ВВЕДЕНИЕ 3 1 ВОПРОС №1 «Классификация процессов по характеру их протекания и температурному диапазону: термообработка, рекристаллизация, фотолитография, сушка, обезгаживание» 4 2 ВОПРОС №2 «Классификация диэлектриков. Поляризация диэлектриков. Механизмы поляризации» 8 3 ВОПРОС №3 «Особенности физико-химических процессов при электронно-лучевом испарении» 15 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 19
ЕслитемпературуподложкиповыситьвовремялегированияSbдо300ºC,топочтивсеееатомыперейдутвположениезамещения.Следовательно,вкристаллеобразуютсядонорныеуровни,чтоприводиткинверсиитипапроводимостилегированногослояизp-типавn-тип.Внастоящеевремяведутсяинтенсивныеисследованияпроцессовионноголегирования. Фотолитогра́фия—методполученияопределённогорисунканаповерхностиматериала,широкоиспользуемыйвмикроэлектроникеидругихвидахмикротехнологий,атакжевпроизводствепечатныхплат.Одинизосновныхприёмовпланарнойтехнологии,используемойвпроизводствеполупроводниковыхприборов. Сутьпроцессафотолитографиисводитсяктому,чтовначаленаобрабатываемуюповерхностьнаноситсятонкаяфоточувствительнаяполимернаяпленка(фоторезист).Затемэтапленказасвечиваетсячерезфотошаблонсзаданнымрисунком.Далеепроэкспонированныеучасткиудаляютсявпроявителе.Получившийсянафоторезистерисунокиспользуетсядлятакихтехнологическихэтаповпланарнойтехнологии,кактравление,электроосаждение,вакуумноенапылениеидругие.Послепроведенияодногоизэтихпроцессовоставшийся,неудаленныйприпроявлении,фоторезисттакжеудаляется. Принципиальноеотличиефотолитографииотдругихвидовлитографиизаключаетсявтом,чтоэкспонированиепроизводитсясветом(видимымилиультрафиолетовым),тогдакаквдругихвидахлитографиидляэтогоиспользуетсярентгеновскоеизлучение(рентгеновскаялитография),потокэлектронов(электронно-лучеваялитография)илиионов(ионно-лучеваялитография)идругое. Наименьшиеразмерыдеталейрисунка,достижимыевфотолитографии(разрешение),определяются:длинойволныиспользуемогоизлучения,качествомприменяемойприэкспонированииоптики,свойствамифоторезистаидостигают100нм.Применениеспециальныхметодов(иммерсионнаялитография)теоретическипозволяетполучитьразрешениедо11нм. Золь-гельтехнологияполученияпленоквключаетследующиеосновныестадии:1)приготовлениерастворапрекурсоровипереводеговзоль;2)нанесениезолянаподложку;3)превращениезолявгельинизкотемпературнаяобработка(сушка);4)высокотемпературнаятермообработкадлясинтезаконечногопродуктаматериалапленкииформированияплотногопокрытиясхорошейадгезией. Принанесениизоляметодомвытягиванияможнополучатьпленочныепокрытиянаподложкахпроизвольнойформы.Методвключаетследующиестадии:погружениеподложкивраствор,выдержкаврастворе,медленноевытягиваниеподложкиизраствораспостояннойскоростьюисушка.Какправило,послесушкипленкиподвергаютвысокотемпературнойобработкедлясинтезаикристаллизации.Морфологияпленок,полученныхвытягиваниемизраствора,определяетсямножествомфакторов–шероховатостьюповерхностиподложки,скоростьювытягиванияизраствора,вязкостью,составомиконцентрациейраствора,температуройивлажностьюокружающейсреды.Какправило,толщинаполучаемыхпленокнепревышает100нм.Дляполученияболеетолстыхпленокцикл«вытягивание–сушка–высокотемпературнаяобработка»повторяютнеобходимоеколичествораз.Технологииполученияпленокметодамицентрифугированияивытягиванияизраствора,атакжефакторы,влияющиенаморфологиюисвойствапленок,подробнорассмотренывработах.Принанесениизолянаповерхностьподложкивнеминтенсивнопротекаютпроцессыгелеобразованияисушки.Этастадияимеетбольшоезначениедляформированиясплошнойгомогеннойпленки.Присушкепроисходитзначительноеуменьшениемассыиобъемагеля,обусловленноеудалениемизнеговоды,спирта,органическихостатков.Посколькуиспарениеидетсповерхноститела,возникаетградиентконцентрациижидкойфазыисоответствующийемуградиентсжатия.Поэтомувпроцессесушкивозникаютнапряжения,игельможетрастрескиваться.Процессобразованиятрещинпривысушиваниирастворов,нанесенныхнаподложку,малоизучен.Очевидно,чтонапряженияпропорциональныскоростисушкиитолщинегеля,ичто,чемтоньшеслойгелянаповерхностиподложкиичеммедленнееосуществляетсясушка,темболееоднороднымполучаетсяпленочноепокрытие. Взависимостиотвыбораспособареализациипроцессовобезгаживанияэлементовлампыиактивированияэлектродов,атакжережимовихпроведениярезкоменяетсякачествоготовойпродукции.Вчастности,особуюрольиграюттакназываемыеконденсируемыепримеси,которыевплазмевысоковольтногоразряданетольконеудаляютсясобрабатываемыхповерхностей,ноиспособнысоздаватьразличныеполимерныеобразования,отравляющиелюминофориактивированныйслойэлектродов. Современныетехнологииобезгаживанияразличныхионныхприборов,напримергазоразрядныхлазеров,обзоркоторыхбудетданниже,могутбытьиспользованывтехнологиинеоновыхламп. Приэтомпредлагаетсямодернизироватьтехнологическийпроцесс,неменяяегоструктурукардинально,адополнивеенекоторымиоперациямиизарсеналавысокихтехнологий. Напомним,чтововремяпроведенияосновныхопераций(см.врез)втрубкепротекаютразличныефизико-химическиепроцессы:удаляютсягазыипары(откачка),десорбируютсямолекулызагрязненийсвнутреннихповерхностей(обезгаживание),загрязненияиспытываютхимическиепревращения(плазмохимическиереакции),полостьлампызаполняетсярабочимигазами.Рассмотримотдельныеаспектытехнологии,чтобывыявитьеесильныеислабыестороны. Вслучаеклассическоготермовакуумногообезгаживаниятемпература,безусловно,являетсякритериемэффективностипроведенияэтойоперации,посколькупроцессдесорбциигазовипаровноситактивационныйхарактер.Этоозначает,чтоначинаясопределеннойдлякаждогоматериалатемпературы(длястекла—230-250°С)скоростьдесорбциирезковозрастает.Изэтогоследует,чтоприменьшихтемпературахобезгазитьстеклоэтимспособомневозможно.Поэтомуизмерениетемпературы—шагвполнеоправданный.Ноприионно-плазменнойобработке(ИПО)крометермическойдесорбцииимеютместоидругиеэлементарныепроцессы,напримерраспылениеповерхностныхслоевподдействиемионнойбомбардировкииплазмохимическиереакции.Вследствиеэтогопроцессобезгаживанияноситпрактическибезактивационныйхарактер.Инымисловами,приопределенныхусловиях(активизированиеплазмохимическихпроцессов)обезгазитьлампувпринципестановитсявозможнымдажепри100°С.Такиенизкотемпературныепроцессыдавноиуспешноиспользуютсявтехнологиинекоторыхлазерныхприборов. Врезультатетемператураперестаетбытькритериемкачествапроцессаобезгаживания,азначит,ееизмерениеприпроведенииданнойоперацииостаетсялишьданьютрадиции.Токразрядаидавлениегазовойтехнологическойсреды,напротив,являютсямощнейшимиинструментаминастройкиосновныхпроцессов.Измерениетоканепредставляетсложности.Сдавлениемделаобстоятнесколькохуже.Вбольшинствевакуумныхпостовонолибоизмеряетсяснизкойточностью(мембраннымманометром),либонеизмеряетсявовсе.Вместестеминформацияобизменениидавлениявсистемеприпротеканиипроцессовобезгаживанияповерхностейиактивированияэлектродовбесценна,посколькуэтавеличинапропорциональнапотокугазовыделения.Поэтомупоизменениюдавлениялегкосудитьоначалеиокончанииэлементарныхпроцессов. Рекристализация – это один из видов термической обработки материалов, приводящий к повышению структурного совершенства и уменьшению свободной энергии материала в пределах данной фазы. Процесс рекристаллизации происходит за счет возникновения, движения и исчезновения или только движения и исчезновения границ с большими углами разориентировки. Различают 3 стадии рекристаллизации: первичная, собирательная и вторичная. Первичная рекристаллизация, сопровождается образованием новых неискаженных кристаллитов в деформированном материале. Происходит формирование областей, свободных от дислокаций или значительно более совершенных, чем окружающая матрица (зародышей или центров рекристаллизации), и отделенных от нее границами с большими углами разориентировки. Зародыши рекристаллизации растут за счет окружающей деформированной матрицы. Зародыши формируются, как правило, при росте субзерен, оформившихся при полигонизации. При первичной рекристаллизации происходит наиболее радикальное восстановление структуры и свойств недеформированного материала. Собирательная рекристаллизация, сопровождается увеличением средней величины зерна за счет роста неискаженных зерен за счет друг друга. Основной движущей силой собирательной рекристаллизации является стремление к уменьшению энергии границ зерен за счет уменьшения их протяженности. Вторичная рекристаллизация, при которой только отдельные зерна оказываются способными расти со значительно большей скоростью, чем другие, т. е. играть роль вторичных центров, тогда как при собирательной рекристаллизации таких зерен нет. В ходе вторичной рекристаллизации структура характеризуется различными размерами зерен (разнозернистость).
Электронныйлуч(рис.1)поудельнойэнергетическоймощности,легкостиуправления,эффективностиилокальностинагревапревосходитвсеизвестныеисточники,уступаялишьлазерномуизлучению.Однако,вотличиеотлазерного,электронныйлучможетиметьпроизвольнуюформу.Егопреимуществатакжевтом,чтоонневноситпримесейвобрабатываемыйматериал,можетработатьвагрессивной или инертной среде. Впроизводствеширокоиспользуетсяэлектронно-лучевыеиспарители,дающиевозможностьполучениятонкихпленокметаллов,сплавовидиэлектриков.Хорошаяфокусировкаэлектронногопучкапозволяетполучатьбольшуюконцентрациюмощности(до5•〖10〗^8Вт/см2)ивысокуютемпературу,обеспечиваявозможностьиспарениясбольшойскоростьюдажесамыхтугоплавкихматериалов.Быстроеперемещениенагретойзоныврезультатеотклоненияпотокаэлектронов,регулировкаиконтрольмощностинагреваискоростиосаждениясоздаютпредпосылкидляавтоматическогоуправленияпроцессом.Вметодеэффективнореализуетсяавтотигельноеиспарениематериала,поэтомуонобеспечиваетвысокуючистотуиоднородностьосаждения. Для формирования потока электронов предназначена электронная пушка (рис. 3.2), состоящая из вольфрамового термокатода и фокусирующей системы. Эмитируемые электроны проходят эту систему, ускоряются за счет разности потенциалов до 10 кВ между катодом и анодом и формируются в электронный луч. Отклоняющую систему создает магнитное поле, перпендикулярное направлению движения выходящих из фокусирующей системы пушки электронов. Это поле направляет электронный луч в центральную часть водоохлаждаемого тигля, причем в месте падения луча создается локальная зона разогрева и испарения вещества из жидкой фазы. Поток испарившегося материала осаждается в виде тонкой пленки на подложке, которая обычно располагается на определенном расстоянии над испарителем. Изменяя ток в катушке управляющего отклоняющей системой электромагнита, можно сканировать лучом вдоль тигля, что предотвращает образование "кратера" в испаряемом материале.
Рисунок 3.2 – Электроннаяпушка
В электронной пушке с поверхности катода происходит эмиссия свободных электронов и их формирование под действием ускоряющих и фокусирующих электростатических и магнитных полей в пучок, который выводится в рабочую камеру через выходное отверстие. Для подведения электронного пучка к тиглю с испаряемым материалом и обеспечения его требуемых параметров используются главным образом магнитные фокусирующие линзы и отклоняющие системы. Беспрепятственное прохождение такого пучка до объекта возможно только в высоком вакууме. Вследствие бомбардировки поверхности электронным пучком, материал нагревается до температуры, при которой происходит его испарение с требуемой скоростью. В образующийся поток помещается подложка, на которую конденсируется испаряемое вещество. Испарительное устройство дополняется средствами измерения и контроля, которые особенно важны для управления электронным пучком в процессе напыления. В простейшем случае электронный пучок направляется на испаряемый материал отвесно сверху или под косым углом к поверхности. Для фокусировки пучка и получения на поверхности материала требуемой удельной мощности используются длиннофокусные генераторы электронных пучков. Существенные недостатки такого расположения – возможность образования пленки на деталях электронно-оптической системы, приводящей к изменению параметров электронного луча, и ограничение полезной площади для размещения подложки из-за затенения части технологической камеры пушкой. Указанных недостатков можно избежать, размещая пушку горизонтально, а отклонение электронного пучка на испаряемый материал осуществлять с помощью систем, обеспечивающих поворот пучка на угол до 270°. Как правило, электронно-лучевой испаритель (рис. 3.3, 3.4) состоит из трех основных частей: электронной пушки, отклоняющей системы и водоохлаждаемого тигля различной емкости . Это обеспечивает непрерывную работу без добавления испаряемого материала, который, кроме того, в расплавленном состоянии не контактирует с медными стенками тигля. В общем случае возможно использование сформованного по размеру тигля материала (безтигельное испарение) или применение совместно со специальными тиглями порошкового материала.
Рисунок 3.3 – Схемаэлектронно-лучевогоиспарителя
Рисунок 3.4 – Схема создания электронного луча и поворотный рабочий стол
Электронно-лучевой испаритель размещается в камере, где поддерживается уровень вакуума в 〖10〗^(-4) Па, необходимый для минимизации влияния остаточного газа на эффективность прохождения электронного луча, и исключение загрязнений другими материалами структурыполучаемой пленки. Около 30–40% мощности электронного луча расходуется на плавление и испарение материала (2–10% и 30–35%, соответственно). Остальная мощность идет на теплообмен посредством теплопроводности, излучения и уносится вылетающими из зоны нагрева электронами. Эта мощность зависит от природы испаряемого материала и параметров электронного луча. Основная доля электронов уносится упруго- и неупругоотраженными электронами, количество которых определяется в первую очередь природой материала (для стали – около 25% мощности, для вольфрама – 38%). К недостаткам электронно-лучевого испарения следует отнести: – высокое ускоряющее напряжение (порядка 10 кВ); – вследствие затрат энергии на образование вторичных электронов низкий КПД установок (до 25% энергии первичного пучка), нагрев тигля, рентгеновское и УФ-излучение; – при бомбардировке наносимых пленок вторичными электронами генерацию радиационных дефектов; – по сравнению с магнетронным напылением низкую стехиометрию пленок; – вследствие низкой энергии осаждаемых частиц плохую адгезию тонких пленок к основе; – заряжение напыляемой поверхности статическим зарядом, который может вызвать пробои по пленке и нарушить ее адгезию; – не высокую производительность. К преимуществам метода относятся: – возможность нанесения пленок металлов (в том числе тугоплавких), сплавов, полупроводниковых соединений и диэлектриков с температурой плавления вплоть до 3500°С; – высокая скорость испарения веществ (от 1 до 10 нм/м) и возможность регулирования ее в широких пределах за счет изменения подводимой к испарителю мощности; – возможность получения при высоком вакууме покрытий, практически свободных от загрязнений; их чистота определяется чистотой используемого для напыления материала; – равномерность получаемых покрытий; – свободная диффузия атомов вещества испарителя в рабочей камере, прямолинейное их движение без столкновения с остаточными молекулами компонентов воздуха и бесполезного рассеивания материала в объеме камеры, исключение химического взаимодействия напыляемого вещества с остатками воздуха. СПИСОКИСПОЛЬЗОВАННЫХИСТОЧНИКОВ
[1]Технологияинтегральнойэлектроники:учебноепособиеподисциплине“Конструированиеитехнологияизделийинтегральнойэлектроники”длястудентовспециальностей“ПроектированиеипроизводствоРЭС”,”Электронно-оптическиесистемыитехнологии”/Л.П.Ануфриев,С.В.Бордусов,Л.И.Гурский[идр.];/Подобщ.ред.А.П.ДостанкоиЛ.И.Гурского.–Минск:“Интегралполиграф”,2009г. [2]Signgallery[Электронныйресурс].–Электронныеданные.–Режимдоступа:http://www.signgallery.ru/. [3]БлейкморДж.Физикатвердоготела.Мир,1988.РезИ.О.ПоплавкеЮ.М.Диэлектрики.Основныесвойстваиприменениевэлектронике.-М.:Радиоисвязи,1989. [4]Электронная версия журнала «Промышленные нанотехнологии”[Электронныйресурс].–Электронныеданные.–Режимдоступа:http://www.nanoindustry.su/.
