KAUNO TECHNOLOGIJOS UNIVERSITETAS

Fizikos katedras

Ž. Rutkūnienė, A. Grigonis

PLAZMINIAI IR PLAZMOCHEMINIAI PROCESAI

Laboratoriniai darbai

KAUNAS 2002

TURINYS Įvadas…………………………………………………………………………………… 3

1. Dujų plazma. Plazmos klasifikacija……………………………………………... 4 2. Plazmos dalelių sąveika…………………………………………………………... 5 3. Plazminio ir plazmocheminio ėsdinimo sistemos……………………………….. 8

LABORATORINIS DARBAS NR.1 Joninis medžiagų ėsdinimas………………… 16

Darbo tikslas…………………………………………………………………………. 16 Teorinė dalis………………………………………………………………………….. 16

1.Greitų dalelių sąveika su medžiaga……………………………………………….. 16 2.Dulkėjimo mechanizmas. Dulkėjimo koeficientas……………………………….. 17 3.Faktoriai įtakojantys dulkinimo koeficientui……………………………………... 20 4. Eksperimentinis dulkėjimo koeficiento nustatymas……………………………… 21

Joninio ėsdinimo įrenginys…………………………………………………………. 23 Matavimo metodika…………………………………………………………………. 24 Darbo eiga……………………………………………………………………………. 25 Rezultatų analizė…………………………………………………………………….. 28

LABORATORINIS DARBAS NR.2 Reaktyvusis joninis ėsdinimas……………… 29

Darbo tikslas…………………………………………………………………………. 29 Teorinė dalis………………………………………………………………………….. 29

1. Aktyvios terpės formavimas……………………………………………………… 29 2.Ėsdinimo kinetika ir termodinamika……………………………………………… 31 3. Joninės apšvitos įtaka ėsdinimui…………………………………………………. 33 4. Inhibitorių susidarymas…………………………………………………………... 36 5. Mikrostruktūrų formavimas……………………………………………………… 39

5.1 Ėsdinimo selektyvumas……………..……………………………………….. 39 5.2 Anizotropinis ėsdinimas………………….………………………………….. 40

Aparatūra ir darbo metodas………………………………………………………... 43 Darbo eiga……………………………………………………………………………. 44 Rezultatų analizė…………………………………………………………………….. 47

LABORATORINIS DARBAS NR.3 Plazminis oksidinimas………………………. 48

Darbo tikslas………………………………………………………………………… 48 Teorinė dalis………………………………………………………………………….. 48 Matavimo metodika…………………………………………………………………. 53 Darbo eiga……………………………………………………………………………. 55 Rezultatų analizė…………………………………………………………………….. 55

PRIEDAS……………………………………………………………………..………… 56 Naudota literatūra………………………………………….…………………………. 59

3

Įvadas

Mikroelektronikos, mikrooptikos, mikromechanikos prietaisų gamybos

technologijose plačiai naudojamas ėsdinimas. Jo dėka reziste suformuotas piešinys

perkeliamas į puslaidininkinės struktūros sluoksnius. Kuo mažesni formuojamų

struktūrų matmenis, tuo griežtesni reikalavimai keliami ėsdinimui. Mikroninių ir

submikroninių struktūrų formavimui tinka tik „sausas“ t.y. plazminis ėsdinimas.

Priklausomai nuo ėsdinimo mechanizmo ir plazmos gavimo būdo skiriame keletą

ėsdinimo būdų.

Terminas “plazminis ėsdinimas” taikomas bet kokiam ėsdinimui, vykstančiam

panaudojant plazmą, “plazmocheminiu ėsdinimu"”suprantame procesą, kai bent vienas

iš reakcijoje dalyvaujančių komponentų yra plazmos būklėje. Taigi, priklausomai nuo

plazmos sudėties galime realizuoti fizinius, cheminius ir mišrius procesus. Jei ėsdinimas

pagrįstas fiziniu medžiagos atomų nudulkinimu (sputtering) jį vadiname joniniu

ėsdinimu (JE) (IBM – ion beam milling). Praktiškai JE tinka visų medžiagų apdirbimui.

Plazmocheminis (PCh) (PE – plasma etching) bei reaktyvusis joninis (RJE) (RIE –

reactive ion etching) ar reaktyvusis joninis pluoštelinis (RJPE) (RIBE – reactive ion

beam etching) ėsdinimai tinka apdirbti medžiagas, kurios su krintančiais jonais ar

radikalais sudaro lakius junginius. RJE bei RJPE metu be cheminių reakcijų vyksta ir

joninis bombardavimas (JB) tik fizinio ėsdinimo greitis yra žymiai mažesnis nei

cheminis ėsdinimo. JB gali žymiai pakeisti cheminių procesų kinetiką juos

aktyvuodamas – gauname jonais aktyvuotą cheminį ėsdinimą (JAChĖ)– (IARE – ion

assisted reactive etching). Šiam ėsdinimui būdingas “sinergetinis efektas” – kai

vienalaikio poveikio ėsdinimo greitis yra žymiai didesnis už atskirų (joninio ir

cheminio) ėsdinimo greičių sumą.

“Sausi” ėsdinimo procesai įgalino išspręsti daugelį problemų su kuriomis susiduria

taip vadinamos aukštosios technologijos(haigth technology): leido atsisakyti brangių

cheminių reagentų, sumažino aplinkos taršą skystomis cheminėmis medžiagomis. Nors

aktyvių dujų plazmoje su medžiaga sąveikauja tos pačios dalelės kaip ir naudojant

skystas chemines medžiagas, tačiau, procesus atliekant uždarame tūryje, vakuume (p =

1330 – 0,0133 Pa), žymiai pagerėja technologinio personalo darbo sąlygos. Valdydami

elektringas daleles elektriniais ir magnetiniais laukais, galime lokalizuoti jų poveikį

bandiniui ir esminiai keisti ėsdinimo selektyvumą ir anizotropiškumą.

4

Procesai dujų plazmoje

1. Dujų plazma. Plazmos klasifikacija

Kiekvienas kūnas aukštoje temperatūroje pereina į dujų būseną. Toliau keliant

temperatūrą dujų atomai intensyviai jonizuojami. Jonizacijos laipsnį parodo jonizuotų

atomų santykis su visais tūrio vienete esančiais atomais. Kai dujų temperatūra labai

aukšta, dėl jonizacijos gautų elektronų ir teigiamų jonų energija yra tokia didelė, kad jie

nerekombinuoja – visa medžiaga yra jonizuota. Pilnai arba dalinai jonizuotos dujos

vadinamos plazma. Tai neutrali (kvazineutrali) dujų būsena, kurioje laisvųjų krūvininkų

koncentracija yra tokia didelė, kad Debajaus ekranavimo nuotolis yra daug mažesnis už

plazmos matmenis.

Plazma sąlyginai skirstoma į aukštosios temperatūros (T>105K) ir žemosios

(T<105K) temperatūros plazmą. Aukštosios temperatūros plazmą gaunama Saulėje ir

žvaigždėse, o Žemės sąlygomis vykstant branduolių dalijimosi ir sintezės reakcijoms.

Žemosios temperatūros plazma gaunama vykstant lankiniam išlydžiui ir plačiai taikoma

dujinių ir kietųjų produktų gamyboje(plazminė medžiagų metalurgija). Kietųjų kūnų

apdirbimo technologijoje taikoma žėrinčio išlydžio plazma dar vadinama “šaltąja”, nes

jos sunkiųjų dalelių (jonų, atomų, molekulių) temperatūra yra artima aplinkos

temperatūrai. Svarbiausi jos skiriamieji bruožai: žemas slėgių diapazonas ir nedidelis

jonizacijos laipsnis (elektronų koncentracija ne = 109 – 1013 cm-3 , o molekulių

koncentracija prie 133Pa yra apie 1016 cm-3). Dujas paversti plazma galima ne tik

kaitinant, bet ir veikiant trumpabangiais elektromagnetiniais spinduliais (fotojonizacija),

bombarduojant didelės energijos dalelėmis, veikiant elektromagnetiniu lauku.

Pastaruoju būdu ir gaunama “šaltoji plazma”. Jei darbinė medžiaga, sudėtingos dujos,

tai tokioje plazmoje rasime neutralias molekules, atomus ir radikalus, jonus bei

elektronus.

Jei plazmos dalelės yra termodinaminėje pusiausvyroje, jų šiluminio judėjimo

vidutinė kinetinė energija, taigi ir temperatūra, yra vienoda. Tokią plazmą vadiname

izotermine. Dujų išlydžio plazmoje elektringas daleles veikia elektrinis laukas.

Elektronų judris yra dešimtis kartų didesnis negu jonų ir todėl elektronai elektriniame

lauke įgyja daug daugiau energijos negu jonai. Elektronams tampriai sąveikaujant su

sunkiomis plazmos dalelėmis didėja jų chaotinio judėjimo energija, taigi ir ją atitinkanti

5

temperatūra Te. Ji siekia 104-105 K ir žymiai viršija jonų temperatūrą Tj (jei plazmoje

bus kelių rūšių jonai jų temperatūros skirsis ) ir neutralų (atomų, radikalų) temperatūrą

Ta, kurios artimos aplinkos temperatūrai. Tokia plazma – neizoterminė ir

termodinaminiu požiūriu ji yra nepusiausvyra.

2. Plazmos dalelių sąveika

Išlydis dujose prasideda elektrinio lauko stipriui pasiekus tam tikrą vertę. Proceso

pradžiai būtinas pirminis elektronas, gaunamas dėl fotojonizacijos ar elektrinio lauko

sukeltos emisijos. Plazmos daleles sąlyginai galima suskirstyti į judančias

(elektringosios) ir stovinčias (neutraliosios). Elektrinio lauko įgreitinta elektringoji

dalelė nuolat susiduria su neutraliosiomis. Smūgio metu ji perduoda savo kinetinę

energiją atomams, molekulėms ar radikalams ir gali padidinti jų kinetinę ar vidinę

energiją. Susidūrimas, kuriam tinka mechaninis energijos ir impulso tvermės dėsniai

vadinamas tampriuoju. Šio susidūrimo metu bendra sąveikaujančių dalelių sistemos

kinetinė energija nepakinta, ji tik persiskirsto tarp dalelių. Sakykime, greičiu v1 judanti

masės m1 dalelė susiduria su nejudančia masės m2 dalele. Tampraus centrinio smūgio

metu pirmoji dalelė perduos antrajai energijos kiekį:

( ) 1221

214 WmmmmW

+=∆ ; (1)

kur 2

211

1vmW = .

Įgreitintas jonas tuo efektingiau perduos savo energiją neutraliam atomui, kuo

artimesnės jų masės Iš (1) matome: kai jonas (m1= mj) sąveikauja su atomu (m2= ma) ir

m1=m2 , tuomet ∆W ≈ W1. Vadinasi, aukšto ir vidutinio slėgio (dešimtys ir daugiau Pa)

plazmoje neutralios dalelės stabdys jonus ir pastarieji neįgys energijos, reikalingos

molekulių disociacijai, atomų sužadinimui ar jonizacijai. Tokioje plazmoje jonų,

laisvųjų radikalų, atomų ir dujų molekulių energija bus vienoda. Kitaip bus elektronams

((m1= me) susiduriant su atomais. Kadangi me << ma, tuomet iš (1.) lygybės gausime:

14 WmmW

a

e=∆ (2)

Taigi elektronas, tampraus susidūrimo metu, praranda tik ~10-5 energijos dalį. Be to

jo laisvasis kelias žymiai ilgesnis negu jono, vadinasi, dėl tarpelektrodinėje erdvėje

veikiančio elektrinio lauko jis gali įgyti dideles energijas. Tačiau, pažymėtina, kad

6

žėrinčio išlydžio plazmoje taikinį bombarduojančių jonų energija, taigi ir temperatūra,

bus žymiai didesnė nei teigiamame plazmos stulpe esančių jonų ar elektronų

temperatūra, nes bombarduojantis jonai įgyja papildomos energijos, kai juos greitina

erdvinio krūvio srities elektrinis laukas. (1 pav.).

1 pav. Dalelių tankiai ir energijos azoto žemo slėgio žėrinčio išlydžio plazmoje /1/

Elektronų temperatūra Te paprastai būna daug mažesnė nei disociacijos (Edis) ar

jonizacijos energija (Ejon), tačiau elektronai sukelia šiuos procesus dėl jų pasiskirstymo

pagal energijas funkcijos eigos (2 pav.).

2 pav. Elektronų pasiskirstymo pagal energijas funkcija silpnai jonizuotose azoto dujose /1/.

Iš 2 pav. matome, kad elektronai, kurių Ee ≥ Edis ar Ee ≥ Ejon , yra pasiskirstymo

funkcijos uodegoje, todėl daugiau elektronų gali vykdyti disociaciją nei jonizaciją. Taigi

plazmose aktyvių radikalų bus daugiau nei jonų. Nors elektronų persiskirstymo pagal

energijas funkcija g(E)dE panaši į Maksvelo (Maxwell), bet ji nėra tokia. Elektronų

Edis Ej E Te/2

ge (E)

Bombarduojantys jonai

Plazmos elektronai

N2 dujos

N radikalai

Plazmos jonai

10-2 1 102

1010

1014

Temperatūra ar energija (eV)

Tank

umas

(cm

3 )

7

temperatūra pasiskirstymo funkcijos uodegoje gali būti žemesnė ar aukštesnė nei

Maksvelo pasiskirstymo atveju.

Jei bombarduojančios dalelės kinetinės energijos pakanka bombarduojamai dalelei

sužadinti ar jonizuoti, vyksta netamprus dalelių susidūrimas. Netampraus smūgio metu

pakinta ir dalelės vidinė energija. Skiriami du netamprių smūgių tipai. Pirmajam tipui

būdinga tai, kad susidaužiančių dalelių kinetinė energija dalinai virsta į kitą rūšį ir

papildo vienos arba abiejų dalelių vidinę energiją. Antrajam smūgių tipui būdingas

vidinis energijos sumažėjimas (vienai ar net abiem dalelėms) virstant jai kinetine

energija. Tokių smūgių metu vyksta stabilizacijos, rekombinacijos bei molizacijos

procesai.

Panagrinėsime pirmojo tipo smūgius, sukeliančius disociaciją, sužadinimą ar

jonizaciją. Sąveikaujant jonui su atomu, sąveikos laikas žymiai didesnis už elektrono –

atomo sąveikos laiką ir abiejų dalelių kvantinė būsena įgyja daugybę reikšmių, o

energija perduodama abiem kryptimis. Galutinis rezultatas priklauso nuo paskutinės

sąveikos fazės kai dalelės po susidūrimo tolsta viena nuo kitos. Kaip minėjome, šie

smūgiai dažniausiai būna tamprūs. Jei elektrono kinetinė energija artima jono kinetinei

energijai, tai jo greitis žymiai didesnis už jono greitį (ve >>vj). Dėl mažos elektrono

masės ir didelio jo greičio elektrono sąveikos su atomu trukmė yra labai maža,

elektronas greitai atomo atbloškiamas atgal ir energija perduodama viena kryptimi –

elektronas ją perduoda atomui, t.y. vyksta pirmo tipo netamprus smūgis.

Įvykus masės m1 dalelės centriniam netampriam susidūrimui su nejudančia

masės m2 dalele, susidūrusių dalelių vidinė energija U gali padidėti dydžiu:

121

2 Wmm

mWU+

=∆= (3)

Pavyzdžiui elektronui (m1 = me) netampriai susidūrus su atomu (molekule,

radikalu) ∆W = W1, o jei atomas (m1 = ma) atsimuš į stovintį elektroną ∆W ≈ 0, kai

jonas susidurs su atomu tuomet ∆W ≈ ½ W1. Kada ∆W≥Ej (Ej- jonizacijos energija)

vyks atomų, molekulių ar radikalų jonizacija, jei ∆W =ES-E0 (kur ES ir E0 - sužadinto ir

normalaus atomo energijos atitinkamai) dalelė bus sužadinta ir grįždama į normalų būvį

išspinduliuos energijos kvantą. Jei šio kvanto dažnis bus matomos šviesos diapazone-

dujos ims švytėti.

Netamprių smūgių metu, kinetinė judančios dalelės (ypač elektrono) energija gali

pakeisti ne tik atomo energetinę būseną, bet ir molekulės vibracinės bei rotacinės

energijos būsenas. Žinome, kad bendroji molekulės energija

8

W = Wslenk. + Wrot + Wvibr. + Welektr. (4)

Trys paskutinės energijos yra kvantuotos. Welektr. susijusi su jau aptartais atomų

sužadinimu ir jonizacija, Wrot ir Wvibr su molekulės sukimosi bei atomų vibracijos

molekulėje energijomis. Energijos absorbcija vyks tuomet kai perduodamos energijos

kiekis ∆W ≥ ∆Wrib, tai yra lygus ar didesnis už minimalų energijos kiekį, kurį

absorbavęs atomas ar molekulė pereina iš normalaus į sužadintą būvį. Nesužadintų

molekulių disociacijos tikimybė maža, net jei susiduriančių dalelių slenkamojo judėjimo

energija yra tos pačios eilės kaip ir atomų ryšio energija molekulėje. Disociaciją

stimuliuos tie fiziniai procesai, kurių charakteringieji (relaksacijos) laikai τ artimi

cheminių procesų laikams. Molekulių disociacijos trukmė τdisoc. ~ 10-7s, jai artimiausia –

vibracinio sužadinimo trukmė (τvibr.. ~ 10-7s), vadinasi pagrindinį vaidmenį molekulės

disociacijoje lemia vibracinio svyravimo sužadinimas. Todėl net kai Wslenk. maža, bet

molekulės Wvibr.- didelė (molekulė stipriai sužadinta) ji disocijuos, tuo tarpu elektroninis

(τelektr. ~ 10-8s) ar rotacinis (τrot. ~ 10-9s) sužadinimai molekulių disociacijai neįtakos.

Plazmocheminio ėsdinimo reakcijose dalyvauja atomai. Žinodami konkrečios

molekulės vibracinės energijos spektrą, galime prognozuoti kokios turi būti sąlygos

(slėgis, elektrinio lauko stiprumas ir lauko dažnis), kad elektringos dalelės vykdytų

molekulių bei sudėtingų radikalų disociaciją ir sukurtų chemiškai aktyvius agentus.

Pabrėžtina, kad (1 – 3) lygtys parodo didžiausią susidūrime perduodamos energijos

vertę, realiai ji būna mažesnė, nes smūgiai dažniausiai būna ne centriniai.

3. Plazminio ir plazmocheminio ėsdinimo sistemos

Ėsdinimui keliamus reikalavimus pasiekiame naudodami įvairias sistemas,

įgalinančias gauti platų išlydžio galių, plazmos dalelių koncentracijų ir energijų spektrą.

Bendriausiais išlydį apibūdinančiais parametrais laikoma: išlydžio galia, galios tankis

(galia tenkanti bandinio paviršiaus ploto vienetui), jonų energija, jonų srovės tankis,

slėgis darbinėje kameroje (jam proporcingas radikalų tankis), elektromagnetinio lauko

dažnis.

Matėme, kad elektronus pagreitinus elektriniu lauku, jie gali jonizuoti bei

sužadinti dujų atomus. Jonizacijos metu atsiras antriniai elektronai, kurie taip pat bus

greitinami elektrinio lauko. Kai dujų slėgis p > 1Pa (tiksli reikšmė priklauso nuo

atstumo tarp elektrodų ir dujų rūšies), gausime žėrinčio išlydžio plazmą. Kol slėgis p <

9

103 Pa, plazma tarpelektrodinėje erdvėje yra pasiskirsčiusi tolygiai. Slėgiui didėjant ji

lokalizuojasi mažesnėje erdvėje. Žėrinčio išlydžio plazma yra pagrindinis, plazminius

procesus naudojančių technologijų, aktyvių radikalų ir elektringų dalelių šaltinis,

kuriame dujas veikiančio elektrinio lauko energija virsta į aktyvuotų dujų dalelių (jonų,

atomų, laisvųjų radikalų) energiją. Šios dalelės fizikinės ar cheminės sąveikos su kietojo

kūno paviršium metu ir vykdo ėsdinimą.

Pagal plazmos gavimo būdą vakuumines sistemas skirstome: statinės t.y.

pastovios srovės(PS) (DC – direct current), aukšto (dažniausiai 13,56 MHz) dažnio

(AD) (RF – radio frequence), ir didelio krūvininkų tankio(DKT) labai aukšto dažnio

(2,45GHz) sistemas (high density plasma – HDP).

Statinėse sistemose pavyzdėlis dedamas ant katodo (diodinė sistema) arba ant

zondo (triodinė sistema), kuriam plazmos atžvilgiu suteikiamas neigiamas priešįtampis.

Pastovios srovės žėrintis išlydis prasideda kai p≈4Pa, o įtampa keli šimtai voltų.

Naudojant kaitinamus katodus išlydis vyksta ir prie žemesnių slėgių. Jei išlydžio zoną

veikia išorinis magnetinis laukas, iškreivinantis elektronų trajektorijas, darbinį slėgį

galima sumažinti iki šimtųjų paskalio dalių. Visoms išlydžio rūšims(ne tik PS) esminės

yra šios savybės: 1)apie kiekvieną neigiamai įelektrintą elektrodą susidaro teigiamas

erdvinis krūvis. Jonų ir elektronų judrių skirtumas reiškia, kad apie kiekvieną į plazmą

įvestą paviršių susidarys „jonų debesėlis“; 2) „jonų debesėlis“ yra blogesnis laidininkas

nei tos plazmos vietos kur yra didelė elektronų koncentracija, taigi debesėlio srityje bus

didžiausias įtampos kritimas; 3) vidutinė elektronų energija didėja mažėjant slėgiui, o

tiksliau didėjant E/p santykiui(E-elektrinio lauko stipris, p-slėgis).

Statinės sistemos dažniausiai naudojamos JE. Pagrindinis jų privalumas –

paprastos, tinka ėsdinti visoms medžiagoms, išskyrus dielektrikus. Tačiau maži jonų

srovės tankiai (j ≤1 mA/cm2) ir nedidelės jonų energijos (iki 2 keV) duoda mažą

ėsdinimo greitį ir menką selektyvumą. Be to, esant dielektriko intarpams pastarieji

įsielektrina ir į juos vykstantys mikroišlydžiai gali suardyti bandinio paviršių, pakeisti

reljefą bei struktūrą.

Jei prie elektrodų prijungsime kintamą įtampą tai jų poliariškumas kis kas

kiekvieną pusę periodo. Jonai ir elektronai seks lauko kitimą ir gausime vaizdą identišką

PS išlydžiui, bet su kintamu poliariškumu. Pasiekus tam tikrą pridėtos įtampos dažnį,

jonams dar nespėjus palikti tarp elektrodinę erdvę, įtampos poliariškumas pasikeis. Dar

padidinus dažnį tas pats ištiks ir elektronus. Taigi jie ims svyruoti tarp elektrodinėje

erdvėje. Osciliacijų dažnis priklauso nuo elektronų judrio, atstumo tarp elektrodų ir

10

pridėtos įtampos amplitudės. Osciliacijų metu elektronai įgyja pakankamai energijos

dujų atomų jonizacijai ir tuo pačiu išlydis tampa savarankišku. Dėl osciliacijų padidėja

elektronų susidūrimo su neutraliomis dalelėmis tikimybė, o tai leidžia dirbti prie

žemesnių slėgių. Mažiausią plazmos uždegimo įtampą ir didžiausią jos laidumas

gausime tuomet, kai dujas veikiančio elektromagnetinio lauko ciklinis dažnis ω bus

lygus elektronų susidūrimo su dujų atomais dažniui υ. Pasinaudoję sąryšiu tarp υ ir

slėgio p gauname, kad prie υ=13,56MHz p=4,25Pa /2/.

AD sistemos yra indukcinės, talpuminės ir kombinuotos. Indukcinėje sistemoje

plačiame slėgių intervale (nuo keleto iki kelių šimtų Pa) plazmą sukuria AD

elektromagnetinis laukas. Tokiose sistemose bandinį veikia neutralios dalelės, radikalai,

elektronai, jonai ir AD energijos kvantai. Bandinys plazmos atžvilgiu turi “plaukiojantį”

potencialą, o jonų energija kinta nuo kelių iki kelių dešimčių eV. Į AD indukcinę (ar

talpuminę) sistemą įvedus įžemintą Faradėjaus cilindrą galima eliminuoti elektringų

dalelių poveikį bandiniams - vyksta tik cheminis ėsdinimas, nes pavyzdėlį veikia tik

radikalai ir hν kvantai.

a) b)

3 pav. AD talpuminės sistemos: a) simetrinė, b) asimetrinė. /4/

AD talpuminės sistemos gali veikti esant geresniam vakuumui (p ≈ 10 ÷ 10-1 Pa).

Priklausomai nuo AD generatoriaus prijungimo, talpuminė sistema gali būti simetrinė ir

asimetrinė (3 pav.). Simetrinėje sistemoje (3pav. a) pavyzdėlį pakaitomis bombarduoja

energingi elektronai ir jonai. Kai f ≥1 Mhz, jonai nespėja sekti AD įtampos, kitimo ir jų

11

4 pav. Charakteringieji AD sistemoje besiformuojantys potencialai.

Emax « eUmax (Umax - AD įtampos amplitudė), tuo tarpu elektronų energija (kol jie spėja

sekti elektromagnetinio lauko kitimą) lygi AD įtampos momentinei vertei,

Asimetrinėje sistemoje (3pav. b) judrūs elektronai neįžemintam elektrodui

suteikia neigiamą potencialą plazmos atžvilgiu. Jonų energiją apsprendžia elektriniai

potencialai, kuriuos įgyja įvairiose išlydžio vietose esantis paviršiai. Tris charakteringi

potencialai parodyti 4 pav. : Ut – AD elektrodo paviršiaus potencialas, Uf – elektriškai

nestabilaus paviršiaus(dielektrinės sienelės, neįžeminto bandinio ir tt.) potencialas, Up –

plazmos potencialas. Visi potencialai matuojami žemės atžvilgiu. Jonų debesėliuose

susidarę įtampos kritimai: Up-Ut – ant AD elektrodo; Up-Uf –ant elektriškai nestabilaus

paviršiaus; Up- ant įžeminto paviršiaus (5 pav.). Paviršiaus potencialas plazmos

5 pav. Jonų debesėliuose susidarę įtampos kritimai.

12

atžvilgiu apsprendžia maksimalią krintančių į paviršių jonų energiją. Įtampos kritimas

jonų debesėlyje priklauso nuo AD elektrodo paviršiaus ploto santykio su visu, plazmoje

esančiu, įžemintu paviršium. Taigi mažinant AD elektrodo paviršių didiname Up-Ut ir

mažiname įtampos kritimą ant įžeminto elektrodo joninio debesėlio.

AD talpuminėse sistemose vienu metu vyksta ir fiziniai, ir cheminiai procesai,

todėl šį ėsdinimą vadiname RJE. Kadangi, šiuo atveju, gana paprasta keislti jonų

energiją, talpuminės sistemos yra itin paplitusios. Pagrindiniai RJE trūkumai: bandiniai

ir elektrodai yra išlydžio kameroje, jonų srovė, energija ir slėgis darbinėje kameroje

tarpusavyje susieti.

7 pav. Jonų pluoštelinė sistema.

Jonų pluoštelių sistemose jonų gavimo ir ėsdinimo kameros atskirtos (6 pav).

Jonai ištraukiami iš plazmos generavimo kameros elektriniu lauku ir juo pagreitinami

nuo kelių šimtų elektronvoltų iki kelių kiloelektronvoltų energijų. Pluošteliai

suformuojami pakankamai didelių (kelių mA/cm2) srovės tankių. Priklausomai nuo

sistemos ypatybių čia galime vykdyti: joninį ėsdinimą, reaktyvų joninį pluoštelinį

ėsdinimą, arba jonais aktyvuotą cheminį ėsdinimą. Pirmu atveju bandinį veiks tik

neutralių dujų jonai, antru - reaktyvūs jonai, trečiu – aktyvūs radikalai ir, priklausomai

13

nuo plazmos sudėties, inertinių arba reaktyvių dujų jonai. Didžiausias šio metodo

trūkumas – pavienis bandinių apdirbimas.

Gana paplitę didelio jonizacijos laipsnio ir žemo slėgio plazmos šaltiniai,

kuriuose dujų jonizacija padidinama panaudojant išorinį magnetinį lauką. Šiems

įrenginiams būdinga mikrobangų energijos prijungimas prie plazmos ne per elektrodus,

kaip tai buvo daroma AD įrengimuose, o per dielektriko langą (7 pav a). Ne talpuminis

x

x ..

Mikro bangos

Multidipoliai

R F galia

Multidipoliai

R F antena

.

a) b)

Multidipoliai

R F generatorius

RFgeneratorius R F galia

Veikiamaspaviršius

c) d)

7 pav. Plazmos reaktorių tipai: a) elektroninio ciklotroninio rezonanso (ECR) b) Helikoninio išlydžio reaktorius c) induktyvinis reaktorius (ICR) d) diodinis reaktorius (DC)

14

energijos perdavimas leidžia pasiekti žemą įtampą per visą plazmą, todėl jonai

dėl automatinio priešįtampio įgyja tik 20 – 30 eV eilės energiją. Norint padidinti

krintančių jonų energiją elektrodas, ant kurio yra bandinys, (analogiškai zondui statinėje

sistemoje) prijungiamas prie papildomo šaltinio. Taigi, keičiant plazmą sukuriančio

šaltinio galią galima keisti jonų ir radikalų srautus, keičiant padėklo priešįtampį – jonų

energiją. Šio tipo įrenginiai skiriasi plazmą sukuriančios energijos prijungimo būdu.

Elektroninio

1.1 lentelė

Plazmos gavimo būdai

Parametras AD diodinė

sistema

Didelio

krūvininkų

tankio sistema

Jonų pluoštelio

sistema

Reaktyvių jonų

pluoštelinė

sistema

Slėgis, Torr 10-2 - 1 5 10-4 – 5 – 10-2 10-4 – 10-3 10-4 – 10-3

Galia, W 50 – 2000 100 - 5000 - -

Dažnis, MHz 0,05 – 13,56 0 – 2450 - -

Magnetinio lauko

indukcija, G

0 0 – 1000 - -

Krūvininkų

tankis plazmoje

cm-3

109 – 1011 1010 - 1012

Elektronų

temperatūra, eV

1 – 5 2 – 7 - -

Jonų energija, eV 200 – 1000 20 –500 200 – 2000 200 – 1500

Jonų srovės

tankis mA/cm2

0,1 10 0,3 – 1 0,03 – 1

Selektyvumas Geras Geras Blogas Geras

Profilis Pusiau

anizotropinis

Pusiau

anizotropinis

Anizotropinis Anizotropinis

Ėsdinimo

mechanizmas

Cheminis ir

fizinis

Fizinis ir

cheminis

Fizinis Fizinis ir

cheminis

15

ciklotroninio rezonanso (ECR) šaltiniai (ECR – electron cyclotron resonance)

būdingaritės, gaubiančios cilindrinę plazmos šaltinio kamerą ir sukuriančios ašinį

pastovaus magnetinio lauko kitimą. Per dielektriko langą mikrobangų energija

paduodama ašies kryptimi. Ji sužadina apskritimu poliarizuotą bangą, kuri nukreipiama

į ECR zoną ir ten absorbuojama. Dažniausiai naudojamas mikrobangų dažnis f = 2,45

GHz rezonuojančio magnetinio lauko indukcija B ≈ 875 G. Be 2,45 GHz dažnio

plazmos sužadinimui naudojamas ir 13,56 MHz dažnis. Šio tipo šaltinių trūkumai:

neišvengiama radialinio ėsdinimo netolygumo, nusėdimas ant dielektriko lango mažina

perduodamos galios kontrolę ir pačią perduodamą galią.

Įvairiais būdais gaunamų plazmų charakteristikos parodytos 1.1 lentelėje. Iš

lentelės matome, kad, įvedus į plazmą kietąjį kūną, gali vykti kaip fizikiniai, taip ir

cheminiai procesai. Procesai, vykstantys kietojo kūno paviršiuje, veikiant jį

pagreitintomis ir šiluminę energiją (kT) turinčiomis inertinių ar aktyvių dujų dalelėmis,

bus aptariami konkretaus laboratorinio darbo aprašyme.

16

LABORATORINIS DARBAS NR.1

Joninis medžiagų ėsdinimas

Darbo tikslas:

Susipažinti su medžiagų joninio ėsdinimo teorija. Atlikti monokristalinio

silicio ir terminiu būdu išauginto SiO2 ėsdinimą argono jonais. Nustatyti Si ir SiO2

ėsdinimo greičius bei apskaičiuoti dulkėjimo koeficientų priklausomybę nuo

bombarduojančių jonų energijos. Susipažinti su paviršiaus mikrorelijefo tyrimu

interferenciniu mikroskopu. Teorinė dalis

1. Greitų dalelių sąveika su medžiaga

Dalelių sklaida ( judėjimo krypties kitimas) ir stabdymas (dalelių energijos

kitimas joms susiduriant su medžiagos atomais) yra esminiai procesai nagrinėjant

greitų dalelių judėjimą medžiagoje.

Dalelių susidūrimai būna dvejopi - tamprūs ir netamprūs. Tampraus susidūrimo

metu kritusi dalelė sąveikauja su taikinio atomų branduoliais. Netampraus smūgio

metu ji sąveikauja su laisvaisiais ir valentiniais (atomo) elektronais. Kai sąveika

netampri, kritusios dalelės kinetinė energija pereina į vidinę apšaudomos medžiagos

(taikinio) dalelių energiją, dėl ko taikinio dalelės (atomai, molekulės) sužadinamos,

jonizuojamos, galima molekulių disociaciją bei heterogeninės reakcijos. Todėl

stebime elektromagnetinį spinduliavimą, antrinę elektronų emisiją, išmuštų dalelių

įsielektrinimą, nuo paviršiaus atšokusių jonų persielektrinimą ir t.t. Tamprių

susidūrimų metu galioja mechaninės energijos ir impulso tvermės dėsniai. Dalelės

stabdymas tampraus smūgio metu yra diskretiškas, nes greitos dalelės sąveika su

kondensuota aplinka įsivaizduojama tarsi vienas po kito einančių binarinių (dalelė-

taikinio atomas) susidūrimų seka, kuriai tarpatominiai ryšiai neįtakoja. Jei atstumas

“greitoji dalelė – taikinio atomas” bus mažesnis nei atstumas tarp taikinio atomų, o

susidūrimo metu taikinio atomui perduota energija Ea>Er, (kur Er – taikinio atomų

ryšio energija) ši prielaida bus teisinga. Tampriajai sąveikai būdinga: intensyvūs

energijos ir impulso mainai, didelė taikinį apšaudančių dalelių sklaida (net atspindys),

17

taikinio atomų išmušimas iš pusiausvyros padėties (taškinių defektų sukūrimas),

sustiprėjęs atomų svyravimas apie pusiausvyros padėtį (taikinio įšilimas). Kai

tampriosios sąveikos metu taikinio dalelėms perduotas impulsas nukreiptas paviršiaus

normalės kryptimi, jos gali išlėkti iš taikinio į aplinką (vakuumą) (žiūr. 1.1 pav.). Šis

reiškinys vadinamas medžiagos dulkėjimu arba irimu (sputtering).

Joninėje ar plazminėje technologijoje greitos, taikinį apšaudančios dalelės

dažniausia yra jonai, tačiau elektronai, protonai, neutronai ar neutralūs atomai jomis

taip pat gali būti.

2. Dulkėjimo mechanizmas. Dulkėjimo koeficientas

Dulkinimo intensyvumą nusako dulkėjimo koeficientas Y. Jis lygus vidutiniam

atomų skaičiui, kurį išmuša į taikinį krintantis jonas (ar kita į paviršių krintanti

dalelė).

j

a

NNY = (1.1)

Fizikinis dulkėjimas vyks tuomet, kai kieto kūno paviršiniame sluoksnyje

formuojantis susidūrimų kaskadui taikinio dalelės įgaus reikiamą impulsą ir energiją.

Šio proceso prigimtis panaši į radiacinių defektų susidarymą tūryje. Tai -

termodinamiškai nepusiausviras procesas ir tuo jis esminiai skiriasi nuo garavimo.

a) b) c)

1.1 pav. Pagrindiniai fizinio dulkėjimo mechanizmai:

a) - rikošetas, b) – kaskadas, c) – terminis

18

Nagrinėjant fizikinį dulkėjimą svarbu: 1) eliminuoti lakių junginių susidarymą

(t.y išvengti jonų cheminės sąveikos su taikinio atomais); 2) jonų pluošteliu ne

iššaukti taikinio garavimo. Pagal Sigmund teorija, dulkėjimo sąvoka prasminga tik

esant mažiems įtėkiams ir jonų srautams. Kai srautai dideli - taikinys garuos /3/. Iš

tikrųju atomai palieka taikinį ne tik dėl jiems kryptingai perduoto impulso, bet ir dėl

stipraus lokalinio paviršiaus įšilimo jono kritimo taške (“karštos dėmės” modelis) ar

stipraus lokalinio įšilimo (ar net išsilydimo) susidūrimų kaskado elementariajame

tūryje (“šiluminio pleišto” modelis). Taigi -praktikoje antroji sąlyga dažniausiai ne

įvykdoma.

Nagrinėjant dulkėjimą šiuo metu dominuoja Kelly /4/ teorija, kuri procesus skirsto

pagal jų trukmę:

1. Greiti (10-15 – 10-14)s dalelių susidūrimai. Jie sąlygoja greitus dulkėjimo

procesus. Jonui išmušus pirmojo monosluoksnio atomą (pirminį atomą), šis atsimuša į

antrojo monosluoksnio atomą, atšoka nuo jo ir palieka taikinį (pav. 1.1a). Kitu

atveju, pirminis atomas gali tam tikrą laiką “migruoti” taikinyje, o taikinį palieka

atatrankos atomas. Jono perduoda energiją pirminiam atomui:

2

sin)(

4 22

θj

aj

aja E

mmmm

E+

= (1.2)

kur Ej – jono energija, mj ir ma – atitinkami jono ir atomo masės, Θ - jono sklaidos

kampas masių centro sistemoje.

Jei Ea <Er - pirminis atomas radiacinių defektų nesukurs. Jis gali palikti taikinį

(pav. 1a) arba sustoti tarpmazgyje.

2. Susidūrimų kaskadai. Jei atatrankos atomo energija Ea >>Er , jis išmuš kitus

atomus iš pusiausvyros padėties. Kritęs jonas inicijuos atominių susidūrimų kaskadą

(pav. 1.1b), kurio trukmė (10-14 – 10-12)s. Atatrankos metu atomai suteiks taikinio

dalelėms reikiamą impulsą ir energiją ir jos išlėks į aplinką. Palikti taikinį gali ne tik

pirmojo (viršutinio) monosluoksnio atomai.

Jonams statmenai krintant į taikinį, dulkėjimo koeficientas Y lygus:

b

n

EESY )(102.4 14α⋅= (1.3)

19

kur α = α(mj/ma), Sn – branduolių stabdymo geba, Eb – taikinio paviršiaus

potencialinis barjeras Eb ≈ H (H – sublimacijos energija).

3. Greiti šiluminiai procesai. Jei greitos antrinės dalelės judėdamos išilgai jono

trajektorijos generuos didelį išmuštų atatrankos atomų kiekį (pav. 1.1c), tai tam

tikrame elementariame kietojo kūno tūryje gali judėti visos dalelės. Tai tolygu

stipriam lokaliam įšilimui. Tokio “šiluminio pleišto” gyvavimo trukmė 10-12 – 10-10s.

Jis sąlygoja intensyvų atomų garavimą “pleišto” srityje. Tai - greitieji šiluminiai

procesai. Jei “šiluminį pleištą” sukuria kiekvienas krintantys jonas, tai dulkėjimo

koeficiento išraiška bus tokia:

sH

šil tyMkT

PY 2

2∆= π

π (1.4)

čia T – temperatūra pleišto srityje. Ji randama iš sąlygos:

NyxE

kT j22

3∆∆

≈ (1.5)

kur ∆y ir ∆x – jono prabėgimo sklaida x ir y kryptimis, N – atomų koncentracija

taikinyje, ℵ∆

=2yts , ℵ - šiluminio laidumo koeficientas; PH – sočiųjų garų slėgis. Jis

randamas pagal Arenijaus (Arrhenius) lygtį:

PH = POHexp(-Ea/kT) (1.6)

čia Ea ≈ H, o POH – konstanta.

4. Lėti šiluminiai procesai. Pačius ilgiausius (t>10-10s) dulkinimo procesus

sąlygoja elektronų būvio kitimas. Pastebėta, kad apšaudant šarminių metalų

halogenidus (NaF, KJ) mažos (500eV) energijos elektronų pluošteliais dulkėjimo

koeficientas yra apytiksliai lygus ar net didesnis už 10. Kadangi elektronų masė maža,

kaskadiniu reiškiniu to paaiškinti negalime. Šiluminių reiškinių modelis čia netinka,

nes elektronų laisvasis prabėgimo kelias kietajame kūne yra didelis, todėl įšilimas,

lyginant su apšvita jonais, mažas. Paviršiaus atomus apšvitinus elektronais ar didelės

energijos kvantais jie aktyvuojami, o tokių atomų ryšio energiją su kaimyniniais

atomais yra žymiai mažesnė nei neaktyvuotų atomų. Pavyzdžiui, normaliame būvyje

dviatomė molekulė aprašoma simetrinėmis orbitinėmis banginėmis funkcijomis ir

20

bendras elektronų sukinys yra lygus nuliui . Sužadintame būvyje sukinys bus lygus

vienam, o banginės funkcijos asimetrinės. Toks būvis nestabilus, bet dielektriko

molekulė jame gali būti ilgai. Jei sužadinto būvio trukmė yra didesnė už molekulės

disociacijos laiką, atomai, dėl branduolių tarpusavio stūmos, išsiskirs. Tai žymiai

palengvina atomų emisiją iš kietojo kūno.

Pagal susidūrimo mechanizmą elektroninius procesus gali sukelti:

a) Pavieniai išmušimai.Kai disociaciją ar jonizaciją vykdo mažų energijų

(≤ 100 eV) elektronai, didelės energijos hυ kvantai, ar mažų energijų

jonai (jono greitis v ≤ e2/ħ);

b) Jonizacijos kaskadai. Juos sukels greiti antriniai elektronai (≥ 100 eV)

ir greiti (v>> e2/ħ) jonai, galintis jonizuoti atomus;

c) Jonizuotos sritys. Jas sukurs sunkūs vidutinių greičių (v> e2/ħ) jonai,

kurie judėdami taikinyje gali jonizuoti daug atomų.

3. Faktoriai įtakojantys dulkinimo koeficientui

Jei monoatominį taikinį (Al, Cu, Si, Ga) apšaudome inertinių dujų (He, Ne, Ar)

jonais, dulkėjimo koeficientą apskaičiuoti ir eksperimentiškai nustatyti yra paprasta..

Jei taikinys veikiamas chemiškai aktyviais jonais (N, O, F) tai yra sudėtinga, nes: 1)

sunku atskirti fizikinę ėsdinimo dedamąją (dulkėjimą) nuo cheminės ėsdinimo

dedamosios (lakaus junginio (pvz. SiF4)desorbcijos); 2) gali susidaryti nelakus

junginys (Si+O → SiO2) ir paviršiuje gausime naujos medžiagos intarpus (ar net

ištisinį sluoksnį). Šių intarpų ar sluoksnių fizikiniai parametrai gali esminiai skirtis

nuo išeities medžiagos; 3) smūgio į paviršių metu sudėtingi molekuliniai jonai ar

jonizuoti radikalai (CF4+, CF3

+, CH3+) gali fragmentuoti į atomus. Jei jonų energija

buvo maža, tai adsorbuoti paviršiuje atomai migruoja ir gali sudaryti CFx ar CHx

radikalus. Pastarųjų polimerizacija eliminuos bombarduojančių jonų sąveiką su

tiriamąja medžiaga.

Dulkant lydiniams ir junginiams kiekviena komponentė gali dulkėti skirtingai.

Todėl paviršiaus stechiometrinė sudėtis kis tol, kol duotosioms dulkinimo sąlygoms,

nusistovės nauja, stacionari paviršinė komponentų pusiausvyra.

Jei paviršių bombarduoja molekuliniai jonai (N2+, O2

+, Cl2+) sudaryti iš vienodų

atomų tai kiekvienas pirminis (bombarduojantis) atomas skaičiuojant vertinamas

21

atskirai (nes smūgio metu molekulinis jonas disocijuos ir toliau atomai judės

nepriklausomai). Jei molekulinį joną sudaro skirtingi atomai (CF3+) , tai tikslinga Y

skaičiuoti vienam molekuliniam jonui, nes atskirti kuris C ar F atomas išmuš taikinio

atomus neįmanoma. Skaičiuojant Y vertinami tik išmušti taikinio medžiagos atomai;

atspindėti ar įterpti į taikinį ir vėl išmušti jonai neįskaitomi.

Nagrinėjant monokristalų dulkėjimą būtina atminti, kad kristalinė struktūra įtakoja

dulkėjimo išeigai – kai jonų kritimo kryptis sutampa su tankiausia atomų dėjimo

kristale kryptimi Y gaunamas didžiausias.

Dulkėjimo koeficientas priklauso nuo jonų kritimo kampo:

Y(β) = Y(0)cos β-f (1.7)

Y(0) – dulkėjimo koeficientas jonams krintant statmenai į paviršių, f – faktorius

priklausantis nuo masių santykio. Kai ma/mj<1, f = 1,7, kai ma/mj>1, f ≈ 1.

4. Eksperimentinis dulkėjimo koeficiento nustatymas

Žinome, kad:

Y = Na/Nj (1.8)

Kritusių į taikinį jonų skaičių (arba jono srauto tankį) randame:

=jN I∆t/e, (1.9)

kur I – jonų srovės stipris, ∆t – dulkinimo laikas, e=1,6*10-19 C.

Išmuštų atomų skaičių galime sužinoti pagal taikinio masės pokytį ∆m. Kadangi:

2MmNN A

a∆

= , ` (1.10)

kur M2 – taikinio molio masė, NA – Avogadro skaičius.

Iš čia:

22

tIMemNY A

∆∆

=2

. (1.11)

Ėsdinant sudėtingus (daugiakomponenčius) taikinius dulkėjimo koeficientas netenka

prasmės. Tuomet naudojame ėsdinimo (dulkėjimo) greičio sąvoką. Ėsdinimo greitis

tai - masės kiekis nušalintas per laiko vienetą iš ploto vieneto:

tSmv mėsd ∆

∆=).( . (1.12)

Pasinaudoję dulkėjimo koeficiento išraiška galime susieti vėsd(m) su Y:

jeN

YMv

Amėsd

2).( = (1.13)

kur j – jonų srovės tankis. Iš (1.13) formulės žinodami vėsd(m) rasime Y.

Galima vėsd nusakyti ir kaip pašalintą sluoksnį per laiko vienetą:

txvėsd ∆

∆=. (1.14)

Tuomet ryšį tarp vėsd ir Y gausime:

ρAėsd eN

YMv 2. = j (1.15)

kur ρ - taikinio medžiagos tankis. Nustatę vėsd ir pasinaudoję (1.15) formule galime

rasti dulkėjimo koeficientą.

23

Joninio ėsdinimo įrenginys

1.2 pav.

Ėsdinimą jonais atliksime aukšto dažnio H tipo reaktoriuje, kuriame gaunama

didelė krūvininkų koncentraciją. Tai dviejų kamerų ėsdinimo sistema sukonstruota

pramoninio įrenginio YBH-72M-2 pagrindu (1.2 pav.). Pirmoji kamera - dujų

išlydžio. Į ją tiekiamos darbinės dujos ir radijo dažnio (13.56 MHz) generatoriaus

pagalba sukuriama plazma. Generatoriaus galią galima keisti nuo 2 iki 3.5 kW.

Antroji kamera – apšvitos arba darbinė. Joje vyksta joninis ėsdinimas. Reguliuojant

slėgį išlydžio kameroje keičiame jonų (elektronų) srovės tankį. Argono slėgį išlydžio

kameroje galima keisti nuo 0,01 iki 40 Pa, tuomet liekamasis slėgis darbinėje

kameroje kinta nuo 0,01 iki 10 Pa. Dėl priešįtampio pro diafragmą iš išlydžio kameros

ištraukiamos įelektrintos daleles. Jonų ar elektronų energija valdoma autonomiškai

keičiant bandinio (taikinio) priešįtampį. Jei įtampa neprijungta, tai bandinio

priešįtampis lygus izoliuotos sienelės potencialui, kuris nustatomas iš zondinių

charakteristikų. Jonų ar elektronų srovės tankis kis keičiant tiekiamų dujų srautą,

slėgį išlydžio kameroje, generatoriaus galią, atstumą nuo jonų šaltinio iki padėklo,

dalinai ir pavyzdėlio priešįtampį. Šiame įrenginyje jonų srovės tankis gali kisti nuo

0,02 iki 3 mA/cm2, o elektronų - iki 8 mA/cm2.

24

Matavimo metodika

Jei ėsdinimo metu dalį pavyzdėlio uždengiame (pvz. kita Si plokštele),

paviršiuje formuojasi laiptelis.

1.3 pav.

Interferometro pagalba galima nustatyti išėsdintų laiptelių ar dangų storius, o iš to – ėsdinimo (ar nusodinimo) greičius. Darbo metu naudojame interferencinį mikroskopą MII-4 (1.3 pav.), nustatyta dažniausiai žaliai (611 nm) šviesai. Kai mikroskopo didinimas lygus 490, prietaisu galima išmatuoti nuo 1000 iki 50 nm, dydžio nelygumus. Prietaiso paklaida ± 50 nm. Tiriant bandinys dedamas neveikta puse į viršų. Mikrometriniais sraigtais 2,3 galima keisti lešio padėtį x ir y kryptimis, sraigtu 4 – z kryptimi. Sklende keičiamas mikroskopo režimas (optinis ar interferencinis). Kai

1.4 pav.

mikroskopas veikia optiniu režimu, mikrometriniais sraigtais galima nustatyti ryškų, padidintą norimo taško optinį vaizdą. Šis režimas naudojamas tiriant bandinių paviršiaus morfologiją. Matuojant aukščius, po ryškaus optinio vaizdo nustatymo, mikroskopas perjungiamas į interferencinį režimą. Švelniai sukant 4 mikrometrinį sraigtą, gaunamos ryškios interferencinės linijos. 2 ir 3 mikrometrinių sraigtų pagalba galima

rasti interferencinių juostų išlinkimo sritį (1.4 pav.). Tada okuliaro liniuote ir mikrometriniu sraigtu 1 išmatuojame interferencinės juostos ∆y ir laiptelio ∆x pločius. Išėsdinto laiptelio ar užneštos dangos storį skaičiuojamas pagal formulę:

2λ⋅

∆∆

=yxx

(1.16) Žinodami x, galime rasti ėsdinimo ar dangos augimo greitį.

25

Darbo eiga

I) Sistemos paruošimas darbui:

1) Įjungti sistemos maitinimą: trys kirtikliai įrenginio įtampos skyde. 2) Paduoti į sistemą vandenį: atsukti tris pagrindinius vandens čiaupus

laboratorijoje. II) Paruošti vakuuminį įrenginį darbui. Pagrindiniai jungikliai parodyti 1.4 pav.

1) Įjungti vakuuminio įrenginio maitinimą (1.5 pav. 1). 2) Įjungti mechaninį-rotacinį siurblį (1.5 pav. 2). 3) Patikrinus ar uždaryta siurbimo iš vakuuminės kameros vakuuminė sklendė (1.6 pav. 1), atidaryti sklendę siurbimui iš difuzinio siurblio (1.6 pav. 2).

III) Paruošiame bandinius ir įrenginį technologiniam procesui. 1) Atsukame oro įleidimo į vakuuminę kamerą sraigtą “Įleidimas” (1.7 pav. 1).

1.5 pav.

2) Pakeliame vakuuminės kameros

gaubtą: rankenėlę

“Pakėlimas”pasukame į viršų, ir

spaudžiame mygtuką “Kelti”.

Pastaba: Gaubtą kelti ne

daugiau kaip 50 cm.

3) Laikiklyje (1.7 pav. 2) įtvirtiname bandinį. Dalį bandinio uždengiame kita silicio plokštele, kad suformuotume ribą tarp paveikto ir neveikto paviršiaus.

1.6 pav.

4) Nuleidžiame vakuuminį gaubtą, rankenėlę “Pakėlimas”

pasukame žemyn.

Pastaba: Prieš nuleidžiant gaubtą, būtina patikrinti ar

niekas nekliudo gaubto nuleidimui bei sandarumui.

Likus 5 cm., nuleidimą sustabdome ir dar kartą patikriname

ar kameros gaubtas neprispaus guminių žarnų, elektros laidų,

ar nebus pažeisti gaubto ir plokštumos kontaktuojantis

paviršiai.

26

5) Užsukame sraigtą “Įleidimas”, uždarome siurbimo iš difuzinio siurblio sklendę

(1.6 pav. 1), - atidarome siurbimo iš kameros vakuuminę sklendę (1.6 pav. 2).

6) Atsiurbiame vakuuminę kamerą iki 8 Pa ( termoporinio – jonizacinio vakuumetro

skalėje (I Priedo 2 pav.) iki 6•10-2 mmHg, arba, jei skalė graduota mA,- iki 25 mA.)

Pastaba : Jungikliu, pažymėtu “Daviklis” (1.5 pav. 3), galime keisti daviklius,

kuriais matuojame slėgį kameroje ir difuziniame siurblyje.

1.7 pav.

7) Atsargiai atsukame dujų baliono sklendę (I Priedo 3

pav. 1), stebėdami pirmojo manometro parodymus (I

Priedo 3 pav. 2).

8) Atsargiai prisukame reduktoriaus sraigtą (I priedas

3pav. 3), kad antrojo manometro (I priedas 3 pav. 4)

rodyklės parodymai neviršytų 1,5 atm.

Pastaba: Jei reduktorius turi srauto reguliavimo

rankenėlę (I priedas 3 pav. 5), ją atsukame, kad dujų

srautas patektų į gumines žarnas. Jei žarna pradeda

pūstis, staigiai atsukame dujų srauto padavimo į

vakuuminę kamerą rankenėlę (I priedas 4 pav.

1), kad dujos patektų į kamerą.

1.8 pav.

9) Įsitikinę, kad iš baliono paduodamas dujų srautas pateko į žarnas, atsargiai sukdami srauto matuoklio rankenėlę (I priedas 4 pav. 1), nustatome dujų srautą 5 cm3/s.

IV) Joninis ėsdinimas ir jo valdymas.

1) Įjungę papildomą padėklo įtampos šaltinį (1.8 pav. 1) rankenėle (1.8 pav. 2)

parenkame įtampos intervalą 150-300V. 2) Rankenėle (1.8 pav. 3) nustatome neigiamą 200V įtampą. 3) Įjungiame AD generatoriaus maitinimą (kirtiklis “Maitinimas” žemai esančioje

dėžėje). 4) Paleidžiame vandenį generatoriaus aušinimui (jungiklis (1.5 pav. 4) perjungiamas į

27

padėtį “šaltas vanduo”.

1.9 pav.

5) Įjungiame generatoriaus kaitinimą aukštai esančioje dėžėje (1.9 pav. 1).

Būtina įsitikinti, kad sukasi ventiliatorius papildomam generatoriaus aušinimui, esantis kitoje generatoriaus dėžės pusėje. Jei ventiliatorius nesisuka, pradinį judesį suteikiame mechaniškai.

6) Įjungiame generatoriaus siurblį (1.9 pav. 2).

7) Laikrodžiu nustatome proceso trukmę – 10 min.(1.9 pav. 3). Generatorius įkaitus, suveikia relė, ir jungikliu (1.9 pav. 4) uždegame plazmą. 8) Ampermetru išsimatuojame jonų srovę ir apskaičiuojame jonų srovės tankį. Pastaba: procesas išsijungia automatiškai. Jei reikia, procesą galime nutraukti jungikliu (1.9 pav. 5). V) Proceso pabaiga 2) Išjungiame generatoriaus kaitinimą (1.9 pav. 1). 3) Išjungiame įtampos šaltinį (1.8 pav. 1). 4) Palaukę keletą sekundžių, užsukame dujų srauto matuoklio rankenėlę (I priedas 4

pav. 1), bei keletą minučių palaukiame, kol kamera atsiurbiama. 5) Uždarome siurbimo iš kameros vakuuminę sklendę (1.6 pav. 1) ir atidarome

siurbimo iš difuzinio siurblio (1.6 pav. 2) sklendę. 6) Įleidžiame į kamerą orą (atsukame sraigtą “Įleidimas” (1.7 pav. 1). VI) Po šių operacijų pakeičiame bandinį, atsiurbiame kamerą, paduodame į

plazmos kamerą tą patį dujų srautą, nustatome priešįtampį 400V ir pakartojame tos pačios trukmės plazminį procesą. Eksperimentą vėl pakartojame esant jonų energijai 600V.

VII) Darbo pabaiga. 1) Interferenciniu mikroskopu išmatuojame išėsdinto laiptelio aukštį bei

suskaičiuojame ėsdinimo greičius. 2) Išjungiame generatoriaus maitinimą bei išjungiame generatoriaus aušinimo

vandenį. 3) Atsiurbiame vakuuminę kamerą, uždarome abi vakuumines sklendes. Išjungiame

28

rotacinį siurblį. Tuo pačiu momentu, kai išjungiamas rotacinis siurblys, paspausti mygtuką “Oras”, kad oras patektų į siurblį.

4) Užsukame tris pagrindinius vandens čiaupus, išjungiame vakuuminio įrenginio maitinimo įvadą.

Rezultatų analizė

Žinodami ėsdinimo greičius įvertinkite Si ir SiO2 dulkinimo koeficientus.

Nubrėžkite šių medžiagų dulkėjimo koeficientų bei ėsdinimo greičių priklausomybes

nuo jonų energijos.

Pagal (1.2) formulę apskaičiuokite kokias energijas Ar+ jonai perduoda Si ir

O atomams. Iš gautų rezultatų paaiškinkite kas vyksta SiO2 paviršiaus sluoksnyje

apšvytos metu.

Iš apžvalgos mikroskopu (optiniu režimu) įvertinkite joninio pluoštelio parametrų

įtaka paviršiaus mikroreljefui.

29

LABORATORINIS DARBAS NR.2

Reaktyvusis joninis ėsdinimas

Darbo tikslas:

Išnagrinėti heterogeninių reakcijų ypatumus aktyviu dujų plazmoje. Atlikti

mono kristalinio silicio bei terminiu būdu suformuoto SiO2 reaktyvų joninį ėsdinimą

techniškai švariose CF2Cl2. Įvertinti ėsdinimo greitį , selektyvumą ir anizotropiškumą,

naudojant interferencinį bei skanuojanti elektroninį mikroskopus. Palyginti reaktyvaus

joninio ėdinimo ir joninio spindulinio ėsdinimo greičius.

Teorinė dalis

1. Aktyvios terpės formavimas

Plazmocheminiuose procesuose naudojamoms dujoms būdingas dideliu

tvirtumu pasižymintis kovalentinis ryšys. Todėl dujų molekulių reaktyvumas,

sąveikaujant tarpusavyje ar su kietu kūnu, yra labai mažas. Homogeninėje ar

heterogeninėje reakcijoje dalyvauja molekulių disociacijos produktai - atomai, arba

dažniau - radikalai. Aptardami procesus dujų plazmoje, parodėme, kad žėrinčio išlydžio

plazmoje disociacijos reakcija vyksta veikiant neutralias molekules elektronais:

AB + e- → A + B + e-, (2.1)

AB + e- → A + B-. (2.2)

Jos metu sukuriami radikalai ir jonai. Generacijos greitis:

d(AB)/dt = kD (AB)•(e); (2.3)

čia (AB) ir (e) - darbinių dujų ir elektronų tūrinė koncentracija; kD - disociacijos

reakcijos greičio konstanta, priklausanti nuo elektronų pasiskirstymo pagal energijos

funkcijas g(E). Keičiantis g(E), galimos įvairios AB molekulinės metastabilios būsenos

(pvz., deguoniui jų priskaičiuojama iki 32). Savo ruožtu g(E) priklauso nuo dujų rūšies,

slėgio, išlydžio galios, dujas veikiančio elektromagnetinio lauko dažnio.

Be aktyvių reagentų generacijos, vyksta ir atvirkščias procesas -

rekombinacija. Atomų ryšio energija molekulėje AB gali būti mažesnė už jų

30

disociacijos energiją. Rekombinuojant tokiems atomams, energijos ir impulso tvermės

dėsniai bus išlaikyti tik, kai reakcijoje dalyvaus trečias kūnas:

A + B + M → AB + M. (2.4)

Tuomet A atomų tūrinis koncentracijos kitimas

d(A)/dt = -kR(A)(B)•(M); (2.5)

čia kR - rekombinacijos reakcijos greitis; M - bet kuri dujų molekulė arba sienelė.

Rekombinuojant sudėtingiems fragmentams, trečias kūnas nebūtinas, nes

energijos perteklius gali pasiskirstyti tarp molekulės vidinių laisvės laipsnių.

Heterogeninė reakcija vyksta, kai paviršių, kuriame yra aktyvūs centrai,

pasiekia chemiškai aktyvūs radikalai ar jonai, galintys reaguoti su kietojo kūno atomais

D ar paviršiuje adsorbuotomis molekulėmis bei radikalais. Jonocheminius ir

plazmocheminius procesus sąlygojanti plazma termodinamiškai yra nepusiausvira. Jos

dalelių energija kur kas didesnė už paprastose cheminėse reakcijose dalyvaujančių

dalelių energiją. Todėl paviršiuje vienu metu gali vykti keletas reakcijų su skirtingais

produktais. Kai dėl plazmos ir kietojo kūno sąveikos

D + nAn → DAn , (2.6)

susidaro lakus junginys, vyksta ėsdinimas, jei nelakus - sluoksnio augimas.

Pateikiame keletą jonizacijos ir disociacijos pavyzdžių. Silicio technologijoje

plačiausiai naudojamos Ar ir CF4 dujos. Argonui būdinga paprastoji jonizacija:

Ar + e →Ar+ +2e . (2.7)

Tikimiausios reakcijos, vykstant plazmoje CF4 molekulės disociacijai, yra šios:

CF4 + e → CF3 + F + e, (2.8 a)

CF4 + e → CF3 + F- , (2.8 b)

CF4 +e→CF3++ F +2e . (2.8c)

Galimos ir kitos reakcijos, kurių metu susidaro: CF2, CF, C radikalai, tik jų vyksmo

tikimybė mažesnė. Mažiausios jonizacijos potencialas (9,5 eV) yra CF3 radikalo, todėl

CF4 plazmoje daugiausia yra CF3+ (77%), toliau eina CF2

+ (6,5%, Ej = 13.3 eV), F+

(4%, Ej=17,42 eV) ir t.t.

Sukurtieji jonai ir F radikalai gali dalyvauti heterogeninėse reakcijose,

kurių galutinis rezultatas - lakaus produkto pvz., SiF4 susidarymas.

31

A3B5 junginių, aliuminio ir kitų metalų ėsdinimui naudojamos chloro

turinčios dujos. Chloro radikalams gauti naudojamas anglies tetrachloridas CCl4, freonai

(CF3Cl, CF2Cl2) arba molekulinis chloras. Pateiksime chloro radikalų arba jonų gavimo

pavyzdį disocijuojant CF3Cl molekulei

CF3Cl + e → CF3 + Cl + e (2.9)

CF3Cl + e → CF3 + Cl- (2.10)

PCh ėsdinimo greitis priklauso ne tik nuo radikalų koncentracijos

plazmoje, bet ir nuo jų gyvavimo trukmės τ. Mažą τ turintis radikalai gali relaksuoti

anksčiau, nei sudarys ryšį su gardelės atomais. Radikalų gyvavimo trukmė kinta labai

plačiame diapazone, pvz. prie p≥133Pa fluoro radikalai gyvuoja sekundes, o Cl

radikalo τ≈1ms, CF3+ gyvuos dar mažiau, jų τ≈ 10µs /2/.

Iš pateikto pavyzdžio aišku, kad daug fluoro turinti plazma bus aktyvus

ėsdiklis, o, tuo tarpu, dominuojant plazmoje chlorui ėsdinimo greitis kris didėjant

slėgiui.

2.Ėsdinimo kinetika ir termodinamika

Termodinaminis procesas vyksta savaime, jei sistema pereina į didesnės

termodinaminės tikimybės būseną. Tuomet entropija padidėja tapdama didžiausia,

sistemai pasiekus pusiausvyros būseną, o jos Gibso (Gibbs) energija mažėja ir

pusiausvyros būsenoje tampa minimali.

Plazmocheminiai procesai dažniausi vyksta esant pastoviam slėgiui,

tuomet Gibso energijos pokytis

∆G = ∆H - T∆S (2.11)

Kai temperatūra žema

∆G ≈ ∆H, (2.12)

t.y. proceso savaiminio vyksmo kriterijumi yra jos entalpijos pokytis. ∆G ir ∆H vertės,

junginių virimo ir lydymosi temperatūros randamos chemijos žinynuose /6,7/.

Reikia pastebėti, kad sąlyga ∆G (ar ∆H )< 0 reiškia tik nagrinėjamos

reakcijos vyksmo galimybę. Reakcijos greitį lemia reagento prigimtis, jo koncentracija,

temperatūra, kietųjų reagentų kristalinės gardelės būsena – visa tai nagrinėja cheminė

kinetika.

Klasikinėse cheminėse reakcijose molekulės sąveikauja kaip tamprūs

rutuliai, kurių vidinė energija nekinta, dujų sistema aprašoma viena temperatūra.

32

Formaliosios kinetikos lygtis gaunama iš veikiančių masių dėsnio.

Homogeninėms terpėms ji užrašoma taip:

dNi /dt = -kNaA Nb

B ; (2.13)

čia NA ir NB - reakcijoje dalyvaujančių komponentų tūrinės

koncentracijos, a ir b - reakcijos stechiometriniai koeficientai, tačiau kai

reakcija vyksta keliomis stadijomis, lėčiausia iš jų lemia reakcijos greitį ir tuomet

stechiometriniai koeficientai laipsnio rodiklių vienareikšmiškai nenusako. Taikant

veikiančių masių dėsnį heterogeninėms reakcijoms, į reakcijos greičio išraišką įrašomos

tik dujinių ar ištirpusių medžiagų paviršinės koncentracijos. Kietųjų medžiagų

koncentracija laikoma pastovia. Ji įeina į reakcijos greičio konstantą k, kuri nusakoma

Arenijaus (Arrhenius) lygtimi

k = A exp -(Ea/kT); (2.14)

čia A - konstanta; T - temperatūra; Ea - reakcijos aktyvacijos energija, priklausanti nuo

reakcijos tipo ir jos vyksmo mechanizmo.

Aktyvacijos energija Ea suvartojama pirminiams ryšiams silpninti. Be jos negali

prasidėti jokia reakcija, išskyrus paprasčiausias palaidų atomų jungimosi reakcijas.

Taigi aktyvacijos energija yra tas energijos barjeras, kurį turi įveikti

susiduriančios molekulės prieš persitvarkant cheminiams ryšiams. Aktyviųjų kompleksų

teorija galima paaiškinti daugelio reakcijų mechanizmus. Išimtį sudaro fotocheminiai

procesai. Joninis bombardavimas nutraukdamas visus ar dalį ryšių gali pakeisti

aktyvacijos energiją, o tuo pačiu ir heterogeninės reakcijos greitį.

PCh ėsdinimas yra daugiaetapis, o esant daug komponentei plazmai, - ir daugiašakis

procesas. Apibendrintai procesus, vykstančius kietojo kūno paviršiuje, galima

suskirstyti: 1) aktyvių atomų (F, Cl, O) adsorbciją arba chemosorbciją; 2) sudėtingų

radikalų (CFx, CClx) nedisociatyvią adsorbciją; 3) radikalų disociaciją paviršiuje dėl

energingų dalelių poveikio; 4) aktyvių atomų reakciją su gardelės atomais; 5)

nedisocijavusių radikalų polimerizacijos reakcija; 6) reakcijų produktų pašalinimą.

Kiekvienas iš penkių pirmųjų procesų įtakoja į heterogeninės reakcijos eigą. Savo

ruoštu kiekvienam iš išvardintų etapų įtakoja paviršiaus būklė ir energingų dalelių

srautai, veikiantys paviršių.

33

3. Joninės apšvitos įtaka ėsdinimui

Apšaudant kietąjį kūną pakankamų energijų jonais šie įterpiami į taikinio

paviršių. Inertinių dujų jonus sugaudo taikinio struktūriniai defektai, arba jie susirenka

taikinyje į dujų burbuliukus.Dėl mažos inertinių dujų tirpumo entalpijos ir didelės

ryšio su defektais energijos, kietieji įterpimo tirpalai inertinėms dujoms nebūdingi. Kitų

elementų jonai su taikinio medžiagos atomais gali sudaryti junginius. Įterptųjų dalelių

pusiausvyrą koncentraciją gauname iš balanso: krintančių jonų srautas minus paviršiaus

atspindėti jonai ir implantuotų jonų difuzija į tūrį ir paviršių. Implantuotų jonų ir

taikinio atomų paviršinė difuzija ir segregacija sąlygoja molekulių, turinčių nevienodas

ryšio energijas su paviršium, susidarymą. Jei procesas vyks chemiškai aktyvių dujų

aplinkoje, toks pakitęs sluoksnis susidarys, net apšaudant taikinį inertinių dujų jonais,

nes vyksta atatrankos atomų implantacija ir adsorbuotų ant paviršiaus atomų difuzija.

Tik reikia, kad aktyvių atomų skaičius, ateinantis iš aplinkos į paviršių būtų tos pat

eilės kaip nudulkinamų atomų skaičius per implantacijos gylį. Pakitusio sluoksnio

susidarymas gali esminiai keisti medžiagos dulkėjimą. Fiziniu medžiagos dulkėjimu

suprantame taikinio dalelių emisiją apšaudant jį energingomis dalelėmis, dažniausia

jonais. Taikinio dalelė paliks paviršių jei krintantis jonas perduos jai energiją Ea ≥Er

,kur Er – ryšio energija(atomų taikinyje arba adsorbuotos dalelės su taikinio paviršiaus

atomais) ir impulsą nukreiptą paviršiaus normalės kryptimi. Implantavus į taikinį

svetimus atomus pakis ryšio energiją, o tai įtakos dulkinimo išeigai. Bet kol procesą

lems susidūrimų kaskadas arba terminis pikas jį vadiname chemiškai stimuliuotu

fizikiniu dulkėjimu.

Reaguojant taikinio dalelėms su bombarduojančiais jonais gali susidaryti

molekulės su maža ryšio energija, kurios desorbuos esant taikinio temperatūrai. Šį

procesą vadinsime cheminiu dulkėjimu.

Abiem aptartais atvejais su taikiniu sąveikauja tik jonai. Tai realizuojama

vykdant RJPE arba JPE procesus. Tarp fizinio ir cheminio dulkinimų griežtos ribos

nėra, nes dėl mažų ryšio energijų sunku tiksliai nustatyti dėl ko atomas paliko paviršių:

ar dėl pirminės dalelės perduoto impulso ir energijos, ar dėl cheminių reakcijų metu

padidėjusios paviršiaus temperatūros. Pav. 2.1 parodytos orientacinės paviršiaus

temperatūros ir jonų energijos, sąlygojančios įvairius anglies taikinio paviršiaus

erozijos procesus veikiant jį vandenilio jonais. Parodytos sričių ribos apytikrės ir

priklauso nuo paviršinių atomų ar molekulių ryšio energijos /8/. Šios dalelės paliks

34

2.1 pav. Fizinio, cheminio dulkinimo bei garavimo reiskinių priklausomybė nuo taikinio

paviršiaus temperatūros ir šiluminės energijos.

paviršių jei tik gaus papildomos energijos Ea≥Er ir nesvarbu kas ją suteiks-

bombarduojantis jonas ar įkaitusi gardelė. Atomų išgaravimui ar molekulių desorbcijai

reikia, kad gardelės šiluminė energija sudarytų bent 1/20 ryšio energijos t.y., kad

gardelės temperatūra siektu ~ 500K, tuo tarpu medžiagos dulkėjimui reikalinga energija

apytikriai 4 kartus viršija Er. Kadangi angliavandenilio molekulių ryšio su paviršiumi

energija Er mažesnė nei anglies atomų ryšio energijų gardelėje, tai apšvyta H+ jonais

sumažina slenkstinę dulkėjimo energiją –gaunamas chemiškai stimuliuotas fizikinis

dulkėjimas, o labiau įkaitus taikiniui ir cheminis dulkėjimas.

PCh ir RJE procesuose plazmos generavimo kamera neatskirta nuo

ėsdinimo kameros taigi paviršių pasiekiančių neutralių dalelių srautas gali 103-104 karto

viršyti jonų srautą. Tuomet pagrindinės cheminės reakcijos vyks tarp paviršiuje

adsorbuotų neutralių atomų ir taikinio atomų.To pasėkoje gali susidaryti lengvai

desorbuojančios molekulės-turėsime plazmocheminį ėsdinimą, o jei ėsdinimo eigoje

paviršių dar bombarduoja jonai-gauname reaktyvų joninį ėsdinimą, kuris dar vadinamas

jonais aktyvuotu cheminiu ėsdinimu. Ką suprantame jonine aktyvacija?

35

Netamprių smūgių metu keičiasi atomo vidinė būsena ir elektronai gali pereiti į

aukštesnius energijos lygius ar net palikti atomą.Visus kietojo kūno atomus, kurie dėl

sąveikos su įgreitintais jonais tapo jonizuotais, sužadintais, ar kitaip turi perteklinės

energijos vadiname aktyvuotais. Pavyzdžiui kovalentiniuose kristaluose atomai taps

aktyvuoti, nutraukus kovalentinę jungtį, joniniuose- A+B- tipo junginiuose aktyvuotais

vadinsime į neutralų A0B0 būvį pervestus atomus, metaluose, kur elektronų relaksacija

labai greita(~10-19s ), aktyvuoti atomai svyruos apie pusiausvyros padėtis didesne

amplitude. Joniniu bombardavimu aktyvuodami paviršių keičiame adsorbcijos ir

chemosorbcijos kinetika taigi ir heterogeninių reakcijų kinetika. Aktyvacija jonais

duoda sinergetinį efektą, kai vienalaikis PCh ir joninis ėsdinimai duoda žymiai didesnį

ėsdinimo greitį nei atskirai vykdomų procesų suminio ėsdinimo greitis. 2.2 pav.

parodytas Si ėsdinimas XeF2 dujomis. Pradžioje Si veikia tik ksenono fluoridas, kurio

molekulė paviršiuje skyla į ksenoną ir molekulinį fluorą. Kol nėra bombardavimo F2 yra

beveik inertiškas silicio atžvilgiu.Pradėjus paviršių bombarduoti Ar+ jonais ėsdinimo

greitis staiga išauga, tačiau nutraukus XeF2 srautą jis vėl krenta, nes toliau vyksta tik

fizinis bombardavimas argono jonais, pasižymintis mažu ėsdinimo greičiu.

Be taikinio atomų aktyvacijos, krintantis į paviršių, ypač mažų energijų

jonai, stimuliuoja reakcijos produktų, net tarpinių (pvz. SiF2) desorbciją, adsorbuotų

dalelių migracija taikinio paviršiuje, o tai savo ruožtu didina heterogeninių reakcijų

greitį.

Visos išvardintos priežastis sąlygoja didelius ėsdinimo greičiai RJE metu.

Jie yra žymiai didesni nei fizikinio ar cheminio dulkinimo atvejais. Tačiau RJE turi ši

2.2 pav. Silicio ėsdinimo greičio priklausomybė nuo ėsdinimo trukmės, vyraujant jonų

pagreitintoms reakcijoms

36

privalumą tol , kol paviršiuje nesusidaro inhibitorinis sluoksnis.Didelis radikalų srautas

į paviršių sudaro itin palankias sąlygas inhibitorių augimui.

4.Inhibitorių susidarymas

Reakciją lėtinančios medžiagos vadinamos inhibitoriais. PCh ar RJE procesų

metu inhibitoriai ima kauptis taikinio paviršiuje stabdydami ėsdinimą. Nustatyta, kad

fluorokarboninėje (CF4, C3F8, C2F6) plazmoje inhibitoriai pradeda formuotis jei F/C

santykis išeities molekulėje mažesnis už 4. Pridedant F atomus surišančių priedų

polimerizaciją galima iššaukti ir kai F/C=4. Pavyzdžiui, silicio ėsdinimo greitis CF4/H2

mišinio plazmoje dėl didėjančio fluoro deficito bei CF2 radikalų dominavimo mažėja,

didinant vandenilio koncentraciją. Kai vandenilio yra nuo 20 % iki 65 % silicio

ėsdinimas nevyksta, ir tik toliau didinant vandenilio koncentraciją, dėl galimų SiH4

junginių susidarymo, ėsdinimo greitis pradeda nežymiai didėti. Kitomis medžiagomis

(SiO2, Si3N4), tokio didelio koncentracijos intervalo nėra, todėl esant 60-80 %

vandenilio gaunamas didelis(iki 10:1) ėsdinimo Si/SiO2 selektyvumas.

Veikiant paviršius halokarbonine plazma, be lakias molekules formuojančių fluoro

atomų, ant paviršiaus nusėda ir CFx tipo radikalai. Dėl polimerizacijos reakcijų

paviršiuje stebimas stipriai fluoruotas anglies sluoksnis. Junginiai, sudarantys šį

sluoksnį vadinami politetrafluoretilenui būdingais junginiais. Politetrafluoretileną

sudaro (CF2)n polimeras, tačiau dėl įvairių radikalų, (CF3, CF2, CH, CHF, CHF2)

egzistavimo plazmoje gryno politetrafluoretileno negauname.Priimta ant paviršiaus

susidarantį (CFx)n polimerą vadinti politetrafluoretileno tipo junginiu (2.3 pav.). C/F

santykis tokiame sluoksnyje priklauso nuo C/F santykio halogeninėje molekulėje,

išlydžio galios, slėgio ir jonų energijos, temperatūros, dujų srauto.Pavyzdžiui nustatyta,

kad CF4 plazmoje, kol išlydžio galia P≤800W, dominuoja CF3 ir F radikalai ir CF3+

jonai, t.y. sąlygos, kurioms esant polimerizacijos nebus.Tačiau didinant išlydžio galia

(P>800W) didėja elektronų energija ir plazmoje gausėja CFx radikalų kuriems x<3.

Nustatyta,kad CF2 koncentracija didinant galią didėja tiesiškai, o CF3 įsisotina, taigi

laikui, bėgant sukuriamos sąlygos polimero susidarymui /10/. Ėsdinant plokštumą, dėl

tolygaus bombarduojančių jonų tankio visame paviršiuje pirmiausia nutraukiami

nestabilūs C-F ryšiai (Ed=545kJ/mol), todėl po ilgalaikio bombardavimo lieka tik

stipriais tarp

37

2.3 pav. Tetrafluoretileninio tipo junginio fragmentas atominiais C-C (Ed=605kJ/mol) ryšiais pasižymintys junginiai, vadinasi paviršiuje augs

anglies sluoksnis, bet nebus polimero. Vykdant profilinį ėsdinimą, kanalo dugne C-F

ryšių koncentracija bus netolygi ir priklausys nuo formuojamo kanalo pločio bei gylio

santykio (ėsdinimo gebos). Taip atsitinka dėl jonų atspindžio nuo nuožulnaus kanalo

šlaito, be to, didėjant kanalo gyliui, ant jo sienelių formuojasi polimerinis sluoksnis,

kuris proceso metu gali įsielektrinti, jonų srautas bus iškraipomas, ir joninės srovės

tankis ėsdinamo kanalo dugne tampa netolygiu /11/.

Norint pašalinti karboninius junginius naudojami halokarboninės plazmos

mišiniai su deguonimi. Silicio ėsdinimo greitis CF4/O2 plazmoje priklauso nuo

deguonies koncentracijos. Dėl deguonies reakcijų su anglimi paviršiuje formuojasi

lakūs CO,CO2 junginiai ir ėsdinimas vyksta visomis kryptimis. Tačiau, jei deguonies

koncentracija yra didesnė nei 30 %, pradeda konkuruoti oksidacijos ir ėsdinimo

reakcijos. Jei deguonies yra pakankamai paviršiuje susiformuoja oksidas ir ėsdinimo

greitis nebepriklauso nuo deguonies koncentracijos plazmoje. Ėsdinant silicį tokioje

plazmoje paviršiniame sluoksnyje dažniausiai dominuoja SiFxOy tipo junginiai. Toks

junginys bus inhibitorius fluoro ir chloro radikalams.

Paviršiaus oksidavimas ir fluoravimas halogeno - deguonies plazmose stebimas

ėsdinant ir kitas medžiagas. Pavyzdžiui, veikiant titano nitridą CF4/O2 plazma,

38

paviršiuje dominuoja TiF3, TiO2 ir TiN ryšiai. Nepaisant to, kad deguonies yra tik 10 %

nelakaus titano oksido paviršiuje didėja ilgėjant proceso trukmei.

Ėsdinant silicį Cl2 ar kitoje chloro turinčioje plazmoje polimerinė plėvelė

nesusidaro. Ėsdinimas vyksta dėl paviršiuje susidarančio silicio tetrachlorido, kurio

virimo temperatūra yra 57,65oC. Nustatyta, kad chloro atomų adsorbcijos tikimybė

didėja, augant padėklo temperatūrai be to didėjant temperatūrai, išauga ir SiCl4

desorbcija, nulemianti ėsdinimo spartą. Todėl silicio ėsdinimas yra galimas ir

neutraliose Cl2 dujose, jei adsorbcijos metu vyks disociatyvinė Cl2 molekulės sąveika

su paviršiumi. Jei paviršaus temperatūra pakankama, ėsdinimas gali vykti ir SiCl2 ar

SiCl3 fragmentų dėka. Tačiau, kad desorbuotų susiformavusi ant paviršiaus lokali SiCl2

struktūra ji turi gauti 2,7 eV energiją, o SiCl3 desorbcijai užtenka 1,2 eV energijos.

Tokių fragmentų pašalinimas įmanomas, jei padėklo temperatūra yra 800oK ir 500K

atatinkamai Esant žemoms padėklo temperatūroms, šių junginių desorbcija yra

apsunkinta, todėl jie gali būti pasyvacine plėvele tolimesniam ėsdinimui. Joninis

bombardavimas galėtų suteikti šiems fragmentams pakankamai energijos jų desorbcijai.

Nustatyta, kad net nedideles deguonies koncentracijos Cl2 plazmoje sumažina Si

ėsdinimo greitį, o ant paviršiaus formuojasi SiOxCly sluoksnis. Šio sluoksnio storis

priklauso nuo deguonies kiekio. Esant 25% deguonies, ėsdinimas sustoja, nes jo yra

pakankamai, kad išstumti chlorą iš Si-Cl ryšio.

AIIIBV junginius galima ėsdinti tik chloro plazma, nes trečios grupės elementai

su fluoru sudaro nelakias,tik aukštoje temperatūroje sublimuojančias, druskas (GAF3,

AlF3 ir t.t).

Joninė apšvita inhibitorių gali ne tik nušalinti, bet ir modifikuoti. Modifikacijos

pasėkoje inhibitorinis sluoksnis gali sutankėti, pasikeisti tarp atominis ryšių tipas ir jo

pašalinimas JB tampa apsunkintas. Todėl būtina ištirti sąlygas, kurioms esant vyksta

polimerinio sluoksnio erozija, o kada augimas ar modifikacija.

39

5. Mikrostruktūrų formavimas

5.1 Ėsdinimo selektyvumas

Selektyvumu suprantame kaukės ir plėvelės (ar sluoksnio), kurioje

formuojama struktūra ėsdinimo greičių santykį. Pageidautina, kad kaukės ir medžiagos

ant kurios yra plėvelė (pasluoksnio) ėsdinimo greitis būtų mažas, o ėsdinamos plėvelės

– didelis.Dažniausiai kaukei naudojamos organines kilmės medžiagos –rezistai.

Begalinį Si ėsdinimo selektyvumą rezisto ir pasluoksnio atžvilgiu galima pasiekti

naudojant šlapią cheminį ėsdinimą, tačiau piešinys iškraipomas dėl rezisto adhezijos

prie plėvelės. Plazminis apdirbimas nejautrus kaukės adhezijai, tačiau rezisto erozijos

greitis gali viršyti Si ir SiO2 ėsdinimo greitį, nes vienas krintantis jonas gali išmušti iki

100 CFx tipo radikalų. Jei dėl joninio poveikio netenkame apie 20% kaukės storio,

pradės formuotis izotropinis profilis, nors ėsdinimo procesas ir anizotropinio pobūdžio.

Kaukės atsparumas erozijai priklauso nuo ją sudarančio polimero struktūros. Pvz., poli-

buten-sulfono erozija 10 kartų didesnė DXH rezisto.

Veikiant rezistą CF4-xClx , fluoro ar deguonies plazma, vandenilio atomai

ištraukiami iš rezisto

CHx + F2 → CF4 + HF (2.15)

CHx + O2 → CO2 + H2O (2.16)

Daugiau anglies atomų turinčio rezisto erozija yra sunkesnė, aromatiniai polimerai yra

stabilesni ir JB ir ultravioletiniam (UV) (200 – 300 nm) spinduliavimui – jie stabilizuoja

rezistą ,išspinduliuodami perteklinę energiją fluorescencijos metu (C8H8O – santykinė

erozija 1, C4H8SO2 – 8,2; C5H6O2–4,2) Jei temperatūra viršys kritinę Tkr.prasidės

polimerų degradacija kuri veda prie monomerų susidarymo. Pvz., C4H8SO2 virs į

monomerų mišinį prie Tkr>600C, taigi, esant intensyviam JB, padėklą būtina šaldyti.

Esdikliu naudojant linkusias polimerizuotis dujas (C3F8, CF4 + H2) galima padidinti

rezisto atsparumą erozijai, arba, pavyzdžiui, vykdant JPE argonu nedidelis CH4 priedas,

leidžia naudoti rezitą kaip kaukę, nes CH4 lengvai ant jo polimerizuojasi.

Negatyviniai UV ir elektroniniai rezistai termostabilūs iki 1500C ir

atsparūs plazminiam poveikiui.

40

Neorganiniai rezistai ir metalinės kaukės patiria žymiai mažesnę eroziją,

todėl gerai tinka naudojant JPE arba RJRE, tačiau gaminant tokias kaukes yra

technologinių problemų.

5.2 Anizotropinis ėsdinimas

Anizotropiškumas (kryptingumas) nusakomas kaip ėsdinimo gylio h ir paėsdinimo

po kauke l santykis

A=h/l (2.17)

Anizotropiškumą galime nusakyti ir per ėsdinimo greičius

A= Vg/Vš (2.18),

kur Vg irVš ėsdinimo greičiai į gylį ir šoną atitinkamai

Plazmocheminiai ir reaktyvūs joniniai procesai, vykstantys medžiagos paviršiuje bei

dujinėje aplinkoje, sąlygoja formuojamų struktūrų profilius. Ėsdinimo

anizotropiškumą galima padidinti:

1. naudojant jonais stimuliuota cheminį ėsdinimą;

2. vykdant šoninių struktūros paviršių pasyvaciją nelakiais reakcijų produktais.

Anizotropinis silicio ėsdinimas fluoro atomais praturtintoje plazmoje dėl spontaninės

ėsdinimo prigimties yra sudėtingas. Dėl fluoro aktyvumo bei cheminės reakcijos su

silicio atomu, fluoras atlaisvina kaimyninį Si-Si ryšį, todėl sekantis fluoro atomas

prisijungs žymiai sparčiau, o pati fluoravimo reakcija vyksta visomis kryptimis.

Ėsdinant CF4 aplinkoje, esant žemam (keletas Pa ir daugiau) dujų slėgiui,

nepriklausomai nuo išlydžio galios bei jonų energijos, vyksta izotropinis procesas su

žymiu paėsdinimu.

Jei plazmoje ir ant paviršiaus yra CFx radikalų, kurie turi pakankamą dipolinį

momentą ir gali ilgą laiką gyvuoti Si paviršiuje, laisvas silicio ryšys gali susijungti su

šiais fragmentais. Norint anizotropiškai ėsdinti silicį CF4 plazmoje, reikia didinti

krintančių jonų energiją, srauto tankį bei mažinti CFx radikalų gyvavimo trukmę,

mažinant slėgį kameroje.

Aktyvių radikalų koncentracija ant paviršiaus sumažėja, sumažinus slėgį

kameroje (p ≤ 10-1Pa), tuomet sumažėja cheminė ėsdinimo dedamoji, sąlygojanti

ėsdinimo izotropiškumą. Išaugus joninei ėsdinimo dedamajai, galima tikėtis

anizotropinio struktūros profilio. Anizotropijos koeficientas tampa tiesiog proporcingas

41

jonų energijai. Įvedus į CF4 vandenilio priemaišų, sukuriamas fluoro deficitas, kuris

didėja, didinant vandenilio koncentraciją. To pasėkoje išauga CFx radikalų, kurie yra

aktyvus polimerizacijos centrai, koncentracija. Nusėdę radikalai gali jungtis tarpusavyje

ir formuoti stabilų inhibitorinį sluoksnį, atsparų tiek cheminiam ėsdinimui halogenais,

tiek joniniam bombardavimui.

Vykdant jonais aktyvuotą profilinį ėsdinimą, anizotropiškumą lemia ne tik

pasyvacijos - polimerizacijos procesas ant kanalo sienelių, bet ir dėl jonų

bombardavimo metu sukurtų radiacinių defektų kryptingas pasiskirstymas. Suaktyvintas

paviršiaus atomas greičiau reaguoja su radikalu, o tai lemia ėsdinimo kryptingumą.

Anizotropiškumas didėja, didinant jonų masę bei energiją. Ėsdinimo anizotropiškumui

didelę įtaką turi ir halogeno dydžio efektas. Schematinis tokios priklausomybės vaizdas

parodytas 2.4 pav.

2.4 pav. Ėsdinimo greičio priklausomybė nuo halogeno dydžio [12].

Įvedus į fluoro turinčią plazmą chloro ar bromo atomų, anizotropinis ėsdinimas

sustiprėja dėl trijų faktorių: dėl dulkėjimo spartos ėsdinimo kryptingumo, dėl

padidėjusios defektų koncentracijos bei sienelių pasyvacijos CFx ir CClx, CBrx

fragmentais. Jei ėsdinimą atliekame chloro plazmoje, čia esantys sunkūs Cl jonai

bombarduodami paviršių efektingai numuša CFx radikalus ir sukuria daugiau defektų,

42

dėl ko išauga radiacijos skatinama fluoro ir chloro difuzija. Lakūs junginiai arba jų

fragmentai gali formuotis jau gilesniuose sluoksniuose, o juos atidengus reikės mažiau

energijos desorbcijai. Radiacinių defektų pasiskirstymas jonų kritimo kryptimi didins

ėsdinimo anizotropiškumą. Sienelių pasyvaciją lems pagrindinės molekulės disociacijos

produktai. CF4-xClx molekulė disociacijos metu išlaisvins chloro atomus, kadangi C-Cl

atomizacijos energija yra 397 kJ/mol, o C-F - 545kJ/mol. Todėl pasyvacinę plėvelę

formuos CFx radikalai, Cl2 molekulės ir SiClx(x<3) fragmentai, o joninį ėsdinimą

vykdys sunkūs, aktyvūs chloro jonai, krintantis paviršiaus normalės kryptimi.

Naudojant fluoro ir chloro turinčią plazmą, be SiF4 ar SiCl4, gali susidaryti ir lakūs

SiF3Cl ar SiCl3F. Papildomų lakių produktų formavimasis labiau tikimas jonų kritimo

kryptimi.Visų šių faktorių pasėkoje išauga ėsdinimo kryptingumas jonų bombardavimo

kryptimi. Ėsdinimas viso proceso metu yra anizotropinis. Joninio dulkinimo sparta

priklauso nuo jonų kritimo kampo, todėl kaukės kraštai dulka greičiau ir ilgainiui jie

nubombarduojami, kaukė iš stačiakampės tampa trapecine, prasideda bandinio

viršutinės dalies ėsdinimas ir kanalo profilis iš stačiakampio tampa “tulpės žiedo”

formos.

Anizotropiškumas tuo didesnis, kuo daugiau chloro atomų freono molekulėje.

Ėsdinant CF2Cl2 plazmoje pradiniame etape, net esant nedidelei jonų energijai, profilis

anizotropinis. Ėsdinimo reakcijos yra spartesnės nei polimerizacijos. CF2 radikalai

kanalo dugne nespėja sudaryti polimerinio junginio, kadangi besiformuojantys polimero

klasteriai pašalinami joniniu bombardavimu. Tačiau horizontaliame paviršiuje (arba

kelių µm pločio kanalo dugne) per ilgą laiką susidaro stabilus inhibitorinis sluoksnis ir

~100 eV energijos jonai jo suardyti nebegali. Ilgainiui ėsdinimas į gylį sustoja,

prasideda susidariusio inhibitorinio sluoksnio bombardavimas, tuo pačiu metu vykstant

ir jo augimui. Siaurų (h< 2,7 µm) kanalų ėsdinimas pradiniame etape vyksta tolygiai.

Skirtingai nuo plačių kanalų, ėsdinimas į gylį nenutrūksta, tačiau nuėsdinus kaukės

kraštus jonų kritimo trajektorija pasikeičia ir dalis jų, atsispindėję nuo kaukės ar

nuožulnios kanalo sienelės dalies, krenta į dugną prie struktūros krašto, kur stimuliuoja

intensyvų PCh procesą- formuojasi W tipo struktūra /13/.

43

Aparatūra ir darbo metodas

2.5 pav. Diodine AD vakuumine sistema.

Reaktyvinis joninis ėsdinimas CF2Cl2 atliekamas asimetriniame diodiniame 13,6

MHz dažnio reaktoriuje/ Tokio tipo sistemos trūkumas - mažas našumas, susijęs su

nedideliu elektronų šoniniu efektu,bei nelakių dalelių sėdimas ant apdirbamo paviršiaus.

Viršutiniu katodu šioje sistemoje tarnauja kameros gaubtas. Darbinių dujų sumaišymas

vykdomas atskirame maišiklyje, ir į kamerą paduodamas pilnas mišinys. Dujų

padavimas kontroliuojamas trimis mažų srautų reguliatoriais. Pavyzdėliai talpinami ant

apatinio 10 cm diametro elektrodo, prie kurio privesta aukšto dažnio 13,6MHz įtampa.

Generatoriaus galia kinta nuo 0 iki 300 W. Slėgis kameroje gali būti pasiekiamas iki

0,1-26,6Pa, Jonų energija kinta nuo 100-600eV.

Bendra įrenginio schema parodyta 2.5 pav.

Skenuojančios elektroninės mikroskopijos (SEM) pagalba galime įvertinti

ėsdinimo anizotropiškumą, selektyvumą “kaukės” atžvilgiu, išėsdintos mikro struktūros

profilius, kanalo gylius, paviršiaus topografiją. SEM veikimo principas pagrįstas

elektronų pluošte1io sąveika su bandiniu. Svarbiausia SEM komponentas - elektroninė-

optine kolona, kurią sudaro elektronine patranka, formuojanti elektroninį spindulį ir

elektromagnetinių Iinzių, valdančių suformuotą spindulį, sistema. SEM taip pat

naudojamas elektronų greitintuvas, kurio potencialų skirtumas galį kisti nuo 1 kV iki 50

kV. Priklausomai nuo greitinančio potencialo skirtumo, elektronų sąveika su medžiaga

gali būti skirtinga. Kol greitinantis potencialų skirtumas nedidelis, elektronai gali

44

atsispindėti nuo paviršiaus sąveikaudami su paviršiuje esančiais atomais. Šios sąveikos

metu nevyksta energijos mainai tarp elektronų ir atomų. Esant didesniems greitinančio

potencialo skirtumams, elektronai įgyja didesnę kinetinę energijų ir gali jonizuoti

medžiagos atomus. Tada nuo paviršiaus detektorių patenka ne tik atsispindėję, bet ir

antriniai elektronai. Šiuo atveju bandinio paviršiaus geometrinis vaizdas gaunamas

geresnis.

Paviršiaus topografijos tyrimai bus atliekami Kauno technologijos universitete,

Fizikinės elektronikos institute JEOL JMS25S modelio skenuojančiu mikroskopu.

Maksimalus didinimas 100000 kartų, greitinanti įtampa 30kV, mikroskopo didžiausia

skiriamoji geba 7 nm. Elektronus spinduliuoja standartinis volframo katodas, o vaizdą

stebime antrinių elektronų pagalba. Paviršiaus topografijos nuotraukos buvo sudaromos

naudojant įvairius didinimus.

Darbo eiga I) Sistemos paruošimas darbui:

1) Įjungti sistemos maitinimą: trys kirtikliai įrenginio įtampos skyde. 2) Paduoti į sistemą vandenį: atsukti tris pagrindinius vandens čiaupus

laboratorijoje. II) Paruošti vakuuminį įrenginį darbui. Pagrindiniai jungikliai parodyti 2.4 pav.

2.6 pav.

1) Įjungti vakuuminio įrenginio maitinimą (2.6 pav. 1). 2) Įjungti mechaninį-rotacinį siurblį (2.6 pav. 2). 3) Patikrinus ar uždaryta siurbimo iš vakuuminės kameros vakuuminė

sklendė (2.7 pav. 1), atidaryti sklendę siurbimui iš difuzinio siurblio (2.7 pav. 2).

45

2.7 pav.

III) Paruošiame bandinius ir įrenginį

technologiniam procesui.

1) Atsukame oro įleidimo į vakuuminę

kamerą sraigtą “Įleidimas” (2.7 pav. 3).

2) Pakeliame vakuuminės kameros gaubtą:

spaudžiame mygtuką “↑” (2.8 pav. 1)

Pastaba: Gaubtą kelti ne daugiau kaip

50 cm.

3) Ant padėklo (2.7 pav. 4) dedame

bandinius. Dalį bandinio uždengiame kita

silicio plokštele, kad galėtume stebėti ribą

tarp paveikto ir neveikto paviršiaus.

Pastaba: Vieno proceso metu atliksime

ir silicio, ir silicio oksido, ir

mikrostruktūros su fotorezistyvine

“kauke” ėsdinimus.

4) Nuleidžiame vakuuminį gaubtą:

spaudžiame mygtuką “↓” (2.8 pav. 2).

2.8 pav.

Pastaba: Prieš nuleidžiant gaubtą, patikrinti ar

niekas nekliudo gaubto nuleidimui bei

sandarumui. Likus 5 cm., nuleidimą sustabdome

ir dar kartą patikriname ar kameros gaubtas

neprispaus guminių žarnų ar elektros laidų.

5) Užsukame sraigtą “Įleidimas”(2.7 pav. 3),

uždarome siurbimo iš difuzinio siurblio sklendę

(2.7 pav. 1), - atidarome siurbimo iš kameros

vakuuminę sklendę (2.7 pav. 2).

6) Atsiurbiame vakuuminę kamerą iki 8 Pa (

termoporinio – jonizacinio vakuumetro skalėje (I

Priedo 2 pav.) iki

6•10-2 mmHg, arba, jei skalė graduota mA,- iki 25 mA.)

Pastaba : Jungikliu, pažymėtu “Daviklis” (2.6 pav. 3), galime keisti daviklius,

kuriais matuojame slėgį kameroje ir difuziniame siurblyje.

46

7) Atsargiai atsukame dujų baliono sklendę (I Priedo 3 pav. 1), stebėdami pirmojo

manometro parodymus (I Priedo 3 pav. 2).

8) Atsargiai prisukame reduktoriaus sraigtą (I priedas 3 pav. 3), kad antrojo manometro

(I priedas 3pav. 4) rodyklės parodymai neviršytų1,5 atm.

Pastaba: Jei reduktorius turi srauto reguliavimo rankenėlę (I priedas 3 pav. 5), ją

atsukame, kad dujų srautas patektų į gumines žarnas. Jei žarna pradeda pūstis,

staigiai atsukame dujų srauto padavimo į vakuuminę kamerą rankenėlę (I priedas

4 pav. 1), kad dujos patektų į kamerą..

2.9 pav.

9) Įsitikinę, kad iš

baliono paduodamas

dujų srautas pateko į

žarnas, atsargiai

sukdami srauto

matuoklio rankenėlę (I

priedas 4 pav. 1),

nustatome dujų srautą 5

cm3/s

IV) Plazminio proceso

paleidimas ir valdymas.

2.10 pav.

1) Įjungiame AD generatoriaus (2.10 pav.)

maitinimą aukštos įtampos skyde (2.9 pav. 1).

2) Palaukę kelias minutes, kol įkais

generatoriaus kaitinimo lempa, įjungiame

aukšto dažnio generavimo lempą (2.10 pav.

1).

3) Aukštos įtampos skydę įjungiame jungiklį

“ A.įtampa” (2.9 pav. 2)

4) Sukdami generatoriaus 2 ir 3 (2.10 pav.)

rankenėles, nusistatome 200V įtampą, kurią

matuojame skaitmeniniu voltmetru.

5) Užfiksuojame laiką, o procesą atliekame 5

min.

V) Proceso pabaiga

47

1) Praėjus 5 min. išjungiame jungiklį“A.įtampa” (2.7 pav. 2). 3) Palaukę keletą sekundžių, užsukame dujų srauto matuoklio rankenėlę (I priedas 2.6 pav. 1), bei keletą minučių palaukiame, kol kamera atsiurbiama. 4) Uždarome siurbimo iš kameros vakuuminę sklendę (2.5 pav. 1) ir atidarome siurbimo iš difuzinio siurblio (2.5 pav. 2) sklendę. 5) Įleidžiame į kamerą orą (atsukame sraigtą “Įleidimas” (2.5 pav. 1)). Po šių operacijų pakeičiame bandinius, atsiurbiame kamerą, paduodame į

plazmos kamerą tą patį dujų srautą, tą patį priešitampį ir procesą pakartojame,

prailgindami poveikio trukmę iki 10 ir 20 min.

Eksperimentą vėl pakartojame esant jonų energijai 400V.

VI) Darbo pabaiga. 1) Interferenciniu mikroskopu išmatuojame išėsdinto laiptelio silicyje ir silicio okside aukštį bei suskaičiuojame ėsdinimo greičius. 2) Užsukame dujų balioną bei visas dujų padavimo sklendes reduktoriuje ir įrenginyje. 3) Išjungiame generatoriaus AD generavimo lempą (2.8 pav. 1) ir maitinimą (2.7 pav. 1) 4) Atsiurbiame vakuuminę kamerą, uždarome abi vakuumines sklendes. Išjungiame rotacinį siurblį (2.4 pav. 2). Tuo pačiu momentu, kai išjungiamas rotacinis siurblys, paspausti mygtuką “Oras” (2 pav. 4), kad oras patektų į siurblį. 5) Išjungiame įrenginio maitinimą (2.4 pav. 1) 6) Užsukame tris pagrindinius vandens čiaupus, išjungiame vakuuminio įrenginio maitinimo įvadą.

Rezultatų analizė:

1) Interferenciniu mikroskopu išmatuoti išėsdinto laiptelio gyli, suskaičiuoti Si ir SiO2

ėsdinimo greičius, bei nubrėžti jų priklausomybes nuo proceso trukmės, jonų

energijos. Palyginti šiuos rezultatus su joninio spindulinio ėsdinimo metu pasiektais

greičiais.

2) Skenuojančiu mikroskopu išmatuoti mikrostruktūros gylį, įvertinti ėsdinimo

anizotropiškumą ir selektyvumą kaukės atžvilgiu.

48

LABORATORINIS DARBAS NR.3

Plazminis oksidinimas

Darbo tikslas

Susipažinti su oksidacijos plazmoje procesu. Paveikti mono kristalinį silicį

deguonies plazma. Ištirti oksido sluoksnio storio bei kompleksinio lūžio rodiklio

priklausomybę nuo proceso trukmės bei jonų energijos. Susipažinti su matavimais

elipsometru.

Teorinė dalis

Oksidinimas tai fizikinis – cheminis procesas, kurio metu medžiagos

paviršiuje sudaroma jį pasyvuojantis ir maskuojantis dielektrinis sluoksnis.

Dažniausia tai tos pačios medžiagos oksidas pvz. aliuminiui tai Al2O3, tantalui –

Ta2O5, siliciui – SiO2.

Procesą aprašančios cheminės reakcijos gana paprastos, pvz. silicio oksidinimui

sausame deguonyje ar vandens garuose:

Si(k) + O2 → SiO2(k) (3.1)

Si(k) + 2H2O → SiO2(k) + 2H2 (3.2),

kur k – reiškia kietąją medžiagos fazę.

Oksidinimo esmę sudaro valentinių elektronų pasiskirstymas tarp deguonies ir kito

elemento (Si,Ta, Al) atomų.

Trumpai aptarsime silicio oksidinimą. Ryšys deguonis – silicis yra

kovalentinis. Oksidinant silicį Si – SiO2 riba juda į silicio padėklą, tačiau gautas tūrio

padidėjimas rodo, kad išorinis SiO2 plėvelės paviršius nesutampa, su pirminiu Si

paviršiumi. Nustatyta, kad termiškai oksidinant d storio oksido plėvelė išauga

sunaudodama 0,44d silicio sluoksnį. Eksperimentai rodo, kad oksidas auga oksidantui

(deguoniui) difunduojant per oksidą prie Si – SiO2 ribos, kur ir vyksta (3.1) reakcija.

Tačiau iki šiol ginčijamasi, kokia dalelė – įelektrinta ar neutrali difunduoja per oksidą.

Terminio oksidinimo kinetika aprašo Dilo – Grau (Deal – Grove) modelis, kuris gerai

49

3.1 pav. Silicio oksidinimo mechanizmas

tinka 700 – 13000C temperatūrą intervalui ir (0,2 – 1,0) 105Pa parcialiniam deguonies

slėgiui, bei 30 – 2000 nm storio plėvelėms /14/. Pav. 3.1 parodyta silicio plokštelė,

kurios paviršius dengia SiO2 sluoksnis, kuris, savo ruožtu, yra veikiamas dujų.

Deguonis difunduoja iš dujinės fazės prie oksido – dujų ribos. Šį srautą pažymėkime

F1. Pagal Henrio dėsnį:

F1 = hG (C0 – Cs) (3.3),

kur hG – masės pernešimo koeficientas dujinėje fazėje, C0 ir Cs – oksidanto

koncentracija dujose ir ant paviršiaus.

Oksidanto srautą per oksidą nusako Fiko lygtis

F2 = dddCD− (3.4),

kur D – difuzijos koeficientas, dd

dC - oksidanto koncentracijos gradientas okside.

Si – SiO2 riboje reakciją nusakantis srautas:

F3 = ksCi (3.5),

kur ks oksidinimo reakcijos (3.1) greičio konstanta.

Stacionariu atveju: F1 = F2 = F3 ir spręsdami lygčių sistemą gautume Ci ir C0

reikšmes.

Nagrinėjant oksido augimo kinetika gauta,, kad ilgiems procesams oksido

storis aprašomas paraboliniu dėsniu:

Bt=d (3.6),

kur B –nuo proceso parametrų priklausanti konstanta.

50

Trumpalaikiam procesui oksido storis aprašomas tiesiniu dėsniu:

)(d τ+= tAB (3.7),

čia B/A – tiesinė oksidinimo konstanta, τ - laikas įskaitantis natūralaus

(dėl sąveikos su atmosferos deguonim) oksido susidarymą.

Su siliciu reaguoja atominis deguonis, tačiau kas difunduoja per oksidą prie Si

– SiO2 ribos neaišku. Dilo – Grou modelis gerai sutampa su eksperimentu, bet remiasi

teiginiu, kad difunduoja deguonies molekulės. Tačiau nagrinėjant elektrinio lauko

įtaką oksidinimo greičiui gauta, kad dalis oksidanto dalelių yra dukart jonizuoti O2-

deguonies atomai.

Mikroelektronikos technologijoje itin aktualus klausimas – ploni (5-100 nm)

žemose (kambario) temperatūrose išauginti oksidai. Šiuo atveju temperatūros

sąlygota difuzija neturi reikšmės, oksidinimą lemia jonizuotų dalelių dreifas

elektriniame lauke. Procesas vykdomas žėrinčiame deguonies išlydyje, žemų (5-

500Pa) slėgių diapazone. Pavyzdėlis talpinamas plazmos srityje su tolygia dalelių

koncentracija (teigiamą plazmos stulpą) suteikiant jam plazmos atžvilgiu potencialą

Uz. Jonizuotų dujų terpėje patalpinus bandinį aplink jį susidaro nesukompensuotas

erdvinis krūvis, kurio storis δ priklauso nuo bandinio potencialo Uz plazmos

potencialo Upl atžvilgiu. Jei bandinys plazmos atžvilgiu turi neigiamą potencialą,

erdvinį krūvį sudarys teigiamų jonų debesėlis. Joninis srovės tankis į bandinį,

neįskaitant šiluminio jonų judėjimo plazmoje, bus aprašomas lygtimi:

2

2/3

92

δ=

Umej j π

(3.8),

čia U = Uz - Upl. Esant tam tikroms sąlygoms (U>7-10V) jj nepriklauso nuo U ir bus

apsprendžiamas plazmos parametrų. Adsorbavę bandinio paviršiuje deguonies jonui

elektrinio lauko poveikyje juda per oksidą. Jonų srautas, randamas pagal formulę

Fj=jj/e, yra dominuojantis. Narys nusakomas (3.3) formule šiuo atveju yra

nereikšmingas.

Srovė per oksidą aprašoma lygtimi /15/:

)4

exp(22 E

We

mah

Ehaej ∆π

−π

= (3.9)

51

kur ∆W – draudžiamų energijų juostos plotis, a – oksido gardelės konstanta, h –

Planko konstanta, E – elektrinio lauko stipris.

Stacionariu atveju tolydumo sąlyga reikalauja, kad srovė į zondą ir per

dielektriką būtų lygios. Padarę prielaidą, kad dielektrike E = const. , rasime elektrinio

lauko stiprio reikšmę dielektrike, užtikrinančią tolydumo sąlygą. Skaičiavimų

rezultatai pateikti 3.2 pav.

3.2 pav. Elektrinio lauko stiprio dielektrike priklausomybė nuo jo storio, esant

skirtingoms U.

Jei per oksidą juda neigiamai įelektrinti jonai, tai neigiamas zondo potencialas stabdo

jų judėjimą. Deguonies atomų pasiskirstymą okside rasime spręsdami antrąją Fiko

lygtį, įstatydami koncentracijos gradientą ir elektrinio lauko poveikį:

)(2

22 EC

xxCD

dtdC

∂∂

µ+∂∂

= , (3.10)

čia µ - jonų judrumas.

Pasinaudoję Einšteino sąryšiu

kTe

D=

µ , (3.11)

pertvarkome (3.10) formulę eliminuodami µ.

Stacionariam atvejui (tC∂∂ = 0) ir iš (3.10) gausime

52

0)()()(=

+

∂∂

∂∂ xCxE

kTe

xxC

x. (3.12)

Šios lygties sprendiniai gali būti gauti priėmus kraštines sąlygas kaip pvz.,

C(x) = C0C(x0) = C1. Bet gautus bendrus sprendinius sunku analizuoti, todėl daliniam

atvejui tikslinga (3. 12) lygtį integruoti. Tuomet gausime:

constxCkT

xeExxC

=+∂

∂ )()()( . (3.13)

Kadangi x didėjant C(x) mažėja, tai išreiškę iš (3.13) lygties E(x) gautume: norint,

kad didėjant x lauko stipris E(x) neaugtų į begalybę, reikia konstantą prilyginti nuliui.

Pasinaudoję šia sąlyga ir laikydami, kad paviršiuje deguonies koncentracija C(o) = Cs,

spręsdami (3.13) esant E = const, gausime:

)exp()(kT

eEdCxC s −= (3.14).

Iš (3.14) lygties matome, kad kritinė E reikšmė, atitinkanti stacionarų deguonies

pasiskirstymą okside, t.y. atvejį, kai oksidas nustoja augti:

skr C

CedkTE 1ln= (3.15).

Antra vertus, jei oksidinimo metu E = const, tai kiekvienai E reikšmei gausime

fiksuotą oksido storį dkr:

skr C

CeEkTd 1ln= (3.16)

Jei zondo potencialas teigiamas tai elektrinis laukas greitins jonų difuziją ir

(3.10) neturi stacionaraus sprendinio. Be to, šiuo atveju neutralūs deguonies atomai

zondo paviršių pasiekia per neigiamo erdvinio krūvio sritį ir gali pagauti elektroną.

Taigi, neigiamų jonų koncentracija, ypač esant didesniam slėgiui, paviršiuje išauga, o

tuo pačiu išauga ir oksidinimo greitis.

Augant bandinio paviršiuje oksidui, įtampa U persiskirsto tarp oksido Uok ir

erdvinio krūvio Uek.Didėjant oksido storiui, jame krinta vis didesnė įtampos U dalis ir

srovė į zondą silpnėja. Jei į zondą paduotas pastovus priešįtampis, tai, didėjant oksido

storiui elektrinio lauko stipris okside mažėja, silpnėja jonų dreifas per oksidą, o tai

savo ruožtu mažins oksido augimo greitį. Todėl, esant U = const. oksido augimą

galima suskirstyti į dvi stadijas: pirmoji – greitas kelių dešimčių nm plėvelės

susidarymas; antroji – lėtas augimas mažėjant srovei, t.y. pirmąją dalį aprašys lygtis

analogiška (3.7) lygčiai, o antrąją – (3.6).

53

Matavimo metodika

Silicio paviršiaus optinių savybių tyrimo eksperimentas atliktas elipsometru

L117. Pagrindinės šio prietaiso sudėtinės dalys pavaizduotos 3. 3 pav.

Kaip šviesos šaltinis naudojamas helio-neono lazeris, kurio spinduliuojamos

šviesos bangos ilgis λ=6328Å, spindulio skersmuo 1 mm. Pirmiausia jau minėto

lazerio sugeneruota šviesa, perėjusi per depoliarizatorių, patenka į poliarizatorių ir

tampa tiesiškai poliarizuota. Po to toks šviesos spindulys kerta kompensatorių, kurio

pagalba tiesiškai poliarizuota šviesa paverčiama į elipsiškai poliarizuotą.Toliau

spindulys krinta į tiriamąjį bandinį. Kuomet šviesa atsispindi nuo tokio pavyzdėlio,

jos poliarizacija pakinta priklausomai nuo paviršinio sluoksnio storio bei pagrindo ir

tos plėvelės optinių savybių. Galiausiai šviesa patenka į analizatorių, o po to į

fotodaugintuvą. Tarp jų esantis filtras eliminuoja nereikalingą ir matavimo rezultatus

galinčią įtakoti fono šviesą. Dėl šios priežasties matavimai gali būti atliekami ir esant

normaliomis kambario apšviestumo sąlygomis. Fotodaugintuvo pagalba šviesos

impulsas paverčiamas elektriniu signalu, kuris yra sustiprinamas ir patenka į

elektrinio signalo matuoklį.

3.3 pav. Elipsometro L117 optinė schema.

54

s

p

RR

)i∆exp()Ψtan( =

Yra tam tikra poliarizatoriaus padėtis, kuomet atsispindėjusi nuo tiriamojo

bandinio lazerio šviesa tampa tiesiškai poliarizuota. Tada galima nustatyti tokią

analizatoriaus poziciją, kad į fotodaugintuvą lazerio šviesos spindulys beveik

nepatektų, o elektrinio signalo matuoklio parodymai būtų minimalūs. Būtent tokios

yra matavimo sąlygos, kurios leidžia nustatyti analizatoriaus ir poliarizatoriaus būgnų

padėties vertes.

Nustatant paviršinio sluoksnio lūžio rodiklį elipsometru L117 yra naudojami tokie

dydžiai:

A1- analizatoriaus būgno pirmoji padėtis (nuo 0 iki 90 laipsnių, raudona skalė ).

A2- analizatoriaus būgno antroji padėtis (180˚-A1).

P1- poliarizatoriaus būgno pirmoji padėtis (nuo 315 iki 135 laipsnių, raudona skalė ).

P2- poliarizatoriaus būgno antroji padėtis (90˚+P1).

n- paviršinės plėvelės lūžio rodiklis.

d- paviršinės plėvelės storis.

ω- paviršinės plėvelės storio periodas.

Φ- lazerio spindulio kritimo kampas (30˚,50˚,70˚).

ns- pagrindo lūžio rodiklis.

λ- krintančios į tiriamąjį bandinį šviesos lūžio rodiklis.

Ψ- dydis apskaičiuotas įvertinus analizatoriaus būgno skalės parodymus.

∆- dydis apskaičiuotas įvertinus pliarizatoriaus būgno skalės parodymus.

Dydžiai Ψ, ∆ randami remiantis tokiomis formulėmis:

,2)A(A180

Ψ 12 −−=

o

(3.17)

∆=360˚-(P1+P2), (3.18)

Norint rasti tiriamojo bandinio paviršinės plėvelės lūžio rodiklį bei storį

taikoma fundamentali elipsometrijos formulė:

= f(Φ, λ, ns, n0, nj, dj) (3.19)

čia j=1,2,3…, Rp ir Rs atitinkamai p ir s kryptimi poliarizuotos šviesos Fresnelio

atspindžio koeficientai, n0 aplinkos lūžio rodiklis.

55

Kaip matyti iš (3.19) formulės tiriamojo bandinio paviršinio sluoksnio lūžio

rodiklio skaičiavimas yra gana sudėtingas. Dažniausiai šiuos skaičiavimus atlieka

kompiuterinės programos arba sudaromos specialios lentelės bei grafikai. Būtent

šiame darbe remiantis apskaičiuotomis Ψ, ∆ reikšmėmis paviršinės plėvelės lūžio

rodiklis bei storis buvo nustatomi iš specialiame žinyne pateiktų lentelių. Lūžio

rodiklis skaičiuojamas esant 30˚, 50˚, 70˚ šviesos spindulio kritimo ir atspindžio

kampui. Reiktų pridurti, kad tiriant plazma paveiktus bandinius sunku nustatyti tikslų

pakitusio sluoksnio storį, kadangi tarp paviršinio inhibitorinio sluoksnio bei grynojo

silicio formuojasi mechaninius įtempimus ir defektus turintis interfeisas. Paviršinės

plėvelės lūžio rodiklio bei storio skaičiavimai atliekami laikant, kad Si padėklo lūžio

rodiklis yra ns=3,85-0,02i.

Darbo eiga

1. Silicio oksidinimui naudojamas tas pats joninio spindulinio ėsdinimo

įrenginys YBH-72M-2 kaip ir laboratoriniame darbe “ Joninis medžiagų ėsdinimas“.

Tačiau į padėklą paduodama 100V teigiama įtampa. Deguonies dujų srautas 7 cm3/s.

2. Oksidinimą atliekame 10, 20, 30 min.

3.Eksperimentą pakartojame, kai teigiamas priešįtampis 200V.

4. Elipsometru L177 išmatuojame išauginto sluoksnio storį bei lūžio rodiklį.

Rezultatų analizė

Nubrėžkite oksido augimo greičio priklausomybes nuo proceso trukmės bei neigiamų

jonų energijos. Paaiškinkite, kas vyksta silicio paviršiuje veikiant jį deguonies jonais,

kodėl kinta oksido augimo greitis. Iš apžvalgos optiniu mikroskopu įvertinti

paviršiaus mikroreljefo pokyčius.

I Priedas

1 pa

v. Jo

nini

o sp

indu

linio

ësd

inim

o a)

ir re

akty

vaus

joni

nio

ësdi

nim

o b)

áren

gini

ai

a)b)

I Priedas

2. pav. Termoporinis - jonizacinis vakuumetras

3. pav. Dujø balionas su reduktoriumi.

I Priedas

4 pav. Dujø srauto padavimo á kamerà matuokliai.

59

NAUDOTA LITERATŪRA

1. M. A. Lieberman, Plasma discharges for materials processing and display application.

, Advanced technologies on wave and beam generated plasma, edited by H.Shluter

and A Shivarova, NATO Science Series No.3, Vol 67, Kluwer Academic Publishers,

1999,p. 1-22.

2. У. Моро, Микролитография, Ч 2. // Москва, Мир, 1990, ст. 1037

3. Sigmund P., Sputtering by ion bombardment: theoretical concepts // Sputtering by

Particle Bombardment. Topic in Appl. Phys./ Ed. R. Behrish, Berlin; Heidelberg; NY;

Tokyo; Springer, 1980. Vol. 47, P. 9-71.

4. Иелны Р. Столкновительные тепловие и электроные процессы ионного

распиления // Ионная имплантация в полупроводниковые и другие материалы /

Сер. Новости ФТТ., М., 1980, Вып. 10б Ст. 194-235.

5. Http://www.kinema.com/kinema/katie/DATABAS.html.

6. П.А.Лидин,Л.Л.Андреева, Спраиочник по неорганической химии.,Москва,

Химия, 1987, с.320

7. M.A. Lieberman, A.J. Lichtenberg, Principles of plasma discharges and materials

processing.// A Wiley-Intrescience Publication, John Wiley & Sons Inc, USA, 1994,

P.572

8. Roth. J. Chemical sputtering // Sputtering by Particle Bombardment. Topic in Appl.

Phys./ Ed. R. Behrish, Berlin; Heidelberg; NY; Tokyo; Springer, 1983. Vol. 52, P. 91-

146.

9. Coburn J.W, Winters H.F. , Plasma Etching – A discussion of Mechanisms// J. Vac.

Sci. Technol. V.16, 1979, P. – 319

10. S.Samukawa, K Tsuda, New Radical control Method for SiO2 etching with non

perfluorocompound Gas Chemistry.// Jpn. J. Appl. Phys, Vol. 37, Part 2, No. 10A,

1998, p. 1095-1097

11. K. K. Chi, H.S. Shin, W.J. Yoo., Effects of conductivity of poli silicon on profile

distortion.// Jpn.J.Apl.phys. Vol.35, 1996 Pt. 1., No. 4B, p. 2440-2444.

60

12. T. D. Mantei, High density sources for plasma etching.// Edited by P.F.Williams

“Plasma processing of semiconductors” / Kluwer Academic Publishers, Netherland,

1997, p.137-156.

13. Grigonis A., Rutkūnienė Ž., Kopustinskas V. Si microstructures. Etching in mixtures

containing oxygen and hydrogen // Elektronika ir elektrotechnika.- 1996.- N 5.- P. 66-

68.

14. Deal B. E., Grove A. S., The mechanisms for Thermal Oxidation of Silicon //J. Appl.

Phys., 36, 1965, P.3770

15. Д.В. Зернов., ЖТФ, Т. 15, 1945, С. 447-475,