4.4.3. Диагностика плазмы

Задачей диагностики плазмы является определение основных ее параметров, а именно концентрации заряженных и нейтральных частиц и энергетических распределений электронов и ионов. Если максвеловское распределение для скоростей электронов и ионов выполняется, то для такой плазмы применимо понятие температуры. В неравновесной плазме электронная и ионная температуры могут иметь различные значения. С увеличением давления в плазме увеличивается частота столкновений и состояние плазмы приближается к равновесному.

Задача диагностики неравновесной плазмы заключается прежде всего в определении функции распределения частиц по энергиях. Если она максвелловская, то определяется температура для всех видов частиц, а также концентрация заряженных и нейтральных частиц.

Среди разных методов диагностики плазмы найбольшее распространение получили: а) спектроскопические методы; б) метод СВЧ-диагностики (просвечивание объема плазмы радиоволнами); в) метод зондов Ленгмюра

Раздел 5.Методы формирования пленочных покрытий.

5.1.Термическое нанесение

Сущность термического нанесения заключается в том, что исходный материал (из которого требуется сформировать пленку) нагревают в высоком вакууме до температуры, близкой, но ниже температуры кипения, при которой достигается интенсивное испарение материала. Образованный паровой поток конденсируется на поверхности подложки. Нагрев исходного материала обычно проводят в тиглях (лодочках или испарителях), сделанных из тугоплавких металлов или их соединений. В зависимости от того, каким способом осуществляется нагрев, термическое нанесение делят на резистивное, индукционное, электронно-лучевое и лазерное. При резистивном нанесении используется джоулев нагрев путем пропускания тока через тигель, при индукционном – путем помещения тигля в ВЧ индуктор, при электронно-лучевом и лазерном – путем нагрева поверхности исходного материала сфокусированным электронным и лазерным лучом соответственно.

Термическое нанесение используется для формирования пленок Al и его сплавов, оксида Al, а также поликремния, благородных и некоторых тугоплавких металлов. Преимуществом термического нанесения является стерильность процесса, позволяющая при наличии высокого или сверхвысокого вакуума получать пленки, практически свободные от загрязнений.

5.2. Химическое осаждение из парогазовой фазы

В такой технологии поток осаждаемых на подложку частиц образуется в результате химических реакций в парах жидкости (газе) или их смеси, протекающих при высокой температуре (400 – 1400)C над поверхностью подложки. Условия протекания реакции (температура подложки и газа, тип газа или состав смеси, давление, расход газа и т. д.) подбираются таким образом, что продукты реакции за исключением осаждаемых частиц не адсорбируются на подложке и откачиваются из реакционной камеры. Нахождение подложки в потоке реагирующего газа при таких относительно высоких давлениях (до 10⁵ – 10⁷ Па) предопределяет основное преимущество технологии химического осаждения – комфорность покрытия (т. е. воспроизводимость рельефа поверхности). В этом случае при наличии на поверхности ступенек или канавок толщина пленки практически одинакова как на вертикальных, так и на горизонтальных участках. Основной недостаток технологии химического осаждения – необходимость высокотемпературного нагрева пластин. Высокая температура, необходимая для реализации химических реакций, не позволяет проводить осаждение пленок на ранее осажденные слои или пленочные структуры, если последние могут расплавиться, вступить в химическую реакцию или диффундировать в осаждаемую пленку. Например, невозможно осаждать пленку Si₃N₄ на Al. Значительное перераспределение легирующей примеси вблизи границы раздела пленки с подложкой под действием высокой температуры ограничивает минимальную толщину и электропроводность слаболегированных пленок в том случае, когда последние осаждаются на подложки в сильнолегированной приповерхностной области.

Наиболее часто химическое осаждение из парогазовой фазы используется для нанесения пленок поликремния, нитрида и двуокиси кремния, W, Mo, Ta, Ti и ФСС. Поликремний осаждают путем пиролиза силана при температуре 600 – 650 C в реакторах, работающих при пониженном давлении 20 – 130 Па. Скорость осаждения лежит в интервале 10 – 20 нм/мин. Протекающая при этом химическая реакция в обобщенном виде выглядит следующим образом:

SiH₄  Si + 2H₂.

Поликремний может быть легирован путем введения легирующих добавок в газовую смесь в ходе осаждения, например PH₃. Пленки двуокиси кремния, осаждаемые при низких температурах (ниже 500 C), формируются за счет реакций между силаном, легирующими добавками и кислородом. Химические реакции при формировании легированных фосфором пленок окисла можно записать в виде:

SiH₄ + O₂  SiO₂ + 2H₂, 4PH₂ + 5O₂  2P₂O₅ + 6H₂.

Двуокись кремния можно осаждать при температуре 900 C при пониженном давлении путем реакции дихлорсилана с закисью азота:

SiCl₂H₂ + 2N₂O  SiO₂ + 2N₂ + 2HCl.

Этот процесс, обеспечивающий хорошую однородность пленок, используется для осаждения изолирующих слоев на поликремний. Однако такие окислы часто содержат небольшое количество хлора, который может реагировать с поликремнием.

Химическое осаждение нитрида кремния осуществляют за счет реакции между силаном и аммиаком при атмосферном давлении и температуре 700 – 900 C или за счет реакции дихлорсилана с аммиаком при пониженном давлении и температуре 700–800 C. Происходящие при этом реакции можно записать в виде:

3SiH₄ + 4NH₃  Si₃N₄ + 12H₂, 3SiCl₂H₂ + 4 NH₃  Si₃N₄ + 6 HCl + 6H₂.

Химическое осаждение пленок металлов основано на использовании реакций восстановления при температурах 500–800 C:

WF₆ + 3H₂  W + 6HF, 2MoCl₅ + 5H₂  2Mo + 10HCl,

2TaCl₅ + 5H₂  2Ta + 10HCl.