Плазмове труєння і нанесення матеріалів

Основою даних процесів, є використання низькотемпературної газової плазми низького тиску як джерело частинок для обробки матеріалів.

Плазма - електрично квазінейтральна система, в якій негативно зарядженими частинками є в основному електрони, позитивно зарядженими - іони газу. Ступінь іонізації газу (відношення щільності заряджених я сумарній щільності нейтральних і заряджених частинок) коливається в широких межах від 10-7 до 10-1. Електрони володіють високою середньою енергією з Ес=2*10-19 -2* 10-18 Дж (1- 12 эВ), відповідній температурі Т=104-105 До, при цьому їх щільність досягає значень 109-1012см -3. Атомні і молекулярні частинки мають теплові енергії, відповідні температурі Т < 600 До, а їх щільність досягає значень 1012-1012 см-3 при тиску Р=10-2-102 Па, характерних для плазми.

Розглянемо основні процеси плазмової обробки, а також сфери їх практичного застосування в приладобудуванні.

Плазмове труїть

Те, що труїть розпилюванням в плазмі - повсюдне або локальне видалення розпилюванням в плазмі інертних газів поверхневих шарів матеріалу з метою очищення його від забруднень або створення рельєфу на поверхні. Бомбардування іонами здійснюється при подачі на оброблюваний матеріал високого негативного електричного потенціалу, прискорюючого іони. Різновиди процесу визначаються технічними засобами. До них відносяться катодне розпилювання на постійному струмі провідних матеріалів і високочастотне розпилювання провідних і діелектричних матеріалів. Катодне розпилювання здійснюється в діодних, тріодних» тетродных системах при тиску газу 0,1 - 1 Па. У цих умовах відсутня спрямованість руху і моноенергетичність іонів і распыленных частинок. До 90 % распыленных частинок матеріалу відбивається назад на поверхню виробу в результаті зіткнень з атомами газу.

Високочастотне (ВЧ) розпилювання здійснюється подачею на оброблюваний матеріал змінного високочастотного електричного потенціалу. Високорухомі електрони плазми за час позитивного півперіоду потенціалу поступає на матеріал, що розпилюється, у великій кількості, чим іони за час негативного півперіоду, створюючи на нім негативний потенціал самозсуву, що прискорює позитивно заряджені іони, що здійснюють обробку. Електрони нейтралізують також позитивний заряд, що виникає на діелектриці при бомбардуванні іонами, що забезпечує умови для розпилювання д діелектрика. Тиск газу при ВЧ розпилюванні складає 5*10-2 -1 Па. Збільшення ефективності іонізації і зниження тиску досягається накладенням на область розряду магнітного поля. Основне практичне застосування того, що труїть розпилюванням в плазмі - очищення підроблений перед нанесенням на них плівкових покриттів.

Плазмохимічеськоє труїть (ПХТ) -удаление матеріалу з поверхні в хімічно активній плазмі. Плазма сформується з галогеноуглеродов, кисню, водню, їх сумішей і інших газів. Кисень і галогени - найбільш сильні окислювачі, водень -эффективный відновник. Радикали і іони цих газів здатні взаємодіяти практично зі всіма матеріалами. Необхідно, щоб енергетичні частинки реактивної плазми утворювали з оброблюваними матеріалами летючі з'єднання при достатньо нижчих температурах. Їх випаровування з поверхні і подальше відкачування забезпечує необхідне видалення оброблюваного матеріалу. Для того, що труїть кремнію і його з'єднань, металів і інших матеріалів використовують різні види хладонов (фреонів), а також СCl4,SiF4,XeF2, SF6,BCl3,NF3 і їх суміші з киснем, азотом і інертними газами. Освіта хімічно активної плазми здійснюється у ВЧ або СВЧ електричному розряді. Процес проводиться при тиску 10-1- 102 Па і дозволяє отримувати структури того, що труїть з розрідженням, приблизно рівним товщині шару, що витравляється. Відносно низька роздільна здатність процесу визначається дифузійним рухом частинок плазми до оброблюваної поверхні. Основне призначення того, що плазмохимического труїть - труїть елементів топології, очищення поверхні і видалення фоторезиста після операцій фотолітографії.

Різновидом ПХТ є те, що реактивне іонно-плазмове труїть, при якому беруть участь не тільки радикали, але і хімічно активні іони. До оброблюваного матеріалу прикладається негативний електричний потенціал, і процес здійснюється при тиску газу в межах 10-1 -100Па. Прискорення іонів полемо, а також нижчий тиск дозволяє забезпечити спрямованість руху іонів до підкладки, що гарантує відносно високий дозвіл процесу того, що труїть.

Устаткування для плазмохимической обробки ділиться на два основні види. Перший - об'ємні системи; другою - планарные системи, в яких оброблювана підкладка розміщується на катоді і те, що труїть стимулюється іонним бомбардуванням. На рис.7.3 представлені схеми установок ИХТ. Об'ємні системи ПХТ використовується в основному для зняття фоторезистивной маски після виконання нею своїх функцій при тому, що труїть малюнків в плівках матеріалів» Таке устаткування, як правило забезпечує групову обробку підкладок, оскільки не вимагається прецизионности обробки. Розряд запалюється в реакторі при подачі ВЧ напруга на обкладання конденсатора або індуктора, що охоплюють реактор. Основна проблема в цьому случав полягає в забезпеченні рівномірності того, що труїть і зниження теплових навантажень на підкладки, що досягається розподілом разу, що подається в реактор, попереднім змішуванням газів для отримання необхідної суміші, введенням перфорованого металевого циліндра для обмеження зони розміщення підкладок і їх температури.

Процес того, що реактивного іонно-плазмового труїть здійснюється в умовах, коли на оброблюваних підкладках в умовах ВЧ розряду створюється негативний щодо плазми електричний потенціал, відбираючий і прискорюючий іони з плазми по напрями до підкладки. Існує ‘два шляхи створення потенціалу на підкладці у ВЧ розряді. Один - розміщення підкладки на електроді, площа якого багато менше площі поверхні навколишніх заземлених стінок реактора. Коли ВЧ напруга прикладається до електроду, постійний зсув, рівний приблизно половині пікової напруги, створюється між підкладками і плазмою. В той же час зсув між плазмою і стінками камери не перевищує декілька вольт.

Мал. 7.3. Схеми пристроїв того, що плазмохимического труїть матеріалів:

а- об'ємна система ПХТ, б- планарная система із завантаженим анодом, в- планарная система із завантажуваним катодом, г- система з додатковим магнетронным розрядом:

1- електроду збудження, 2- підкладки, 3- перфорований екран, 4- катода, 5- анода, 6- постійні магніти, 7- скануюче устройчство.

Зсув на підкладці може досягати 200-500 В. Другой шлях - підкладку розміщують на заземленому утримувачі і збільшують потенціал плазми щодо землі утримуванням її між двома близько розташованими електродам. В цьому випадку потенціал плазми щодо землі може досягати декількох сотень вольт. Використання додатково організованого магнетронного розряду в охрещених електричному і магнітному полях дозволяє значно збільшити ступінь іонізації газу в системах ВЧ реактивного іонно-плазмового труїть і понизити енергію іонів, бомбардуючих підкладку (див. мал. 7.3 г). В цьому випадку на катод з оброблюваними підкладками подається ВЧ потенціал і запалюється звичайний ВЧ розряд. Система постійних самарий-кобальтовых магнітів, розташована під катодом, забезпечує формування поблизу поверхні катода плазмової петлі, в якій досягається висока щільність іонів. Механічним скануванням магнітної системи забезпечується переміщення «плазмової петлі» уздовж катода. В результаті досягаються високі швидкості того, що труїть при допустимому по потужності, що виділяється, режимі для фоторезистов. Установки для плазмохимической обробки, як правило, автоматизовані. У них контролюється і регулюється; склад реактивного газу; швидкість подачі його в робочий об'єм; величина ВЧ або СВЧ потужності, що вкладається в розряд тиск газу; а також величина протравлення плівок і ін.

Устаткування того, що плазмового труїть ділиться на два основні типи: групової і поштучної обробки підкладок. Установки групової обробки - установки періодичної дії, а шлюзові - напівбезперервної і безперервної дії.

На установках періодичної дії більше частину технологічного циклу складають підготовчі операції: відкачування, нагріваючи, охолоджування і т.п., при цьому важко створити вакуумні умови, що повторюються, що викликає значний брак готових виробів.

Використання шлюзового завантаження партій підкладок виключає вищеперелічені недоліки. Великим недоліком установок групової обробки є неможливість контролю обробки кожної підкладки в партії, що знижує якість обробки.

Намічається тенденція в розробці установок безперервної дії про поштучною обробкою, при якій кожна підкладка послідовно передається із спеціальної касети через шлюз у вакуумну робочу камеру і знов через шлюз в іншу касету. Процес повністю автоматизується, виключаючи участь оператора.

Плазмове нанесення

Плазмове нанесення включає процеси створення покриттів - плівок у вакуумі на виробах, в яких необхідний для отримання покриттів матеріал переводиться з твердий в газову фазу розпилюванням мішені енергетичними іонами. Распыленные частинки, осідаючи на поверхні виробу, формують плівку матеріалу. Нанесення матеріалів є комплексним процесом і має наступні різновиди: іонно-плазмове, геттерное, реактивне іонно-плазмове нанесення і іонне осадження. У цих різновидах основними відмінностями є вид використовуваного робочого газу і умови осадження плівок на вироби.

Плазмові нанесення у вакуумі у ряді випадків рівноцінно або перевершує традиційний метод вакуумного напилення, в якому необхідний доячи отримання плівки матеріал переводиться в газову фазу випаровуванням його з резистивного нагревателя або електронно-променевим методом.

Іонно-плазмове нанесение- отримання плівкових покриттів розпилюванням в плазмі інертних газів матеріалу мішені при подачі на неї негативного електричного потенціалу. Різновиди іонно-плазмового нанесення відрізняються технічними засобами, що забезпечують створення плазми і бомбардування мішені, що розпилюється: катодне розпилювання, ВЧ розпилювання, магнетронное розпилювання те, що «Замагнічує» електронів в охрещених електричному і магнітному полях в умовах магнетронного розряду збільшує вірогідність їх зіткнення з атомами і ефективність іонізації газу, отже, збільшується ефективність розпилювання мішені інтенсивними потоками іонів. Тиск газу в процесах іонно-плазмового нанесення складає 5* 102-101 Па. Висока енергія распыленных частинок забезпечує отримання щільних з хорошою адгезією плівок багатокомпонентних матеріалі?, сплавів і з'єднань без зміни їх стереометричного складу. Плівки отримує практично будь-яких матеріалів: металів, напівпровідників і діелектриків. Схеми установок іонно-плазмового нанесення матеріалів представлені на мал. 7.4.

Реактивне іонно-плазмове нанесение- отримання складних по складу плівкових покриттів розпилюванням мішені в плазмі, активний (реактивний) газ, що містить хімічно. Плівки формуються в результаті хімічної взаємодії распыленного матеріалу і реактивного газу в основному на поверхні підкладки і частково на поверхні мішені, що розпилюється. Як реактивний газ використовує для отримання плівок карбідом металів метан, оксидів - кисень, нитридов - азот, селенидов - парк селену і т.п. Заміною реактивного газу і регулюванням його парціального тиску можна змінювати компонентний склад отримуваних плівок.

Швидкості плазмового нанесення матеріалів, загалом, нижче чим швидкості вакуумного напилення. Цей недолік методу поступово долається. При магнетронном розпилюванні досягнуті порівнянні швидкості нанесення. Проте із-за необхідності підтримки вищого тиску газу кількість забруднень в плівках при плазмовому нанесенні більше, ніж при вакуумному напиленні. Для зменшення забруднення плівок залишковими газами при плазмовому нанесенні застосовують різні прийоми. Один з них -геттерное розпилювання( що дозволяє понизити тиск залишкових газів в області осадження плівки на підкладку, тут розпилюється значно більша кількість матеріалу, чим потрібний для отримання потрібної товщини плівки, яке осідає на велику площу поверхні вакуумної камери. Активні складові залишкових і забруднюючих газів (О2, Н2, СН4, СН2 і ін. зв'язуються в геттерирующей плівці распыленного матеріалу до тозі, як досягнуть підкладки. Реакція між распыленной плівкою і активами молекулами газу приводить до очищення середовища нанесення.

Пристрій такого розпилювання (див. мал. 7.4 г) має спарений катод і робочу камеру, розділену на два об'єми. Газ, що поступає в перший об'єм, очищається від домішок в розряді в результаті захоплення їх геттерирующей плівкою, після чого він подається в об'єм, де наносяться плівки на підкладку» Даний процес дозволяє отримувати плівки; малим)чиолем атомів забруднюючих домішок в умовах відносного низького вакууму (Р = 10-2 Па.). Даним способом були отримані надпровідні плівки Nb, Ta, V3Si, V3 Ge, V3 Ga в звичайних вакуумних умовах.