ЭИПТ-1 (Сборник лекций Панфилова), страница 4

Травление электрически нейтральными частицами (молекулами,атомами и радикалами), не имеющими преимущественного направления движения,вызывает появление погрешности размеров обработки за счет изотропного травления какперпендикулярно поверхности, т.е.

в глубь материала, так и параллельно ей, т.е. под маску(Рис.27 б).При ионном травлении погрешность размеров обработки может появиться принеправильно выбранной толщине маски. Если толщина маски намного больше толщинывытравливаемого слоя, то распыляемые атомы осаждаются на боковые стенки маски иизменяют ее размеры (длину, ширину или диаметр окна). При этом соответствующиеразмеры обрабатываемого слоя уменьшаются. Если толщина маски меньше или равнатолщине обрабатываемого слоя, то материал маски может стравиться быстрее, чемматериал слоя и его размеры могут стать больше требуемых.7. Характеристики методов вакуумно-плазменного травленияХарактеристикаР, ПаLmin, мкмL, мкмСНСИПТИЛТ-1-3АЛТ-3РИПТ-1РИЛТРАЛТ-2-2ГТРТПХТ10 100,30,110 –-2100,10,0510 -2100,10,0510 2101,00,510 -1100,80,310 -1100,80,310 2103,01,01,0 2103,01,010 2102,01,0SLSLSLMMMMMMLSLSLSP – рабочее давление; Lmin - минимальный размер; L - погрешность травления;С – селективность; НС – нарушенный слой; S – малый; M – средний; L – большой;+++lmVtмаскаlsслойизделиеа)маскаслойlsизделиеб)Рис.27 Схема формирования погрешности ионного (а)и ионно-химического (б) травленияОптимальная толщина маски при ионном травлении рассчитывается по следующейметодике:-максимальное время травления маски t1 толщиной lm без погрешности  равноt1 l m Cos,Vm ( )где Vm()=Vm(0)/Cos – скорость травления маски под углом , возникающим врезультате более интенсивного распыления скругленных кромок маски (Рис.27 а);Vm(0) – скорость травления маски при  = 0;-время травления слоя t на заданную глубину ls равноlt s ,Vs (0)где Vs(0) – скорость травления слоя при  = 0;-скорость бокового травления маски Vt равнаV ( );Vt  mSin-погрешность травления  равна  Vt (t  t1 ) -l sVm (0)l m ;SinCosVs (0) tgоптимальная толщина маски l mопт равна (при =0)l sVm (0)l mопт .Cos 2Vs (0)К материалам маски при ионном травлении предъявляются следующие требования:высокая разрешающая способность; термостойкость; минимальная скорость травления поотношению к скорости травления слоя.

Применяются маски из фольги (трафареты) сминимальным размером рисунка 30 – 50 мкм и тонкопленочные (контактные) маски сминимальным размером рисунка 0,1 – 0,5 мкм. Тонкопленочные маски изготавливают из:- органических материалов: фото-, электроно-, ионо- и рентгенорезистов, которыемогут работать при температуре не выше 423 – 473 К, что определяет критическуюплотность мощности ионного тока на мишени: 0,05 Вт/см2 без охлаждения мишени, 0,5Вт/см2 с водяным охлаждением без плотного прижатия к мишени, 1 Вт/см2 с водянымохлаждением по всей площади поверхности мишени;- металлов: Ti, Cr, Mn, V, Mo, Ta и Al, которые выдерживают температуру 620 – 670К и скорость травления которых резко уменьшается при напуске кислорода (через такиемаски обрабатывают материалы, коэффициент распыления которых мало зависит отпарциального давления кислорода: SiO2, Si3N4, Cu, Ag, Au, Pt, GaAs и др.);- графита, имеющего самый низкий коэффициент распыления в чистом аргоне ивыдерживающего большие плотности мощности ионного тока на мишени.Выбор способа травления заключается в определении приоритетныххарактеристик: наименьшей селективностью травления и наименьшей погрешностьюразмеров обработки обладает ионное травление ("ИТ"); наибольшую скорость травления инаименьший нарушенный слой обрабатываемой поверхности можно получить прихимическом травлении ("ХТ"); наилучшим сочетанием точности обработки ипроизводительности оборудования обладает ионно-химическое травление ("ИХТ").Современные методы нанесения тонких пленок распылением мишеней такихтвердосмазочных материалов (ТСМ), как дисульфид молибдена позволяют получатьпокрытия, обладающие уникальными антифрикционными характеристиками при малойтолщине и высокой адгезии покрытия к подложке.

Интерес к такому покрытиюобусловлен низким коэффициентом трения (аномально-низким в условияхсверхвысокого вакуума), малым газовыделением в вакууме, возможностьюиспользования в экстремальных условиях: в вакууме, при высоких температурах инагрузках.Основным препятствием к широкому использованию технологий вакуумногонанесения ТСМ в машиностроении является малая, до нескольких микрометров,толщина покрытий, обеспечивающая недостаточно высокую долговечность, несмотряна низкую интенсивность его изнашивания. Поэтому твердосмазочные покрытия (ТСП)толщиной порядка 1 мкм, формируемые вакуумными методами, целесообразноиспользовать в прецизионных механизмах, а для многоциклических механизмов необходимо повышать долговечность ТСП.Одним из возможных решений проблемы является объединение в едином вакуумномцикле операций ионного травления и нанесения тонких пленок с целью формированияна поверхности трения микрорельефа и покрытия, сопоставимых по своей глубине итолщине с параметром шероховатости поверхности.

После износа слоя покрытия научастках между микрокарманами антифрикционные свойстваконтактаобеспечиваются за счет подпитки зоны трения содержащимися в микрокарманахзапасами ТСМ.Использование уникальных возможностей ионных технологий при финишнойподготовке поверхности перед нанесением покрытия (ионная очистка и ионнаяактивация) позволяет добиться высокой адгезии тонкой пленки, что приводит кповышению антифрикционных характеристик ТСП. Кроме того, ионно-лучеваяобработка может выступать также и в качестве эффективного инструмента дляформирования необходимого микрорельефа (микрокарманов), поскольку максимальнаятребуемая глубина травления составляет до нескольких микрометров.

Кроме того,операция ионной полировки поверхности трения, в отличие от традиционноймеханической обработки, за счет сглаживания вершин микронеровностей обеспечиваетнаиболее предпочтительный контур шероховатости (с точки зрения уменьшенияинтенсивности изнашивания тонкопленочного ТСП).На рис. 28 представлена схема и внешний вид вакуумной установки дляформирования в едином вакуумном цикле микрорельефа и ТСП. Ионное травлениемикрокарманов осуществляется через маску автономным источником ионов, ананесение ТСП – высокочастотным магнетронным распылительным устройством.Ионно-лучевая обработка и ионная имплантацияИонно-лучевая обработка применяется для формирования микрорельефа (рис.29 а),очистки, полировки и активации поверхностей (рис.29 б,в), нанесения тонких пленок ввакууме с ионно-лучевым ассистированием (рис.29 г), распылением (рис.29 д) иосаждением (рис.29 е), а также для модификации и легирования поверхностных слоевдеталей с помощью имплантации ионов из сепарированных пучков (Рис.29 ж).К источникам ионов предъявляются следующие требования: токи пучка ионовдолжны составлять сотни миллиампер, а плотности тока – несколько мА/см2; энергияионов должна лежать в диапазоне 0,05 – 5 кэВ; пучки ионов должны состоять изразличных веществ, включая химически активные, например, фтор- и хлорсодержащиесоединения, углеводороды, кислород, азот и др.; пучки ионов должны иметь одинаковуюплотность тока по сечению пучка большого диаметра, кольцевого, прямоугольного,ленточного, сходящегося или расходящегося.

Наиболее полно этим требованиям отвечаютисточники ионов с холодным катодом, формирующие пучки ионов в скрещенныхэлектрическом и магнитном полях. Источники ионов с горячим катодом практически непригодны для формирования химически активных пучков ионов.1АИИArна ГС17Ar3418М52667815ГСV591914V6201;13V4V3VF1РРГСУРРГ30ФРДФ29РД28V2V127PPN2Ar1221ВЧ252223241011Рис.28 Схема и внешний вид вакуумной установки для нанесения тонких пленок:1 – магистраль напуска рабочего газа; 2 – ионно-лучевой источник; 3 – держательобразца; 4 – муфта; 5 – привод; 6, 15 – вводы движения в вакуум; 7 – вакуумная камера; 8– мишень; 9 – магнетрон; 10 – регулятор давления газа; 11 – баллоны с рабочими газами;12 – регулятор расхода газа; 13, 19 - датчики давления; 14 – привод заслонки; 16 –заслонка; 17 – катод-нейтрализатор; 18 – привод подъема вакуумной камеры; 20, 23 –клапаны; 21, 24 – вакуумные насосы; 23 – форвакуумный баллон; 25 – блок питаниямагнетрона; 26 – система охлаждения вакуумной камерыРазработаны источники ионов с диаметром пучка от 50 до 500 мм, для обработкиизделий больших размеров используются прямоугольные пучки с длиной более 1 м.

Приэтом неравномерность обработки, например, толщины наносимой пленки не превышает5% при скорости осаждения 1 – 2 нм/с.В технологии ионной имплантации используются сепарированные моноизотопныепучки ионов (Рис.29 ж). Сравнительно низкая температура обработки материалов,достаточно точный контроль глубины и профиля распределения примеси, возможностьавтоматизации процесса способствует расширению применения технологии ионнойимплантации в различных областях современного производства. В микроэлектроникеионная имплантация применяется при изготовлении полупроводниковых приборов иинтегральных микросхем (ИС).Основными материалами мишени при производстве ИС являются кремний иарсенид галлия, имплантируются фосфор, бор, мышьяк, сурьма и др., а в качествематериала маски используются алюминий, золото, платина, титан, диоксид кремния,нитрид кремния, фоторезисты. Ионная имплантация позволяет управлять дозамиоблучения от 1010 до 1018 ион/см2 и обеспечивает неоднородность распределения примесина площади 320 см2 не более 1 - 2 %.

С увеличением степени интеграции и рабочейчастоты полупроводниковых приборов и ИС уменьшаются как горизонтальные, так ивертикальные размеры элементов. Например, толщина базы и эмиттера в активнойобласти биполярного транзистора могут быть порядка 0,1 мкм, а геометрические размерылегированной области не превышают 1 – 2 мкм. При изготовлении полевых транзисторовионной имплантацией получают самосовмещенный затвор (Рис.30), когда полностьюсовпадают границы областей «исток-затвор» и «сток-затвор», чего нельзя выполнить спомощью высокотемпературной диффузии.1231+3++Ar, CxFy,CxCly+Ar, O2а)1б)31+++Ar, O2,CxFy+3Arв)оооооо4г)1 313о о о о+++Ar, O2,N2+5CxHyд)е)+1 6PH3, PCl3,BF3, B2H6783ж)Рис.29 Варианты ионно-лучевой обработки: 1 – источник ионов; 2 – маска; 3 – изделие;4 – испаритель; 5 – мишень; 6 – масс-сепаратор; 7 – система ускорения ионов;8 – система сканирования+исток+++затвор+++стокРис.30 Схема получения самосовмещенного транзистораВ современной технологии изготовления ИС используются более 10 режимовионной имплантации (Рис.31).

При формировании микроструктур ИС на МОП (металл –оксид - полупроводник)наиболее точным является процесс подлегированияподзатворной области транзистора для регулирования порогового напряжения. Приизготовлении биполярных транзисторов наибольшие сложности связаны сформированием субмикронных толщин областей эмиттера и базы транзистора.В результате бомбардировки поверхности полупроводника и внедрения в его объемионов примеси в кристалле возникают дефекты, а при больших дозах ионов могутобразовываться аморфные участки.

Для устранения радиационных дефектов, а также дляперемещения электрически неактивных ионов в узлы кристаллической решеткиприменяется отжиг при температуре 800 – 1200 К.Уникальная возможность ионной имплантации состоит в легировании материаловатомами отдачи, которые могут получать достаточно высокую энергию от ускоренныхионов и перемещаться на несколько нанометров, что позволяет создавать сверхтонкиелегированные слои. Например, если на поверхность кремния нанести тонкую пленкуалюминия, а затем бомбардировать ее ионами Si+, Al+ или ионами инертных газов, тоатомы алюминия из металлической пленки перемещаются в глубь кремния и образуютслой с максимальной концентрацией атомов у границы кремний-алюминий и спадающейпо гиперболе до глубины 5 – 10 нм.