (м^-3), равная N=p/(kT)=2,5^.10¹⁶ атом/см³ (при давлении аргона p=100 Па и температуре стенок вакуумной камеры T=293К). При этих параметрах плазмы =0,13 см.

Средняя скорость электронов в плазме рассчитывается по следующей формуле:

,

где m_e - масса электрона при скорости v_e; B=6,24^.10¹¹ эВ^.с²/(г^.см²) – коэффициент (при E_e=kT_e=2 эВ v_e=10⁸ см/с = 1000 км/с). Частота столкновений электронов с молекулами газа в плазме  = v_e^.S_e^.N и составляет 7,5^.10⁸ 1/с или 750 МГц при приведенных выше параметрах плазмы.

Напряжение зажигания самостоятельного газового разряда U_з зависит от рода газа и произведения давления p на расстояние между электродами d. Эта зависимость иллюстрируется кривыми Пашена (Рис.13).

Поток ионов Q_i (ион/(м^2.с)) в катодное пространство приблизительно равен

,

где kT_i и M_i – энергия (Дж) и молекулярная масса иона (кг/кмоль). Плотность ионного тока j_i= Q_i^.q_e, А/м², а толщина прикатодной области h составляет приблизительно

,

где U_м – потенциал мишени, В. Параметры газоразрядной плазмы сильно зависят от давления плазмообразующего газа (Рис.14).

Высокочастотная плазма формируется исходя из условия, что величина пробега электронов равна расстоянию между электродами d (Рис.15), а пробег значительно более тяжелых ионов намного меньше. Необходимая частота изменения полярности на электродах рассчитывается из неравенства f > 1/t_e, где время пробега электронов t_e = d/v_e (при v_e=10⁶ м/с и d=0,1 м t_e=10^-7с, а f > 10⁷ Гц). Наиболее распространена стандартная частота f = 13,56 МГц, при которой время пробега ионов t_i расстояния d равно t_i = d/v_i (при v_i  500 м/с, t_i = 2^.10^-4 с), а величина пробега ионов за t_i составляет d_i = v_i /f (d_i =3,7^.10^-5 м или 37 мкм).

Нейтральные частицы в газоразрядной плазме характеризуются скоростью образования радикалов (электрон-молекулярного взаимодействия) R = K^.n_e^.N, где K - константа скорости диссоциации (для HCl при kT_e=2 эВ, K=4^.10^-10 см³/с). При p_cl =100 Па и n_e=10¹⁰ см^-3, N=2,5^.10¹⁶ см^-3, а R = 7,5^.10¹⁶ шт/(см^3.с). Длина свободного пробега атомов или молекул  = 6,51^.10^-3/p, м , где p - давление газа, Па. Число атомов или молекул, ударяющихся о единицу поверхности в единицу времени

,

где T и M - температура и молекулярная масса газа, R₀ – универсальная газовая постоянная.

Одним из наиболее характерных примеров использования газоразрядной плазмы в машиностроении является очистка, травление и нанесение тонкопленочных покрытий на оборудовании, подобном представленному на рисунке 16.

Рис.16 Структурная схема установки «Плазменный котел»

На установке реализован метод нанесения тонких пленок дуговым осаждением в вакууме. Сильноточный дуговой разряд (короткая вакуумная дуга) образуется между анодом А1 и холодным катодом К дугового источника. На установке установлены два дуговых источника, которые пристыкованы к вакуумной камере напротив друг друга. Анод А1 находится во внешнем магнитном поле, которое создает катушка, размещенная на анодном блоке. Катушка может перемещаться вдоль анодного блока. Таким образом, осуществляется стабилизация положения катодного пятна. Внутри вакуумной камеры размещаются дополнительные катушки А2, которые оказывают фокусирующее воздействие.

П роцесс горения дуги сопровождается ионизацией отдельных атомов с образованием ионизированной паровой фазы. Этот поток ионизированных атомов металла и высвободившихся электронов устремляется в центр вакуумной камеры. Поскольку корпус камеры имеет нулевой потенциал, а на карусель с изделиями подается -150 В, то ионизированные атомы осаждаются на изделиях, а электроны устремляются на корпус камеры.

Установка «Плазменный котел» может быть выполнена в другом исполнении (схема справа) и использоваться для вакуумно-плазменного травления, например, для снятия остатков износостойких покрытий на режущем инструменте с целью последующего нанесения такого покрытия на установке в первоначальном исполнении (см. рис.16).

6. Теоретические аспекты физического осаждения из газовой фазы

Под физическим осаждением из газовой фазы (PVD – Physical Vapor Deposition) материала понимается процесс конденсации этого материала в виде атомов или молекул из газовой фазы с образованием тонкой пленки на поверхности подложки, причем химический состав газовой фазы и осаждаемой пленки совпадает. Физическое осаждение из газовой фазы может осуществляться следующими методами:

• Термо-вакуумным, при котором материал термически испаряется в виде атомов или молекул в условиях высокого вакуума и затем конденсируется на подложке, причем испарение может производиться резистивным, индукционным, электронно-лучевым и лазерным нагревом;

• Ионного распыления, при котором материал выбивается из мишени в виде атомов или молекул за счет кинетической энергии бомбардирующих мишень ионов и затем конденсируется на подложке, причем могут быть использованы как ионы газоразрядной плазмы, так и ионные пучки, генерируемые в автономных источниках.

Метод ионного распыления по сравнению с термо-вакуумным обладает следующими преимуществами:

• низкие температуры проведения процессов осаждения;

• сохранение стехиометрии сложных соединений и сплавов;

• простота автоматизации и интеграции с процессом ионной очистки поверхности подложки;

• длительный ресурс мишеней;

• лучшая адгезия пленок;

• упрощение и удешевление систем обеспечения высокой однородности пленок по толщине на подложках большого диаметра, и в случае реализации его в магнетронных распылительных системах (МРС) не уступает термо-вакуумному по скорости осаждения.

Поэтому процессы нанесения функциональных слоев (особенно металлических) физическим осаждением из газовой фазы в магнетронных распылительных системах заняли ведущее место в производстве микросхем. Типовая схема нанесения тонкой пленки нитрида титана с помощью МРС показана на рис.17.