Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Книга 7. Элионная обработка - Моряков О.С.

Author: Моряков О.С.
Tags: электротехника электротехнические материалы и изделия микроэлектроника полупроводниковые приборы обработка материалов
ISBN: 5-06-001079-1
Year: 1990
Similar
Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Книга 1. Общая технология
Технология полупроводниковых приборов и изделий Кн.8
Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем
Электроника.
Text
                    ТЕХНОЛОГИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ И ИЗДЕЛИЙ
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ	КНИГА
ЭЛИОННАЯ
ОБРАБОТКА
Допущено
Государственным комитетом СССР
по народному образованию
в качестве учебного пособия
для профессионально-технических училищ
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 19
БяЬшдешк С ПТ У й 59
^нв. jVa _________
ББК 31.233
Т38
УДК 621.382
ББК 31.233
6Ф0.32
О.С. Моряков
Рецензенты: канд. техн, наук, доц. Ю.С. Чернозубов
(Московский институт электронного машиностроения); преп.
В.Б. Журавлев (Московский техникум электронных приборов)
Технология полупроводниковых приборов и изделий
Т38 микроэлектроники. В 10 кн. Кн. 7. Элионная обработка.
Учеб, пособие для ПТУ. О.С. Моряков. - М.: Высш, шк.,
1990,- 128 с.: ил.
ISBN 5-06-001079-1
В книге описаны процессы воздействия иа твердое тело элект-
ронных, ионных и оптических пучков, применяемые в микро-
электронике для травления диэлектриков, полупроводников,
металлов, и нанесения их тонких слоев на подложки различными
методами. Приведены сведения по ионной имплантации и моле-
кулярно-лучевой эпитаксии, подгонке сопротивления резисторов и
емкости конденсаторов, разделению материалов, сварке, стимули-
рованию травления, отжигу и закалке. Рассмотрено технологи-
ческое оборудование.
2302030700(4307000000) -011
Т--------------------—----- 38-90
052 (01)-90
Учебное издание
Технология полупроводниковых приборов
и изделий микроэлектроники
Книга 7
Моряков Олег Сергеевич
ЭЛИОННАЯ ОБРАБОТКА
Зав. редакцией С.В. Никитина. Редактор А.Ш. Долгова. Мл. редактор
Т.В. Шеганова. Художественный редактор В.Г. Пасичник. Художник
П.Б. Борисовский. Технический редактор Л.М. Матюшина. Корректор
С.К. Завьялова. Оператор С.Г. Скобелева
ИБ №7870
Изд. № ЭГ-232. Сдано в набор 23.05.89. Подп. в печать 15.08.89. Формат
84х1081/32. Бум. кн.-журн. Гарнитура Пресс-Роман. Печать высокая.
Объем 6,72 усл. печ. л. 6,93 усл. кр.-огг. 7,85 уч.-изд. л. Тираж 21 000 экз.
Зак. № 648. Цена 20 коп.
Набрано на наборно-пишущих машинах издательства
Издательство ’’Высшая школа”, 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул.,
Д. 29/14.
Отпечатано в Ярославском полиграфкомбинате Госкомпечати СССР.
150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.
ISBN 5-06-001079-1	(О О.С. Моряков, 1990
ВВЕДЕНИЕ
Успехи, достигнутые микроэлектроникой, определяются
прежде всего возможностями и уровнем развития технологии
на всех этапах изготовления полупроводниковых приборов и
интегральных микросхем (ИМС) — от производства основных
и вспомогательных материалов до выполнения заключительных
операций сборки, маркировки и упаковки готовых изделий.
Увеличение степени интеграции и быстродействия ИМС,
освоение больших и сверхбольших интегральных микросхем
(БИС и СБИС), а также приборов функциональной электроники
потребовали разработки и внедрения новых технологических
процессов, позволяющих существенно уменьшить размеры
элементов структур с одновременным увеличением точности,
надежности и повышения автоматизации их производства. Тех-
нологические процессы изготовления полупроводниковых при-
боров и ИМС должны не только способствовать улучшению их
параметров, но и быть высокоэкономичными, обеспечивать
повышение производительности труда и снижение трудоемкости.
Наиболее перспективными в производстве изделий микро-
электроники являются технологические процессы, основанные
на взаимодействии потоков частиц (электронов, ионов, радика-
лов) , а также рентгеновского, ультрафиолетового и оптического
излучений с обрабатываемой поверхностью. При этом частицы
могут обладать высокой как кинетической, так и потенциаль-
ной энергией. При взаимодействии с обрабатываемой поверх-
ностью частицы, ускоряемые электрическим и магнитным поля-
ми и вследствие этого обладающие высокой кинетической энер-
гией, распыляют материал. Высокая потенциальная энергия
частиц определяется наличием в них ненасыщенных химических
связей. При взаимодействии таких частиц с обрабатываемым
материалом образуются химические соединения.
Так как кинетическая энергия частиц обычно составляет
несколько килоэлектронвольт, взаимодействие их с обрабаты-
ваемым материалом происходит на небольшой глубине (едини-
цы нанометров), т.е. ограничено десятками атомных слоев. При-
чем эффективность физического и химического взаимодействий
слабо зависит от того, заряжены частицы или нет. Объясняется
это тем, что на расстоянии нескольких десятых нанометра от
обрабатываемой поверхности происходит нейтрализация ионов
электронами, вырываемыми из материала электрическим полем
ионов.
Полностью разделить кинетику физического и химического
взаимодействий невозможно вследствие того, что они взаимо-
3
связаны. Поэтому процессы обработки подразделяют на плаз-
менные, ионные и электронные.
В настоящее время расширяется внедрение лазерной техно-
логии в. различные отрасли народного хозяйства, в том числе и
в микроэлектронику. Технологические возможности лазеров,
особенно на углекислом газе, довольно широки. Так, с помощью
лазеров сваривают детали из металлов, керамики, пластмасс,
прошивают в них отверстия, а также выполняют линейное и
профильное резание, скрайбирование, плавление, чистовую об-
работку и другие операции. По скорости, точности и качеству
обработки лазерное технологическое оборудование в ряде слу-
чаев превосходит технологическое оборудование аналогичного
назначения.
Цикл изготовления полупроводниковых приборов и ИМС
трудоемок и длителен. Следует иметь в виду, что не из каждого
кристалла полупроводника получают годное изделие. Основны-
ми путями увеличения выхода годных изделий и повышения
их качества является совершенствование технологических про-
цессов, основанное на реализации новейших достижений науки
и техники, внедрении современных материалов и оборудова-
ния, автоматизации контроля и управления на основе ЭВМ.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ОСОБЕННОСТИ ЭЛИОННОЙ ОБРАБОТКИ
§ 1. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ЭЛИОННОЙ ОБРАБОТКИ
Такие важнейшие характеристики изделий микроэлектро-
ники, как быстродействие, потребляемая мощность, плотность
упаковки элементов и стоимость, зависят от воспроизводимости
минимальных размеров их структур. Фотолитография, с по-
мощью которой изготовляют структуры полупроводниковых
приборов и ИМС, исчерпала свои возможности. Так, при серий-
ном производстве невозможно получить элементы структур,
имеющие размеры менее 2,5—3 мкм. Между тем элементы со-
временных полупроводниковых приборов и ИМС должны быть
субмикронных (1 мкм и менее) размеров.
Для создания структур с такими элементами используют
электронно-ионную (элионную) технологию, при которой
воспроизводимость и селективность (избирательность) обра-
ботки обеспечивают рентгеновское и ультрафиолетовое излу-
чения, а также потоки заряженных и незаряженных частиц
(электронов, ионов, атомов, протонов, нейтронов). Излучения
и электроны оказывают воздействие на отдельные атомные свя-
зи обрабатываемого материала, а ионы, протоны и нейтроны —
непосредственно на его отдельные атомы и молекулы.
Установлено, что селективность воздействия излучений вы-
ше, однако использование в основном потоков электронов и
ионов в электронно-ионной технологии обусловлено рядом при-
чин. Так, электронные и особенно ионные пучки обладают
значительно большей энергией, чем излучения. Управляют их
перемещением с изменением селективности воздействия с по-
мощью электрических и магнитных полей, что позволяет автома-
тизировать эту операцию. Использование электронных и ионных
пучков в вакууме или в газоразрядной плазме обеспечивает
чистоту процесса. Параметры электронных и ионных пучков
хорошо воспроизводятся, что обусловлено высокой стабиль-
ностью (до 0,001 %) источников питания и потоков частиц.
При обработке электронными и ионными пучками можно объе-
динить в едином цикле несколько операций (очистку, травле-
ние, осаждение) с возможностью их анализа и контроля.
В производстве изделий микроэлектроники используют
несколько методов обработки различных материалов электрон-
ными и ионными пучками.
Электронная обработка основана на воздействии пучка
возбужденных и стабильных электронов, испускаемых нагре-
5
тым катодом, ускоренных магнитным полем и направленных
на обрабатываемую поверхность.
Электронно-лучевая обработка основана на воздействии
создаваемого электронной пушкой сфокусированного электро-
статическими и электромагнитными линзами пучка электронов,
направляемого на обрабатываемую поверхность.
Ионная обработка основана на воздействии на обрабаты-
ваемую поверхность пучка ионов, вытягиваемого из низкотем-
пературной газоразрядной плазмы, полученной в автономном
источнике.
Ионно-лучевая обработка основана на воздействии на обра-
батываемую поверхность сфокусированного пучка ионов, вы-
тягиваемого из автономного источника низкотемпературной
газоразрядной плазмы.
Ионно-термическое (термоионное) осаждение основано на
термическом испарении материала и его нанесении на обрабаты-
ваемую поверхность.
Плазменная обработка основана на одновременном воздей-
ствии потока низкотемпературной плазмы, состоящей из ста-
бильных и возбужденных атомов, а также молекул и продук-
тов их диссоциации (радикалов, положительно и отрицательно
заряженных ионов, электронов), ультрафиолетового и теплово-
го излучений.
Ионно-плазменная обработка — это сочетание ионного и
плазменного воздействий. При этом обработка может произво-
диться как вне плазмы, которая создается автономным источ-
ником, так и непосредственно в плазме.
Магнетронное осаждение является разновидностью ионно-
плазменной обработки и основано на использовании скрещен-
ных магнитного и электрического полей для повышения эф-
фективности ионизации при образовании плазмы, распылении
материала катода (мишени) и последующего нанесения его на
обрабатываемую поверхность.
Среди этих методов наиболее распространена ионно-плаз-
менная обработка, которую используют для травления, поли-
рования и очистки поверхностей, нанесения (осаждения) слоев
различных материалов и формирования прецизионных рисунков
элементов структур. Ионно-плазменное травление подразделя-
ют на ионное, ионно-химическое и плазмохимическое.
При ионном травлении, которое может быть
ионно-лучевым и ионно-плазменным, обработка соответственно
производится сфокусированным пучком ионов, вытягивае-
мых из автономного источника (ионной пушки), или несфоку-
сированным пучком ионов, вытягиваемых из низкотемператур-
ной плазмы.
6
При ионно-химическом травлении обраба-
тываемая поверхность подвергается воздействию как обладаю-
щих значительной кинетической энергией ионов инертных газов
(аргон, гелий), так и химически активных (кислород, фреон).
Ионно-химическое травление подразделяют на реактивное
ионно-лучевое и ионно-плазменное.
При плазмохимическом травлении, кото-
рое может быть плазменным и газовым, обработка соответ-
ственно производится плазмой химически активных газов
или свободными атомами и радикалами, образующимися в ней.
Новыми технологическими процессами, используемыми в
микроэлектронике, являются молекулярно-лучевая эпитаксия и
лазерная обработка.
Молекулярио-лучевая эпитаксия, проводимая в сверх-
высоком вакууме, основана на испарении и переносе вещества
в виде молекулярного потока и осаждении его на обрабатывае-
мую поверхность.
Лазерная обработка основана на воздействии на обрабаты-
ваемую поверхность светового потока, образуемого кванто-
вым генератором электромагнитных волн видимого диапазона
спектра.
Эффективность обработки любым из рассмотренных мето-
дов определяется не зарядом частиц, а их энергией (кинети-
ческой или потенциальной). Объясняется это тем, что на рас-
стоянии до нескольких десятых долей нанометра от обрабаты-
ваемой поверхности происходит нейтрализация ионов электро-
нами, вырываемыми электрическим полем.
§ 2. ПЛАЗМА И ЕЕ СВОЙСТВА
Плазма - это частично или полностью ионизированный газ, состоя-
щий из положительно и отрицательно заряженных частиц, общий заряд
в которых равен нулю. Плазма подчиняется газовым законам, но прово-
дит электрический ток, упраляется магнитным полем.
Для того чтобы перевести газ в состояние плазмы, необхо-
димо хотя бы часть электронов оторвать от атомов, превратив
их в ионы. Этот процесс, называемый ионизацией, происходит
под воздействием теплоты, излучения, электрического разряда.
В технике для получения плазмы наиболее широко используют
электрический разряд.
Механизм ионизации газа в разряде состоит в образовании
лавины электронов. Этот процесс аналогичен процессу цепной
реакции. Для развития лавины необходимо, чтобы воздействую-
щее на газ электрическое поле сообщало электронам на пути
их свободного пробега больше энергии, чем нужно для выбива-
7
ния из атомов хотя бы еще по одному электрону. При этом
достаточно образоваться в газе небольшому количеству свобод-
ных электронов, чтобы после разгона полем они начали выби-
вать новые электроны, количество которых будет увеличивать-
ся в геометрической прогрессии.
Плазму подразделяют на низкотемпературную,
или холодную, и высокотемпературную,
или горячую. За единицу температуры принимают элект-
ронвольт (эВ), равный 11 600 °C. Температура горячей плазмы
составляет сотни электронвольт, а холодной — несколько элект-
ронвольт. В производстве изделий микроэлектроники исполь-
зуют только низкотемпературную плазму.
Человек постоянно встречается с плазмой. Так, обычное
пламя обладает некоторой электрической проводимостью,
а следовательно, хотя и в малой степени но ионизировано, т.е.
является плазмой. Северное сияние, светящийся неон или аргон
в лампах рекламы — это плазма; короткое электрическое замы-
кание и молнии ионизируют газ, образуя плазму. Кроме види-
мых световых лучей холодная плазма испускает и невидимые,
ультрафиолетовые (УФ), а горячая плазма — также рентгенов-
ские и инфракрасные (ИК). Эти излучения имеют одинаковую
природу и отличаются лишь длиной волны (частотой). Так,
ультрафиолетовые лучи имеют длину волны от 400 до 10 нм,
рентгеновские от 10~s до 102 нм, а инфракрасные — от7,4-102
до 2 • 10б нм.
Приложенное извне электрическое поле не только иони-
зирует газ, но и возбуждает в образовавшейся плазме электри-
ческий ток. Этот процесс называют газовым разрядом. Высоко-
частотный газовый разряд может быть безэлектродным, так
как индукционные токи, возбуждаемые переменными магнит-
ными полями, ускоряют свободные электроны, которые ионизи-
руют газ.
При низкочастотном газовом разряде ток проходит между
проводящими металлическими электродами и создает электри-
ческое поле, которое, разделяя заряды, поляризует плазму. Для
прохождения через плазму неизменяющегося тока необходимо,
чтобы возникающий в ней объемный заряд компенсировался
приходящими извне электронами.
Так как отрицательно заряженные электроны подвижнее
положительно заряженных ионов, при приложении поля они
собираются положительным электродом (анодом) и образую-
щийся между электродами столб плазмы заряжается положи-
тельно. Для прохождения тока необходимо, чтобы отрицатель-
ный электрод (катод) испускал в плазму электроны.
При низком напряжении между электродами для возбужде-
8
ния эмиссии электронов на катод воздействуют коротковол-
новым излучением или нагревают его до высокой температуры»
что соответственно обусловливает возникновение фотоэффек-
та или термоэлектронной эмиссии. Образующийся в этом случае
разряд называют несамостоятельным. При высоком напряже-
нии между электродами вследствие эмиссии электронов катода
образуется разряд, называемый самостоятельным. При само-
стоятельном разряде интенсивность эмиссии электронов огра-
ничена, поэтому вдали от катода столб плазмы сохраняет поло-
жительный заряд и называется положительным столбом.
В плотном газе при очень высоких напряжениях катод ра-
зогревается ударяющимися об него ионами газа, в результате
чего образуется разряд, называемый горячим, или дуговым,
а в разреженном образуется разряд, называемый холодным,
иди тлеющим. Катод при тлеющем разряде испускает электроны
вследствие автоэлектронной эмиссии, при которой электриче-
ское поле, создаваемое у поверхности металлического катода,
вытягивает из него электроны. Некоторое влияние на образо-
вание тлеющего разряда оказывает также вторичная электрон-
ная эмиссия — выбивание электронов из металла катода уда-
ряющимися о его поверхность ионами.
Процесс, обратный ионизации газа, называют рекомбина-
цией. При этом происходят соединения ионов и электронов с
образованием нейтральных атомов или молекул, которые об-
ладают избыточной энергией, вызывающей их повторную иони-
зацию. Различают рекомбинацию с передачей энергии при трой-
ных столкновениях и с излучением.
В плотной плазме происходят в основном рекомбинации при
тройных столкновениях: с ионом одновременно сталкиваются
два электрона, один из которых присоединяется к иону (не-
упругое столкновение), а другой поглощает избыточную энер-
гию. В разреженной плазме происходит в основном рекомби-
нация с излучением, при которой энергия испускания светового
кванта очень мала, так как столкнувшиеся частицы разлетают-
ся, обменявшись своей энергией (упругое столкновение).
При неупругих столкновениях частиц кинетическая энергия
превращается в энергию возбуждения, ионизации или переза-
рядки. Если кинетической энергии достаточно для перехода
электрона одного из атомов (или молекул), участвующих в
столкновении, на более высокую орбиту, происходит возбуж-
дение и излучается квант света. Если ее достаточно для отрыва
электрона от атома (или молекулы), происходит ионизация.
Если же при этом атом сталкивается с собственным ионом,
то происходит перезарядка, т.е. ион отбирает у атома электрон
и атом превращается в ион (атомный ион), а ион — в атом.
9
Кажется, что при таком обмене ничего не изменяется, однако это
не так.
Ион может ускоряться электрическим полем или удержи-
ваться магнитным. Когда же быстрый ион отбирает у атома
электрон, он превращается в быстрый атом, на который магнит-
ное поле не действует. Никакая магнитная ловушка такой атом
не удерживает, и он уходит на стенку сосуда, в котором нахо-
дится газ, унося с собой кинетическую энергию, сообщенную
электрическим полем. Образовавшийся же при перезарядке
ион — медленный и его надо опять ускорять. Такой процесс
происходит при образовании горячей плазмы.
Ионизироваться могут не только атомы, но и молекулы,
из которых образуются молекулярные ионы, способные дис-
социировать на атомные ионы и нейтральные частицы. В плазме
возможна перезарядка, при которой ионы, сталкиваясь с атома-
ми, отбирают у них электроны, в результате чего ионы превра-
щаются в атомы, а атомы — в ионы. Так, многие водородсодер-
жащие молекулы могут присоединять к себе ионы водорода
(протоны). Молекулярные ионы существуют только в заря-
женном состоянии. Например, молекула метана может превра-
титься в ион СН|, молекула водорода — в ион Н3.
Определение температуры, концентрации и состава плазмы
является предметом экспериментальной физики. Среди много-
численных методов исследования плазмы наибольшее распрост-
ранение получили спектрально-оптические, в частности эмисси-
онно-спектральный, масс-спектро метрический и контактной
диагностики.
Э м и с с и о н н о - с п е к т р а л ь н ы й метод осно-
ван на регистрации спектра собственного излучения плазмы.
Так, при травлении слоев поликристаллического кремния в
плазме CF4 + О2 расходуется часть активных атомов фтора,
имеющих в эмиссионном спектре полосу излучения с длиной
волны 703,7 нм. Так как интенсивность этой полосы излучения
зависит от концентрации фтора и, следовательно, скорости
травления поликристаллического кремния, наблюдая ее изме-
нение, можно определить момент окончания травления. Кроме
того, этот метод позволяет косвенно судить о состоянии и типе
промежуточных соединений, образующихся при химических
реакциях травления.
Масс-спектрометрический метод явля-
ется прямым методом регистрации молекулярных ионов в плаз-
ме. Достоинства его особенно проявляются при анализе плазмы
на присутствие в ней сложных (бинарных) молекулярных
ионов и кластеров — совокупностей тяжелых частиц, переме-
щающихся в молекулярном пучке и несущих большие массы
10
исходного материала в связанном состоянии. Исследования плаз-
мы этим методом выполняют, используя монополярные и квад-
рупольные масс-спектрометры.
Контактным методом диагностики (зон-
довым) определяют такие параметры плазмы, как напряжен-
ность электрического поля, концентрация электронов, их сред-
няя энергия и др. Анализ физико-химических процессов, про-
исходящих в плазме, основан на воздействии тока на металли-
ческий зонд, помещенный в плазму при известной зависимости
между концентрацией заряженных частиц, функцией распреде-
ления их электронов по энергиям и вольт-амперной характерис-
тикой зонда. Этот метод был разработан американским ученым
И. Ленгмюром в период 1909—1916 годов.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	На чем основана элионная технология?
2.	Какие методы обработки электронными и ионными пучками вы
знаете?
3.	Каковы особенности электронной, ионной и плазменной обра-
ботки?
4.	Что такое плазма и каковы ее свойства?
5.	При каких условиях в газе возникают дуговой и тлеющий разряды?
6.	Какие методы контроля основных параметров плазмы вы знаете?
ГЛАВА ВТОРАЯ
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ И ОСАЖДЕНИЕ
§ 3. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Плазмохимическую обработку применяют для травления
диоксида и нитрида кремния, алюминия, хрома, вольфрама,
молибдена, удаления фоторезиста (электронорезиста), а также
для осаждения слоев различных диэлектриков, металлов и их
силицидов.
Наибольший интерес представляет плазмохимическое трав-
ление (ПХТ), так как оно обладает селективностью, равномер-
ностью и скоростью, сравнимыми с жидкостным химическим
травлением, но не требует очистки поверхностей после обра-
ботки, позволяет одновременно травить подложки и удалять
фоторезистивные (электронорезистивные) маски, а также
может использоваться для обработки любых материалов (нит-
рида кремния, алюминия, хрома, золота, платины, титана, мо-
либдена, вольфрама и др.). Кроме того, процессом плазмохими-
ческого травления может управлять ЭВМ.
11
Контролируют окончание травления, например поликристаллнче-
ского кремния, нанесенного на слой диоксида кремния, по снижению тем-
пературы. Травление диоксида кремния не сопровождается выделением
теплоты.
При травлении полупроводниковых подложек, загруженных
в кассету, принимают меры для защиты их обратной стороны.
Такая защита может быть выполнена слоем диоксида кремния,
фоторезиста или пленкой алюминия. При горизонтальном
расположении полупроводниковых подложек в рабочей камере
их защита не требуется. Обработка незащищенных нерабочих
сторон подложек вызывает их нагрев и хемосорбцию свободных
радикалов, что может привести к замедлению либо прекраще-
нию травления диоксида и нитрида кремния или других ма-
териалов на рабочей стороне подложек.
В автоматической установке плазмохимического травле-
ния с диодной ВЧ-системой (рис. I) разряд поддерживается меж-
ду двумя параллельными электродами 1, один из которых яв-
ляется столом для размещения подложек 9. После обработки
подложек разброс по глубине травления составляет ±10 %
в пределах диаметра стола, равного 250 мм. Откачка установки
полностью автоматизирована. Предварительное разрежение, рав-
ное 6,7 • 10-3 Па, можно получить за 5 мин. Давление в рабочей
камере 11 поддерживается автоматически в пределах 1,33-Ю-1 —
13,3 Па. Максимальная ВЧ-мощность составляет 800 Вт и может
регулироваться.
В производстве полупроводниковых приборов и ИМС ис-
пользуют структуры типа кремний — диоксид кремния
Рис. 1. Схема автоматической ус-
тановки плазмохимического
травления с диодной ВЧ-систе-
мой:
1 - электроды, 2 - натекатель,
3 - блок управления ВЧ-источ-
ником питания, 5, 8 - механи-
ческий и диффузионный насосы,
6 - блок управления последо-
вательностью операций, 7 - вен-
тиль, 9 - подложки, 10 - регу-
лятор давления газа, 11 - рабо-
чая камера
Рис. 2. Профили структур после
химического (а) и плазмохими-
ческого (б) травления:
1,4- поликристаллический и
монокристаллический кремний,
2, 3 - нитрид и диоксид кремния
12
(Si - SiO2), кремний - диоксид кремния — кремний (Si —
- SiO2 - Si) и др. При химической обработке этих структур
происходит подтрави ив ание на границе раздела слоев (рис. 2, а)
и образуется профиль, который затрудняет нанесение металли-
ческой пленки без ее разрыва. При плазмохимическом травле-
нии во фреоновой плазме CF4 получают пологий профиль с уг-
лом наклона 60—70°, без подтравливания (рис. 2, б). Обрыва
металлизации в этом случае не происходит. Угол наклона профи-
ля травления можно изменять, защищая слоем фоторезиста не-
обходимую площадь поверхности.
Плазмохимическое травление используют также для обра-
ботки поликристаллического кремния при производстве МОП-
транзисторов с кремниевым затвором. Последовательность
выполнения операций при жидкостном химическом I и плазмо-
химическом II травлении показана на рис. 3, а - м. Как видно
из этого рисунка, при плазмохимическом травлении выполняют
на две операции меньше.
Рис. 3. Последовательность
выполнения операций при
жидкостном химическом
I и плазмохимическом II
травлении поликристалли-
ческого кремния:
а, б - нанесение оксидной
пленки затвора, кремние-
вой поликристаллической
пленки и слоя SiO2 (для
ПХТ слой SiO2 не требует-
ся) , в, г - нанесение
фоторезиста, его экспони-
рование и проявление, д -
травление слоя SiO2 в бу-
ферном растворе плавико-
вой кислоты, е, з - при
ПХТ операции не выполня-
ются, ж - удаление фоторе-
зиста, и, к - травление по-
ликристаллического крем-
ния в кислотном травите-
ле и в плазме фреона,
л, м - удаление слоя
SiO2 и фоторезиста в плаз-
ме кислорода; I - слой
SiO2, 2 — поликристалли-
ческий кремний, 3 - крем-
ниевая подложка, 4 - фо-
торезист
13
Кислородная плазма непригодна для удаления неорганиче-
ских (например, металлических) загрязнений, которые попада-
ют из некоторых фоторезистов на полупроводниковые подлож-
ки и внедряются в них после его удаления. Это объясняется тем,
что неорганические вещества не образуют летучих продуктов
при соединении с кислородом. В этом случае используют плазму
газовой смеси, состоящей из кислорода и фтористого углерода
CF4 (фреон-14).
Фоторезист и неорганические соединения, взаимодействуя
соответственно с кислородом и фтористым углеродом, стано-
вятся летучими и легко удаляются. Скорость такой обработки
ниже, чем при обработке в кислородной плазме, но высокое
качество очистки компенсирует этот недостаток.
Кроме того, плазмохимическая обработка пригодна для
травления диоксида SiO2, нитрида Si3N4 кремния и структур
типа Si — SiO2 — Si3N4 и Si — Si3N4 — SiO2, а также молибдена,
вольфрама, титана и тантала в плазме фтористого углерода.
При его ионизации образуется активный радикал фтора, вза-
имодействующий с кремнием, его диоксидом, нитридом и
тугоплавкими металлами с образованием летучих фторидов.
Скорость травления монокристаллического кремния различна и за-
висит от его кристаллографической ориентации (для плоскости <100>
она выше, чем для плоскости <111>). Поли кристаллический кремний
и нитрид кремния травятся с одинаковой скоростью, ио быстрее моно-
кристаллического. Диоксид кремния травится медленнее нитрида пример-
но в 10 раз.
В качестве маски при травлении кремния во фреоновой
плазме может служить специальный фоторезист, который нано-
сят толстым слоем. Так как фреоновая плазма не обладает до-
статочной селективностью травления, возможно частичное страв-
ливание кремниевой подложки. Лучшие результаты получают,
используя в качестве маски пленки нитрида кремния, нанесен-
ные на слой диоксида кремния.
Плазмохимическое травление кремния сопровождается вы-
делением теплоты и, если ее не отводить, может наступить не-
управляемое подтравливание. Управляют скоростью травления
и выделением теплоты, добавляя в смесь активных газов (CF4
и О2) азот.
Рассмотрим особенности плазмохимического травления
пленок диоксида и нитрида кремния.
Пл азмохимичес к ое травление пленок
диоксида кремния является самой распространенной
операцией в планарной технологии изготовления полупровод-
никовых приборов и микросхем. При этом скорость травления
14
зависит от способа нанесения пленок: быстрее травятся пленки,
осажденные из газовой фазы, и медленнее — выращенные терми-
ческим окислением. Существенное влияние на скорость трав-
пения оказывают также легирующие вещества. Так, пленки
диоксида кремния, легированные фосфором, травятся быст-
рее, а легированные бором — медленнее; промежуточное поло-
жение по скорости травления занимают нелегированные пленки.
Селективное травление пленок диоксида кремния выпол-
няют в плазме C3F8. При давлении 40 Па и плотности тока
6 мА/см2 скорость травления термически осажденной пленки
диоксида кремния равна 3,33 нм/с. При этих условиях скорость
травления поликристаллического кремния составляет 0,67 нм/с,
кремния, легированного фосфором, — от 5 до 6,67 нм/с, а
нитрида кремния - 10 нм/с.
При травлении в плазме C3F8 атомы фтора взаимодейству-
ют с поверхностными слоями диоксида кремния, в результате
чего образуются летучие при комнатной температуре фториды
кремния. При относительно малом содержании радикалов фтора
в плазме скорость травления диоксида кремния по сравнению
со скоростью травления кремния увеличивается в 10—15 раз.
Это позволяет селективно травить слой диоксида на кремнии,
что используют в технологии изготовления полупроводниковых
приборов и ИМС с глубоким (более 1 мкм) залеганием элект-
ронно-дырочных переходов. Если глубина залегания переходов
мала (около 0,2 мкм), применять селективное травление неце-
лесообразно.
Пл аз м о х имичес кое травление нитрида
Кремния по сравнению с жидкостным химическим обладает
некоторыми особенностями: не вспучивается фоторезист, повы-
шается в 2—3 раза точность обработки, которая составляет
±0,5 мкм, и увеличивается более чем в 3 раза ее скорость. Кроме
того, появляется возможность определения момента окончания
травления по разнице скоростей травления служащего подслоем
диоксида кремния и нитрида кремния, которая в 2,5—4 раза
выше. При плазмохимическом травлении на пленку нитрида
кремния не наносят дополнительного маскирующего слоя,
что упрощает технологический процесс.
Последовательность выполнения операций при жидкостном
химическом I и плазмохимическом II травлении показана на
рис. 4, а — р, из которого видно, что при плазмохимическом
травлении выполняется на три операции меньше. Кроме того,
травление нитрида кремния можно совместить с удалением
фоторезиста в одном технологическом цикле заменой травящего
газа (фреона) кислородом или смесью газов (фреона и аргона),
Используемых для удаления фоторезиста.
15
Рис. 4. Последовательность выполнения операций при жидкостном хи-
мическом I и сухом плазменном II травлении нитрида кремния:
а, б - термическое окисление кремния, в, г - осаждение нитрида крем-
ния, д - осаждение оксида кремния, ж, з - нанесение фоторезиста
(1 мкм), сушка, экспонирование, проявление, задубливание, е, к,м~
при ПХТ не выполняются, и — селективное травление верхнего слоя
оксида кремния в буферном растворе плавиковой кислоты, л - уда-
ление фоторезиста, и - селективное травление нитрида кремния в
горячей фосфорной кислоте, о - последовательное плазменное трав-
ление нитрида кремния и удаление фоторезиста, п, р - селективное
травление оксида кремния в буферном растворе плавиковой кисло-
ты; 1 - кремний, 2 - оксид кремния, 3 - нитрид кремния, 4 - фото-
резист
§ 4. ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ УДАЛЕНИЕ ФОТОРЕЗИСТА
Для удаления фоторезиста подложки обычно обрабатывают
в кислородной плазме, состоящей из атомарного кислорода
(10—20 %), озона, возбужденных молекул кислорода (10—20%),
а также его положительных и отрицательных ионов. Химически
активными являются возбужденные молекулы кислорода,
атомарный кислород и озон, которые, воздействуя на фоторе-
зист, разлагают его.
Находящийся под высоким давлением кислород, кроме
того, содержит около 1 % таких примесей, как азот и водород,
что способствует образованию атомарного кислорода. При
взаимодействии активного кислорода с фоторезистом образу-
ются вещества малой молекулярной массы, т.е. легко улетучи-
вающиеся.
Протекание процессов окисления, а затем разложения фото-
резиста в газовом разряде зависит от температуры. Температуру,
характеризующую среднюю энергию электронов, называют
электронной, а температуру, характеризующую среднюю энер-
гию тяжельк частиц (молекул, атомов, ионов) газа, — газовой.
При дуговом разряде и давлении газа, близком к атомосфер-
ному, электронная и газовая температуры соизмеримы и состав-
ляют несколько тысяч градусов. При тлеющем разряде и дав-
лении газа в несколько сотен паскалей газовая температура зна-
чительно ниже электронной.
Как известно, воздействие энергетических частиц (элект-
ронов, ионов) приводит к нагреву тел, чему способствует малая
теплопроводность среды при низких давлениях. Поэтому в уста-
новках плазмохимической обработки температура подложек
в зависимости от полезной мощности источника ВЧ колебаний,
давления, а также вида и расхода газа может быть от 50 до
600 °C. Повышение температуры способствует полному уда-
лению фоторезиста.
Исследованиями установлено, что удаление массы фоторе-
зиста прямо пропорционально длительности плазмохимической
обработки, что характеризует постоянство скорости окисления
и разложения фоторезиста в кислородной плазме. Изменяя
давление, можно увеличивать или уменьшать скорость удаления
фоторезиста.
Однако это характерно только при обработке одной под-
ложки со слоем фоторезиста. При групповой обработке ско-
рость разрушения фоторезиста при увеличении количества
Подложек в партии уменьшается и по их периферии фоторезист
удаляется быстрее, чем в центре. Это объясняется лучшим
доступом атомарного кислорода к периферийным участкам
17
подложек, чем к их центрам. Поступлению атомарного кисло-
рода к центру подложек препятствуют также образующиеся
при его взаимодействии с фоторезистом газообразные вещества,
отходящие к периферии. Оставшийся в центре подложек фото-
резист удаляют, увеличивая длительность обработки.
Для эффективного протекания процесса необходимо, чтобы
атомарный кислород свободно циркулировал между подложка-
ми в кассете и быстро удалялись газообразные продукты реак-
ции. Это возможно лишь при определенном количестве атомар-
ного кислорода и достаточной скорости реакции его взаимодей-
ствия с фоторезистом, а следовательно, и скорости его удаления
с подложек (скорости очистки). Увеличение количества кисло-
рода повышает давление плазмы, что препятствует свободной
циркуляции атомарного кислорода между подложками и замед-
ляет процесс их очистки от фоторезиста. Поэтому для полного
удаления фоторезиста подают определенное количество кисло-
рода и необходимую ВЧ-мощность по заданной программе. Вна-
чале обрабатываемые подложки подвергают воздействию боль-
шого потока кислорода при сравнительно большой ВЧ-мощ-
ности, что способствует быстрому удалению значительной части
фоторезиста с их периферийных участков, находящихся в усло-
виях свободной конвекции газового потока. Затем при страв-
ливании фоторезиста с центральной части подложек поток кис-
лорода уменьшают. Так как количество оставшегося на подлож-
ках фоторезиста невелико, скорость его удаления относительно
постоянна.
Установки плазмохимического удаления фоторезиста в за-
висимости от толщины его слоя, количества подложек и их диа-
метра могут работать по нескольким программам. Эффектив-
ность удаления фоторезиста мало зависит от его типа и значи-
тельно — от температуры поверхности подложек. Увеличение
температуры способствует разрыву молекулярных цепей фото-
резиста и его размягчению, а также удалению газообразных
продуктов, образующихся при разложении, из приповерхностно-
го слоя. В свою очередь, температура подложек связана с дав-
лением газа в реакционной камере и ВЧ-мощностью.
Таким образом, скорость удаления фоторезиста зависит от следую-
щих факторов: количества атомарного кислорода; качества поверхности
подложек, расстояния между ними и их положения в камере; параметров
плазмы; ВЧ мощности; типа фоторезиста, толщины его слоев и их коли-
чества на подложках; конструкции и массы кварцевых кассет.
При обработке подложек в плазме для удаления фоторезис-
та на поверхности раздела кремний - диоксид кремния обра-
зуется заряд, который ухудшает электрические характеристики
18
структур, снижая пробивное напряжение электронно-дырочных
переходов и увеличивая токи утечки. Возможны также другие
изменения параметров переходов, вызываемые влиянием заря-
да. Наименьшее влияние заряд оказывает на биполярные полу-
проводниковые приборы и ИМС. Термическая обработка (окис-
ление, диффузия, вжигание), фоторезиста в плазме, выполняе-
мая при температуре более 1000 °C, снимает этот заряд. Заряд
может быть также удален при более низкой температуре (400-
500 °C).
Последовательная обработка подложек в двух-трех видах
плазмы предотвращает образование заряда. Так, при обработке
подложек в аргоновой плазме низких энергий после удаления с
иих фоторезиста в кислородной плазме выход годных изделий
повышается. Для снижения воздействия плазмы на электронно-
дырочные переходы необходимо, чтобы рабочая ВЧ-мощность
была не более 500 Вт.
§ 5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО
УДАЛЕНИЯ ФОТОРЕЗИСТА
В производстве изделий микроэлектроники используют нес-
колько моделей одно-, двух-, трех-, четырех и шестикамерных
установок плазмохимического удаления фоторезиета, которые
обладают некоторыми особенностями. Все установки имеют раз-
личные по конструкции реакционно-разрядные камеры и систе-
мы возбуждения высокочастотного разряда, создающие равно-
мерную и оптимальную концентрацию плазмы в зоне обработки
подложек. Так как наиболее важными элементами установок
плазмохимического удаления фоторезиста являются реакцион-
но-разрядные камеры и ВЧ-генераторы, ознакомимся с ними
более подробно.
В реакционно-разрядных камерах, которые бывают цель-
ными и сборными, удаление фоторезиста происходит непосред-
ственно. Основное условие для проведения процесса с высоким
качеством — это создание равномерного газового потока через
находящиеся в кассете подложки. Разработано несколько типов
реакционно-разрядных камер (рис. 5,а - д).
Реакционно-разрядная камера, показанная на рис. 5, а,
имеет рассредоточенную одностороннюю подачу газа через от-
дельные трубки и емкостное возбуждение ВЧ-разряда в них.
Подача газа через одну трубку с емкостным возбуждением ВЧ-
разряда непосредственно в камере показана па рис. 5,6. Камера,
показанная на рис. 5, в, имеет рассредоточенную одностороннюю
подачу и удаление газа с непосредственным емкостным воз-
буждением ВЧ-разряда. Четырехсторонняя рассредоточенная по-
19

дача газа и универсальное (емкостное или индукционное) воз-
буждение ВЧ-разряда выполнены в камере, показанной на
рис. 5, г. Оригинальностью конструкции отличается собираемая
из отдельных элементов камера, показанная на рис. 5, д, имею-
щая двустороннюю рассредоточенную на четыре направления
подачу газа и индукционное возбуждение ВЧ-разряда.
Ддя создания потока однородной газовой низкотемпера-
турной плазмы в направлении оси камеры необходимо опреде-
ленным образом подавать и отводить газ и соответственно рас-
полагать систему возбуждения разряда. Для этого в камерах,
показанных на рис. 5, г, <3, отверстия для подачи газа располо-
жены под углом 60—90° к внешней поверхности реакционной
трубы (чтобы газ поступал к центру) , а для его выхода — с зад-
ней стороны камеры. В камере такой конструкции с индукци-
онным возбуждением разряда (рис. 5, 0) однородность плазмо-
химической обработки подложек со слоем фоторезиста состав-
ляет ±5 %. Желательно, чтобы скорость отвода газов была при-
мерно 50 л/мин, тогда давление в камере поддерживается от 13
до 133 Па.
Диаметр реакционно-разрядной камеры должен быть в
2—3 раза больше диаметра обрабатываемых подложек, а длина
определяется их количеством (при зазоре между подложками
4—5 мм) . Параметры системы возбуждения ВЧ-разряда и мощ-
ность ВЧ-генератора зависят от геометрических размеров каме-
ры. Обычно камеры и кассеты изготовляют из кварца или
термостойкого стекла.
В установках плазмохимического удаления фоторезиста
особое внимание уделяют конструкции ВЧ-генератора. В первых
моделях установок применяли ВЧ-генератор, собранный на вы-
соковольтных трансформаторах, мощных генераторных лам-
пах и других высоковольтных элементах.
В современных установках для утроения сетевого напряже-
ния используют конденсаторно-диодную умножительную цепоч-
ку. Высокое напряжение подается на сильноточный ВЧ-усилитель
на мощных пентодах, управляемых задающим генератором,
работающим на частоте 13,56 МГц. Полученная ВЧ-мощность
возбуждает плазму в реакционно-разрядной камере. Конструк-
Рис. 5. Реакционно-разрядные камеры с подачей газа по отдельным труб-
кам (а), через одну общую трубку (б), по отдельным трубкам и с таким
же отводом газа (в), по четырем направлениям с равномерным рассре-
доточением потока (г), по отдельным трубкам и четырехсторонним
рассредоточением потока (д):
1 - камера, 2 - вакуумное уплотнение, 3, 5 - крышка и оболочка каме-
ры, 4 - электроды возбуждения разряда, 6 - откачной фланец
21
цией ВЧ-генератора предусмотрено его заземление и определе-
ние знака фазы. При отсутствии заземления установка не вклю-
чится, что обеспечивает выполнение требований безопасности.
Мощность ВЧ-генераторов установок плазмохимического
удаления фоторезиста обычно равна 300—1000 Вт (реже —
несколько киловатт), причем только 22 % ее Используется для
проведения плазмохимических процессов, а остальные расхо-
дуются на тепловые потери.
Рассмотрим схемы однокамерных установок плазмохими-
ческого удаления фоторезиста.
Однокамерная установка плазмохими-
ческого удаления фоторезиста с емкост-
ной системой возбуждения ВЧ-разряда
(рис. 6) обеспечивает высокую чистоту процесса и однородность
обработки поверхности подложек. После подачи кассеты с
подложками 7 реакционно-разрядную камеру 2 герметизуют
торцевой крышкой 3, плотно удерживаемой за счет разнос-
ти давлений: атмосферного и в откачиваемом объеме. Затем
камеру откачивают и подают в нее кислород, поддерживая
давление около. 5,3 • 103 Па.
При включении ВЧ-генератора 4 между электродами кон-
денсатора 1 реакционно-разрядной камеры создается ВЧ-поле,
возбуждающее электрический ВЧ-разряд, способствующий об-
Рис. 6. Однокамерная установка плазмохимическо-
го удаления фоторезиста с емкостной системой
возбуждения ВЧ-разряда:
1 - электроды конденсатора, 2 - реакционно-раз-
рядная камера, 3 — крышка, 4 - ВЧ-генератор,
5 - ваттметр, 6 - активатор ВЧ плазмы, 7 - кас-
сета с подложками
27.
Рис. 7. Установка плазмо химического удаления фоторезиста с емкостио-
индукциониой системой возбуждения ВЧ-разряда:
1, 11 - впускиой и вакуумный вентили, 2 - вакуумпровод, 3 - разрядная
камера, 4 - индуктор, 5 - электроды конденсатора, 6 - крышка, 7 -
натекатель, 8 - ротаметр, 9 - регулятор давления, 10 - источник газа,
12 - манометрический преобразователь
разеванию низкотемпературной кислородной плазмы. Продукты
разрушения фоторезиста плазмой выбрасываются вакуумной
системой в вытяжную вентиляцию. Установка работает на час-
тоте 13,56 МГц при выходной мощности на электродах около
400 Вт.
Установка пл а з м охимичес к о го удале-
ния фоторезиста с е м к о с т н о-и н д у к ц и о н н о й
системой возбуждения ВЧ - р а з р я д а (рис. 7)
позволяет при малой мощности ВЧ-генератора получить хоро-
шую однородность пространственного распределения плотности
плазмы и частиц нейтрального газа, а также высокую воспроиз-
водимость и стабильность парамеров плазмы даже при 100 Вт
ВЧ-мощности в широком диапазоне давлений.
Двухкамерная установка ”Плазма-600” с
безэлектродным индукционным возбуж-
дением разряда мощностью 600 Вт применя-
ется для очистки полупроводниковых пластин перед диффузией
и удаления фоторезиста. Каждая реакционно-разрядная камера
представляет собой кварцевую трубу, обвитую снаружи ВЧ-ин-
дуктором. Спереди камеры закрыты уплотняемой крышкой,
а сзади присоединены к вакуумной системе. Для охлаждения
камер и ВЧ-генератора служит вентиляционная система. Созда-
ние вакуума, подача рабочего газа, возбуждение разряда и раз-
герметизация камер происходят автоматически.
Установка может работать с ручным и автоматическим уп-
равлением по двум программам: с одним газом (снятие фото-
резиста) и с двумя газами (снятие фоторезиста и преддиффузи-
23

онная очистка). Для удаления фоторезиста используют кисло-
род, который под действием разряда разлагается на атомарный
кислород и ионы кислорода. При взаимодействии с ними фото-
резист разлагается с образованием СО, CN, СО2 и Н2О, удаляе-
мых.из камеры вакуумной системой.
Для очистки поверхности подложек используют фреон-14,
который под действием разряда становится химически актив-
ным и, частично превращаясь в атомарный фтор, вступает в ре-
акцию с оксидами и другими загрязнениями с образованием
летучих соединений, также удаляемых из камеры вакуумной
системой.
§ 6. ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ТРАВЛЕНИЕ И ОСАЖДЕНИЕ
МЕТАЛЛОВ, ИХ СИЛИЦИДОВ, НИТРИДА И ДИОКСИДА КРЕМНИЯ
Плазмохимическое травление алюминия,
широко используемого в планарной технологии для создания
контактных площадок и межсоединений, представляет опреде-
ленные трудности. Объясняется это тем, что поверхность алю-
миния покрыта тонкой, плотной и химически стойкой пленкой
оксида А12О3.
В производстве СБИС алюминий травят в плазме четырех-
хлористого углерода СС14 с добавкой аргона или гелия на ВЧ-
установках диодного типа с параллельными электродами. При
этом подложки располагают на нижнем охлаждаемом электроде.
Скорость травления алюминия существенно зависит от
температуры подложек, состава и давления газа и ВЧ-мощ-
ности. Добавление в СС14 аргона увеличивает скорость травле-
ния, которая при определенном соотношении газов в смеси
достигает максимума. Так получают алюминиевые межсое-
динения размером 1 мкм и менее без подтравливания слоя
фоторезиста.
При плазмохимическом травлении сплава алюминий —
кремний (2 %), также используемого для создания межсоеди-
нений, на поверхности подложек остается небольшое количе-
ство кремния, который удаляют кратковременной обработкой
в плазме фреона с добавкой 5 % кислорода.
Травление в плазме треххлористого бора ВС13 слоя алю-
миния, нанесенного на подложки из диоксида кремния, явля-
ется селективным. В этом случае даже при значительном време-
ни травления алюминия наблюдается лишь слабое растравлива-
ние диоксида кремния. Плазма ВС13 пригодна также для трав-
ления сплавов алюминия с медью, широко применяемых в
производстве изделий микроэлектроники.
Плазмохимическое травление хрома,
24
который применяют для изготовления непрозрачных участков
фотошаблонов, выполняют в плазме газовых смесей хлора
о гелием, хлора с аргоном, четыреххлористого углерода с арго-
ном и др. Скорость травления хрома зависит от давления смеси
газов, используемых для образования плазмы, и ВЧ-мощности.
Причем при обработке хрома в плазме хлора с гелием скорость
травления при увеличении давления изменяется мало, тогда
как она значительно уменьшается при его обработке в плазме
хлора с аргоном. С ростом ВЧ-мощности скорость травления
хрома в плазме увеличивается независимо от состава газовой
смеси.
Определенную сложность представляет полное удаление
остатков непроявленного фоторезиста, наличие которых явля-
ется причиной образования непротравленных участков на
фотошаблонах. Поэтому перед травлением хрома предвари-
тельно выполняют плазмохимическое удаление остатков фото-
резиста, что одновременно упрочняет поверхность слоя хрома.
Плазмохимическим травлением вольф-
рама, молибдена, тантала и титана получают
контактные площадки заданных форм и размеров, так как при
жидкостном химическом травлении этих металлов очень мала
Скорость обработки. Травление выполняют в плазме галоген-
содержащих газов или их смесях с кислородом и гелием. Для
получения воспроизводимых результатов рекомендуется про-
водить процесс при температуре 60—80 °C.
В производстве СБИС для изготовления межсоединений
и контактных площадок вместо слоев легированного поликрис-
таллического кремния наносят слои тугоплавких металлов —
вольфрама, молибдена и их силицидов.
Слои вольфрама осаждают в плазме гексафторида
вольфрама с водородом. При частоте возбуждения газовой
смеси 4,5 МГц, температуре подложек 350 °C и давлении в ра-
бочей камере 26 Па скорость осаждения составляет 4 нм/мин.
Сопротивление отожженных при 950 °C слоев вольфрама около
8 мкОм-см, тогда как сопротивление слоев легированного
Поликристаллического кремния 500 мкОм • см.
Слои молибдена осаждают в плазме пентахлорида
Молибдена с водородом. При температуре подложек 170—430 °C
И давлении в рабочей камере 1,33 • 102 Па осажденные слои
Имеют сопротивление около 300 мкОм  см. После отжига в
атмосфере азота при 900 °C их сопротивление уменьшается
До 10 мкОм  см.
Необходимо отметить, что слои вольфрама и молибдена
активно окисляются при отжиге, что является их недостатком.
Слои силицидов этих металлов более стойки к окислению и
25
поэтому их использование предпочтительнее в технологии
СБИС.
Слои силицида вольфрама осаждают в плазме
гексафторида вольфрама, силана и гелия. При частоте возбуж-
дения газовой смеси 13,56 МГц, температуре подложек 230 °C
и давлении в рабочей камере 65—90 Па скорость осаждения
составляет 55—60 нм/мин. Минимальное сопротивление таких
слоев после отжига при 1100 °C примерно равно 40 мкОм • см.
Слои силицида молибдена осаждают в плаз-
ме пентахлорида молибдена, силана, водорода и аргона. После
отжига при 1000 °C сопротивление осажденных слоев примерно
равно 100 мкОм • см.
Слои нитрида кремния толщиной 0,5 мкм осаж-
дают в плазме силана с азотом при температуре подложек 300—
500 °C со скоростью 6—60 нм/мин.
Слои диоксида кремния толщиной 0,5 мкм
осаждают в плазме силана с закисью азота при температуре под-
ложек 250 °C со скоростью 6—60 нм/мин.
§ 7. РЕАКТОРЫ УСТАНОВОК ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ
В установках плазмохимической обработки применяют
реакторы двух типов: планарные с ’’холодными” стенками и
трубчатые с ’’горячими” стенками.
В планарном реакторе с радиальным
вводом газов (рис. 8, а) подложки 4 устанавливают на
нижнем электроде 5. Отверстие в центре этого электрода служит
для откачки газов, поступающих в камеру из отверстий, распо-
ложенных вокруг него. При такой конструкции реактора ско-
рость роста пленки в центре подложек выше, чем на краях,
в результате чего осаждаются разнотолщинные слои.
В планарном реакторе с центральными
вводом и удалением газов (рис. 8, 6) нижний
электрод 5 с подложками 4 при вращении подогревается
ИК-нагревателем б до 250—400 °C. Нижний электрод имеет диа-
метр 650 мм и изготовлен из анодированного алюминия, что
защищает его от распыления, а верхний — из чистого металла.
Расстояние между верхним и нижним электродами равно 50 мм.
В реакторе использован ВЧ-генератор 3 (до 50 кГц) . Хотя такой
реактор не обладает высокой производительностью, но позво-
ляет выращивать диэлектрические пленки высокого качества.
Трубчатый вертикальный реактор исполь-
зован в установке плазмохимического осаждения диэлектри-
ческих слоев (рис. 9), представляющей собой вакуумную каме-
26
Рис. 8. Планарные реакторы с радиальным
(а) и центральным (б) вводами реагентов:
1 - реактор, 2, 5 - электроды, 3 - ВЧ-генера-
тор, 4 - подложки, 6 - нагреватель
Ь)
РИс. 9. Установка плазмохимического осажде-
ния диэлектрических слоев:
1 - ИК-нагреватели, 2 - вакуумная камера,
3 - подложно держатель с подложками, 4 -
штыревая система электродов, 5 — газорас-
пределитель, 6 - датчик температуры подло-
жек, 7 - трубопровод вакуумной системы,
8 - согласующее устройство, 9 - ВЧ-генера-
тор, 10 - газораспределительный трубопровод
ру 2 колпакового типа, в которой подложки располагаются
внутри разборного кольцеобразного подложкодержателя 3,
имеющего снаружи ИК-нагреватели 1. Для создания равномер-
ного нагрева подложкодержателя и поддержания температуры с
точностью ±10% лампы ИК-нагревателя могут регулироваться
По высоте.
Подложкодержатель, выполненный в виде вращающейся
пирамиды, электрически изолирован от ВЧ-системы возбужде-
ния и находится под потенциалом, специально создаваемым
блоком смещения. Газы вводятся через газо распре дел и тель-
ный трубопровод 10 в центр камеры. Между подложкодержате-
лем и газораспределителем расположена штыревая система
электродов 4 для возбуждения плазмы, на которые от ВЧ-гене-
ратора 9 через согласующее устройство 8 подается ВЧ-мощность,
равная 4 кВт, частотой 13,56 МГц. Установка оснащена датчи-
ками контроля мощности разряда и напряжения на электродах,
а также расхода газообразных реагентов.
27
Газовая система установки может работать как с жидкими,
так и с газообразными реагентами. Причем два испарителя жид-
ких реагентов имеют систему термостатирования и обогревае-
мые магистрали. В вакуумной системе использован высоко-
производительный (700 л/с) паромасляный бустерный насос.
Пленки диоксида кремния, наносимые при парциальных давлениях
реагента и кислорода соответственно 0,33 и 2,66 Па, температуре крем-
ниевых подложек 260 ° С, ВЧ-мощности 1 кВт и изменяющемся потенциа-
ле на пирамиде, имеют малую дефектность, хорошую равномерность
покрытия рельефа (диоксид наносится для создания межуровневой
изоляции) и низкий эффективный заряд.
Трубчатые кварцевые горизонтальные
реакторы (рис. 10) имеют многоэлектродную емкостную
систему возбуждения плазмы, состоящую из изолированных
друг от друга прямоугольных графитовых пластин 7, распо-
ложенных вдоль кварцевой трубы (рабочей зоны реактора),
и через одну подключенных к разным полюсам ВЧ-генератора
9 через торцевые вводы 3. В таком реакторе 1 газовый поток
движется между электродами — пластинами, а подложки 8
располагаются в их карманах с каждой стороны (за исклю-
чением боковых).
Трубчатые реакторы обладают большими возможностями,
чем планарные, и позволяют наносить слои диэлектриков,
аморфного и поликристаллического кремния, а также силици-
дов металлов. Температуру трубчатых нагревателей можно
регулировать в диапазоне от 20 до 1000 °C и поддерживать с
точностью ±(1-?3) °C. В планарных реакторах температура
Рис. 10. Трубчатый кварцевый горизонтальный реактор:
1 - газовая система, 2 - крышка, 3 - ввод ВЧ мощности, 4 - нагрева-
тель, 5 - трубопровод вакуумной системы, 6 - реактор, 7 - плоский
электрод - пластина, 8 - подложки, 9 - ВЧ-генератор
28
не превышает 500 °C, что не позволяет осаждать, например,
сдои поликристаллического кремния.
Кроме того, в трубчатых реакторах используется низкая
плотность ВЧ-мощности, что уменьшает нежелательные воз-
действия плазмы на активные компоненты ИМС. Массоперенос
в этих реакторах значительно лучше, поэтому рабочее давление
в них может составлять (1,33 -г 2,66) • 10-2 Па (в планарных —
до 6,65-26,6 Па). Это позволяет применять для создания ва-
куума вакуумные насосы, имеющие малую быстроту откачки
и небольшие массу и габариты.
Многоэлектродные системы трубчатых реакторов в 2—4 ра-
за производительнее двухэлектродных систем планарных реак-
торов. При увеличении диаметра подложек производительность
трубчатых реакторов возрастает.
Вертикальное расположение подложек предпочтительнее
горизонтального, так как снижается вероятность их загрязнения.
Использование в качестве плазмообразующих газов фреонов
позволяет периодически удалять выросшие на электродной
системе слои без извлечения много электро датой системы из
реактора.
Недостатки трубчатых реакторов — более сложные загруз-
ка — выгрузка подложек, их фиксация, а также автоматизация
этих операций, чем в планарных.
Увеличение диаметра обрабатываемых подложек повышает
их стоимость, что требует соответствующего увеличения выхо-
да годных структур. Поэтому в последнее время в микроэлект-
ронике наметилась тенденция перехода от групповой обработки
подложек к поштучной конвейерной и разрабатываются соот-
ветствующие установки для плазмохимического осаждения
пленок.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Для чего применяют плазмохимическое травление?
2.	Чем отличается плазмохимическос травление от жидкостного
химического?
3.	Каковы особенности плазмохимического травления диоксида и
нитрида кремния?
4.	Каковы достоинства плазмохимического удаления фоторезиста?
5.	Какие технологические параметры влияют на скорость удаления
фоторезиста?
6.	Как устроены и работают установки плазмохимического удале-
ния фоторезиста?
7.	Каковы особенности травления металлов в плазме?
8.	При каких условиях осаждают пленки тугоплавких металлов и их
силицидов?
9.	Какие реакторы используют в установках плазмохимической
обработки и каковы их достоинства и недостатки?
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ИОННОЕ НАНЕСЕНИЕ ПЛЕНОК
§ 8. ИОННО-ЛУЧЕВОЕ И ИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЕ
НАНЕСЕНИЕ ПЛЕНОК
При взаимодействии пучка иоиов с обрабатываемой поверхностью
происходит иоииое травление, распыление и имплантация, в результате
которых изменяются свойства материала и в нем появляются дефекты,
Рис. 11. Схемы двухлучевого ионного (а) и реактив-
ного (б) распыления:
1 - подложки, 2, 7 - ионные источники для распы-
ления и облучения, 3 - электронная пушка, 4 - ми-
шень, 5 - нейтральный или реактивный пучок ионов,
6 - пленка
30
происходит десорбция я сорбция яояов. Пря этом неупругие соударения
способствуют образованию вторичных электронов и квантов, а упругие -
распыленных частиц материала.
Ионно-лучевое нанесение пленок одного материала, а также
в виде двойных или тройных соединений возможно при исполь-
зовании мишеней из простых веществ. Так, для нанесения плен-
ки сапфира применяют мишень из оксида алюминия или пропус-
кают кислород над мишенью из алюминия, одновременно обра-
батывая ее ионами аргона. Параметры ионно-лучевого осаждения
пленок различных материалов в плазме аргона или азота приве-
дены в табл. 1.
Схема двухлучевого ионного одновременного распыления
двух материалов показана на рис. 11, а. Мишень 4 состоит из
двух пластин — серебряной и кварцевой. Со стороны кварцевой
пластины установлена электронная пушка 3, служащая для
снятия электрического заряда и компенсации пространствен-
ного заряда пучка ионов. Изменяя положение мишени относи-
тельно двухлучевого ионного пучка 5 аргона, регулируя его ток
от 80 до 100 мА и компенсацию заряда, на подложки 1 наносят
пленки кермета — смеси серебра с диоксидом кремния различ-
ного процентного состава.
Таблица 1. Ионно-лучевое осаждение пленок различных
материалов
Осаждаемый материал	Ионизи- руемый газ	Энергия ионного пучка, Дж 1	Ско- рость осаж- дения, икм/мй	Темпера- тура под- ложки, °C 1Н	Давление в ра- бочей камере, Па
Молибден Вольфрам Титан	Аргон	9,610~16	5-30	20	1.310-2
Тантал		8 • 10-16	2,5	80-280	610"2
Нитрид кремния	Азот	1,610"16	1	200	(24-5) -10-3
Нитрид алюминия		9,6-10-16	3-4	200	(24-5)-10-3
Оксид алюминия	Аргон	1,28 10"15	2,5	100	1 'Ю-3
Диоксид кремния	Аргон и кислород	810“17	3	100	410-2
Кремний	Аргон	9,6 10-16	5	1133-1193	210-3
Арсенид галлия		1.610"16	15	743-813	2 • 10-3-г8-10-4
31
Удельное сопротивление пленок кермета, равное от 10'6
до 102 Ом - м, зависит от их структуры и теплового коэффици-
ента сопротивления (ТКС). Кроме того, установлено, что
частицы серебра в пленке кермета, имеющие размеры 10-2 нм,
представляют собой распределенные не произвольно, а упоря-
доченно кристаллы.
В производстве изделий микроэлектроники ионно-лучевой
обработкой преимущественно наносят пленки нитридов и карби-
дов некоторых веществ.
Так, реактивным двухлучевым ионным распылением
(рис. 11, 6) наносят пленки нитридов кремния и алюминия
из двух источников 2 и 7 с использованием как инертных, так
и химически активных газов. При этом на подложке 1 пересе-
каются два пучка, состоящие из нейтральных частиц распыляе-
мой мишени и обладающих большой энергией ионов инертного
или химически активного газов. Пленки, нанесенные двумя
ионными пучками 5, обладают хорошими физическими свой-
ствами и почти идеальным стехиометрическим составом. Зернис-
тость таких пленок значительно меньше зернистости термически
осажденных.
Двухлучевым ионным распылением наносят со скоростью
0,05 мкм/с также пленки, состоящие из алмазоподобных крис-
таллов.
Ионно-лучевое осаждение малопроизводительно, но приме-
няется для нанесения на подложки переходного слоя, который
стимулирует осаждение последующих слоев, существенно увели-
чивая скорость их роста.
Ионно-термическое, или термоионное, нанесение пленок
основано на термическом испарении материала и его ионном
осаждении. Наибольшее распространение получили три способа
термоионного осаждения: резистивное и электронно-лучевое
испарение вещества с ионизацией его паров плазмой рабочего
газа; резистивное и электронно-лучевое испарение вещества
с ионизацией его паров с помощью ВЧ-индуктора (без участия
рабочего газа); ВЧ термическое испарение веществ с ВЧ-иониза-
цией его паров. При любом из этих способов ионы испаряемого
вещества, перемещаясь под действием электрического поля,
прикладываемого между тиглем (испарителем) и подложкой,
осаждаются на ней. Потенциал подложки в зависимости от ее
температуры, а также требуемой кристаллической структуры
и адгезии пленок может изменяться от 0 до 104 В.
На рис. 12, а - г показаны четыре установки ионно-терми-
ческого осаждения, две из которых являются однокамерными,
а две — двухкамерными.
Однокамерная установка (рис. 12,а) имеет
32

Рис. 12. Установки ионно-термического осаждения:
а, б - однокамерные, в, г - двухкамерные; 1,4- верхний и нижний
фланцы, 2 - подложка, 3 - испаритель, 5 - электронный пучок, 6 - ти-
гель, 7 - электронно-лучевая пушка, 8 - ВЧ-индуктор
верхний 1 и нижний 4 фланцы, к которым соответственно
крепятся подложка 2 и резистивный испаритель 3. При подаче
питания между ними образуется поток испаряемого вещества.
Поступающий в камеру аргон ионизируется электрическим
полем, возникающим между подложкой и испарителем. Ионы
аргона, в свою очередь, ионизируют пары вещества, которые
под действием этого же электрического поля осаждаются на
подложке 2.
В однокамерной установке (рис. 12,6) ис-
парение и ионизация рабочего вещества в высоком вакууме
происходят в результате ВЧ-нагрева тигля 6 индуктором 8.
Пленки сложного состава наносят на этой же установке реактив-
ным осаждением, для чего в рабочую камеру подают химиче-
ски активный газ. Под действием электрического поля, об-
разующегося между индуктором и подложкодержателем, иони-
зированное вещество осаждается на подложки.
2-«48	33
Двухкамерная установка (рис. 12,в) имеет
электронно-лучевую пушку 7, расположенную в нижней камере,
и тигель 6. Создаваемый испарителем электронный пучок 5
проходит через диафрагму в верхнюю камеру и испаряет вещест-
во, находящееся в тигле. Ионизация паров вещества и осаждение
пленки происходят так же, как в установке, показанной на
рис. 12, а. Давление в нижней камере должно быть менее
10"3 Па, а в верхней — 10'1 -10'2 Па.
Двухкамерная установка, показанная на рис. 12, г, в кото-
рой ионизация испаряемого вещества происходит в результате
его нагрева ВЧ-индуктором 8, работает так же, как установка,
показанная на рис. 12, в.
Особенностью термоионного осаждения является бомбардировка
поверхности подложек в растущей пленки потоком ускоренных нонов,
что способствует десорбции газовых примесей, ускорению поверхностной
и объемной диффузии. В результате модифицируются процессы зароды-
шеобразования, происходит коалесценция (срастание) зародышей я рост
сплошных пленок. Все это позволяет наносить пленки, обладающие вы-
сокой адгезией, механической прочностью, коррозионной стойкостью н
жаропрочностью.
Недостаток термоионного осаждения - отсутствие возмож-
ности непосредственного (в процессе роста) контроля толщины
наносимых пленок.
Термоионным осаждением наносят металлические пленки,
используемые для создания контактных площадок, межсоеди-
нений, пассивных элементов, а также диэлектрические пленки,
предназначенные в качестве маскирующих и защитных слоев.
Такие пленки обладают высокой адгезией, большой чистотой и
коррозионной стойкостью.
§ 9. НАНЕСЕНИЕ ПЛЕНОК ИОННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ
Ионное распыление (плазмоионное, или ионно-плазменное,
а также из автономных ионных источников) позволяет наносить
на подложки большой площади пленки всех материалов (туго-
плавких, многокомпонентных сплавов, полупроводниковых
соединений и диэлектриков), используемых в микроэлектро-
нике, с хорошей адгезией, сохранением стехиометрического
состава и равномерной толщины. Принцип ионного распыления
состоит в бомбардировке мишени ионами инертного газа, в ре-
зультате чего частицы осаждаемого материала конденсируются
на поверхности подложек.
Ионное распыление подразделяют на реактивное и высоко-
частотное, а также плазменное анодирование.
34
Реактивным распылением наносят пленки тугоплавких ме-
таллов (тантала, титана, циркония, ниобия), а также германия,
кремния, алюминия, никеля, серебра, золота и др. При этом
положительные ионы газа разрушают служащую катодом ми-
шень из напыляемого материала.
Реактивное распыление проводят при давлении газа 101 —
— 1 Па. Для ионизации газа между анодом и катодом приклады-
вают достаточно высокое напряжение (несколько киловольт).
В результате в рабочей камере возникает так называемый тлею-
щий разряд. Ионы остаточного газа бомбардируют катод, части-
цы которого распыляются и переносятся на предварительно на-
гретые подложки. Качество пленки зависит от расстояния между
катодом н анодом, межэлектродного напряжения и давления
газа под колпаком.
Реактивное распыление выполняют на установках с диодны-
ми системами, работающими на постоянном токе или напряже-
нии ВЧ (либо при их сочетании) и создающими плазму из смеси
аргона с кислородом.
Высокочастотным распылением можно кроме пленок
тугоплавких металлов и полупроводников наносить также
пленки органических соединений. Этот метод характеризуется
большей, чем при реактивном распылении, площадью мишеней
и равномерностью ионной бомбардировки. Для обеспечения
максимальной производительности необходимо согласование
полного сопротивления —импеданса ВЧ-генератора — с импедан-
сом распылительной камеры.
Плазменное анодирование по существу представляет собой
реактивное катодное распыление в кислородной среде. Распыляя
тантал бомбардировкой ионами кислорода, получают пленки
оксида тантала. Так же можно наносить пленки оксидов других
•металлов.
Для нанесения пленок этим методом применяют несколько
типов установок, например плазмоионные и с автономными ион-
ными источниками (без фокусироки и с фокусировкой ионных
пучков, бомбардирующих мишень). Плазмоионные установки
могут быть диодного, триодного и тетро дно го типов и работают
в диапазоне давлений от 101 до 5 • 10'2 Па, а также высокочас-
тотные. Каждая распылительная система обладает определен-
ными достоинствами и недостатками.
Установка ионного распыления диод-
ного типа (рис. 13, а) наиболее проста по устройству и со-
стоит из анода 3 и катода 1, смонтированных в рабочей камере
4. Каждый электрод выполняет две функции. Катод является
источником электронов, поддерживающих горение тлеющего
разряда, и одновременно — мишенью, распыляемой бомбарди-
5**	35
Wl
Рис. 13. Установки ионного распыления диодного (а), триодного
(б) и тетрадного (в) типов:
1 - катод, 2 - подложки, 3 - анод, 4 - рабочая камера, 5, 6 ~
источники питания и подачи обратного напряжения, 7,10 - допол-
нительные электроды, 8 - термокатод, 9 - мишень
ровкой положительными ионами. Анод также поддерживает
горение тлеющего разряда и одновременно служит держателем
подложек 2, на которые осаждается пленка распыляемого ма-
териала катода.
Кроме простоты к достоинствам этой установки можно
отнести ее высокую надежность, возможность использования
для реактивного распыления, низкую стоимость и равномер-
ность толщины наносимых пленок. Недостатками установки
являются сравнительно малая скорость распыления (20—30
нм/мин) обусловленная значительным давлением инертного газа
в рабочей камере, трудность очистки подложек в начале процес-
са и вероятность нарушения структуры пленки при ее бомбар-
дировке заряженными частицами. Однако такие установки при-
меняют довольно широко, в том числе и в линиях непрерыв-
ного действия для изготовления тонкопленочных резисторов.
Установка ионного распыления триод-
ного типа (рис. 13,6) отличается от рассмотренной тем,
что имеет термоэлектродный катод — третий электрод 7, являю-
щийся источником электронов, что способствует ионизации ар-
гона при сравнительно низком (10-1 Па) давлении. Распыляе-
мый материал (мишень 9) в триодной системе располагают на
электроде 7, подложки 2 — на карусели или барабане напротив.
На таких установках можно очищать поверхности мишени
и подложки подачей на них небольшого отрицательного напря-
жения. При подаче отрицательного напряжения в несколько сот
вольт начинается интенсивная бомбардировка мишени поло-
жительными ионами, в результате чего выбитые из нее атомы
движутся в перпендикулярном направлении к подложкам
и осаждаются на них. Скорость осаждения в триодной системе
может регулироваться в широком диапазоне (от 0,1 до
100 нм/мин) при изменении режимов распыления (напряжения
накала термокатода, потенциала мишени и давления инертного
газа).
36
Яг
ж:
;  В установках ионного распыления тет-
радного типа (рис. 13, в), четвертый электрод 10, распо-
ложенный над термокатодом 8, служит для создания условий,
обеспечивающих ионизацию инертного газа при давлении
• (2 -г 4) • 10~2 Па, т.е. меньшем, чем в установках с триодной
• системой.
Триодная и тетродная системы распыления могут исполь-
зоваться для осаждения пленок многокомпонентного состава,
так как позволяют одновременно или последовательно рас-
пылять с различной скоростью несколько мишеней из разных
- металлов и сплавов.
Установки высокочастотного распыления
: (рис. 14, а), используемые преимущественно для нанесения
диэлектрических пленок, отличаются простотой, обеспечивают
высокую равномерность пленок по толщине и возможность
осаждения диэлектрических пленок в инертной среде, а метал-
лических и полупроводниковых — реактивным распылением.
В рабочей камере 2 расположены подложки 5 на держателе и две
мишени 3, получающие питание от ВЧ-источника мощности 1.
' Снаружи рабочей камеры размещен электромагнит 4.
В такой рабочей камере при питании от генератора с двух-
‘ тактным незаземленным выходом разряд локализуется в непо-
средственной близости от электродов, на которых закреплены
• мишени. Напряжение ВЧ служит для нейтрализации положи-
 тельного заряда, который накапливается на мишени (диэлект-
рике) при ее бомбардировке положительными ионами плазмы.
Это способствует интенсивному распылению мишени. Скорость
распыления колеблется от нескольких десятков до нескольких
• сотен нм/мин и зависит от материала мишени, частоты ВЧ-мощ-
 ности, подаваемой на электроды мишени, и напряженности
• внешнего магнитного поля.
Установка распыления с автономным
источником ионов (рис. 14, б) имеет рабочую 2 и иониза-
ционную 11 камеры, соединенные между собой небольшим от-
верстием в диафрагме 10. Внутри рабочей камеры находятся
держатель с подложками 8 и основной кольцевой анод 7, в цент-
Рис. 14. Установки высокочастотно-
го (а) и с автономным источником
ионного тока (б) распыления:
1 - источник ВЧ-мощности, 2, 11 -
рабочая и ионизационная камеры,
3 - мишень, 4 - электромагнит,
5, 8 - подложки, 6 - термоэлект-
ронный катод, 7, 9 - основной
и вспомогательный аноды, 10 -
диафрагма, 12, 13 - источники пи-
тания анода и подогрева мишени
i
37
ре которого расположена мишень 3. Снаружи этой камеры
размещен электромагнит 4. В ионизационной камере смонти-
рованы термокатод 6 и вспомогательный анод 9.
При напускании в ионизационную камеру инертного газа
его давление повышается примерно в 20 раз. Между термокато-
дом 6 и вспомогательным анодом 9 возникает поток электро-
нов, который ионизирует инертный газ в камере. Образовав-
шаяся плазма вытягивается через отверстие диафрагмы 10
основным анодом 7 в рабочую камеру, концентрируясь полем,
создаваемым электромагнитом 4. При бомбардировке мишени 3
положительными ионами частицы распыляемого материала
осаждаются на подложках 8, расположенных в верхней части
рабочей камеры. Подложкодержатель охлаждается проточной
водой и защищает обратную сторону подложек от осаждения
распыляемого материала специальным металлическим экраном,
находящимся под потенциалом анода.
§ 10. НАНЕСЕНИЕ ПЛЕНОК МАГНЕТРОННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ
Магнетронное распыление по сравнению с другими мето-
дами нанесения пленок обладает рядом достоинств, основными
из которых являются: высокая скорость роста пленок, их хо-
рошая адгезия и незначительное загрязнение посторонними
газовыми включениями; низкая температура нагрева подло-
жек; возможность распыления как проводников, так и диэлект-
риков и получения сверхтонких (менее 20 им) пленок с малыми
радиационными дефектами; безынерционность процесса.
Магнетронное распыление применяют при изготовлении
жидких кристаллов (сверхтонких прозрачных пленок), пре-
цизионных фотошаблонов (тонких пленок хрома) и микро-
схем (пленок из алюминия, его сплавов и тугоплавких метал-
лов).
Магнетронная распылительная система — магратрон (рис. 15)
состоит из постоянного магнита 1, на котором расположены
плоская мишень-катод 2, а над ней по периметру' анод 3. Мон-
тируется эта система под колпаком вакуумной распылительной
установки, рабочим газом в которой после откачки служит ар-
Рис. 15. Магнетронная распылитель-
ная система с плоской мишенью:
1 - постоянный магнит, 2 - ми-
шень-катод, 3 - анод, 4 - траек-
тория движения электронов, 5 -
зона распыления, 6 - силовые
линии магнитного поля, 7 - источ-
ник питания
гон. При подаче питания от источника постоянного тока над
^ишенью-катодом создаются неоднородное электрическое поле
И аномальный тлеющий разряд, под действием которых проис-
ходят образование плазмы и ионная бомбардировка мишени-
катода.
Замкнутое магнитное поле магнетронной распылительной
системы локализует плазму непосредственно у поверхности
распыляемой мишени. Под действием ионной бомбардировки
эмиттированные катодом-мишенью электроны захватываются
И удерживаются магнитным полем, совершая сложное цикличе-
ское движение у поверхности мишени до тех пор, пока не про-
изойдет их столкновение с атомами аргона. В результате столк-
новения электроны теряют большую часть энергии на ионизацию
рабочего газа (прежде чем они попадут на анод), что увеличи-
вает концентрацию положительных ионов у поверхности мише-
ни-катода, усиливает ее ионную бомбардировку, скорость рас-
пыления материала и осаждения пленки.
Таким образом, для магнетронных распылительных установок
характерно пересечение электрического и магнитного полей, наличие
магнитной ловушки у распыляемой поверхности мишени (увеличиваю-
щей скорость распыления) и отсутствие бомбардиронки подложки вы-
сокоэнергетическимн вторичными электронами, которые захватывают-
ся магнитной ловушкой (это обеспечивает незначительный нагрев под-
ложки).
Средняя скорость осаждения, например молибдена и золота,
соответственно составляет 12 и 37 нм/с на установке с плос-
кой дисковой мишенью диаметром 150 мм при мощности
источника питания 4 кВт и расположении подложки на рас-
стоянии 60 мм от него. При этом температура нагрева под-
ложки соизмерима с температурой термического испарения
в вакууме легкоплавких металлов и значительно ниже, чем при
испарении тугоплавких. Это позволяет использовать магне-
тронные установки для нанесения пленок на такие материалы,
как бумага, оргстекло, пластики, обладающие низкой термо-
стойкостью.
Стабильность и воспроизводимость наносимых на подлож-
ки пленок зависят от оптимальных параметров магнетронной
распылительной системы, основными из которых являются:
Напряжение питания электродов; ток разряда; плотность тока
мишени; удельная мощность; индукция магнитного поля;
рабочее давление.
Напряжение питания, подаваемое на электроды, обычно не
превышает 1000 В. На мишень, как правило, подают отрицатель-
ный потенциал, а на анод — нулевой или положительный в зави-
симости от конструкции системы. Ток разряда, зависящий от
39
мощности источника питания, а также других параметров, под-
бирают экспериментально. Плотность тока на мишени колеб-
лется от 40 до 200 мА/см2 и в центральной части зоны распыле-
ния может превышать эти значения. Удельная мощность лежит
в интервале от 40 до 100 Вт/см2 и определяется условиями
охлаждения и теплопроводностью распыляемого материала.
Важнейшим параметром магнетронных распылительных ус-
тановок является вольт-амперная характеристика разряда,
зависящая от рабочего давления газа и индукции магнитного по-
ля. С уменьшением давления в системе и индукции магнитного
поля вольт-амперные характеристики разряда сдвигаются в об-
ласть больших рабочих напряжений.
Скорость осаждения пленки почти линейно зависит от при-
ложенной мощности и увеличивается с ее возрастанием. Мощ-
ность разряда при постоянной мощности источника питания
также зависит от рабочего давления и индукции магнитного
поля. Так, с ростом индукции магнитного поля до 0,08—0,1 Тл
при низком рабочем давлении (оно обычно лежит в диапазоне
от 10“2 до 1 Па) мощность разряда достигает максимума. При
высоком рабочем давлении максимум мощности получают при
индукции магнитного поля 0,04—0,06 Тл.
В процессе осаждения пленок обычно управляют каким-ли-
бо одним параметром, оставляя остальные на оптимальном
уровне (регулируют толщину пленок, изменяют время осаж-
дения) .
В установках магнетронного распыления, например, приме-
няют коаксиальные и планетарные распылительные систе-
мы (рис. 16, а, б).
В коаксиальной магнетронной системе
(рис. 16, а) катод-мишень 3 представляет собой цилиндриче-
ский стержень из распыляемого материала, вокруг которого
расположены подложкодержатели 1 с подложками. Между под-
ложкодержателями и катодом-мишенью находятся аноды 2 с
экранами 4. Магнитная система 5 смонтирована снаружи кол-
пака 6.
Рис. 16. Коаксиаль-
ная (в) и планетар-
ная (ff) магнетрон-
ные распылительные
системы:
1 - подло жкодержа-
тель, 2 — анод, 3 -
катод-мишень, 4 -
экран, 5 - магнит-
ная система, 6 -
колпак
40
Достоинствами установки с коаксиальной магнетронной
распылительной системой являются высокая производитель-
ность (одновременно можно обрабатывать большое количество
подложек) и небольшая интенсивность бомбардировки подло-
жек вторичными электронами (аксиальное магнитное поле,
заземленные экраны по торцам цилиндрического катода и сет-
чатый цилиндрический анод). Максимальная температура под-
ложек не превышает 50 °C. Недостаток этой установки — незна-
чительная скорость осаждения распыляемого материала на под-
ложках, так как часть его оседает на сетчатом аноде.
Планетарная магнетронная распыли-
лительная система (рис. 16,6) является более совер-
шенной и позволяет осаждать материал на подложки с боль-
шой скоростью (примерно такой же, как при вакуумном тер-
мическом напылении) вследствие увеличения плотности тока.
Недостатком ее является большой расход распыляемого мате-
риала, так как используется только узкая кольцеобразная
область мишени, составляющая всего 26 % ее площади.
Применяются также другие магнетронные распылительные
системы, например с цилиндрическим полым, коническим
.или полусферическим вогнутым катодом, каждая из которых
обладает определенными достоинствами и недостатками.
§ 11. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПЛЕНОК
МАГНЕТРОННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ
Для нанесения тонких пленок применяют установки маг-
нетронного распыления с неподвижными и подвижными маг-
нитами, в которых использование распыляемого материала
составляет соответственно 40 и 75 %. Обе установки управляют-
ся микропроцессорами, контролирующими ход осаждения мате-
риала и корректирующими его при отклонении от заданного
. режима. Основная информация о работе установок отображает-
. ся на дисплее.
Заслуживают внимания вакуумные установки магнетрон-
. ного распыления полунепрерывного и непрерывного действия,
предназначенные для нанесения алюминиевых пленок на крем-
ниевые подложки диаметром 76 и 100 мм.
Установка полунепрерывного действия
имеет планетарный подложкодержатель, который вращается
относительно двух осей, что создает одинаковые условия для
.нанесения пленок на все подложки и обеспечивает получение
воспроизводимых результатов. Цикл обработки подложек со-
.стоит из четырех стадий: шлюзования; плазмохимической очист-
ки; нагрева; магнетронного нанесения пленок. Управляет
41

Рис. 17. Схема вакуумной напылительной установки с непрерывным
циклом работы:
1, 7 - входной и выходной отсеки, 2 - диффузионно-щелевое уплот-
нение, 3 - вентили напуска газа, 4 - катоды, 5 - анод, 6 - держатели
подложек, 8, 9, 10 - вакуумные зоны с соответствующим давле-
нием; / - XI - камеры
работой установки микропроцессор. Результаты обработки
отображаются на дисплее.
Установка непрерывного действия, по-
казанная на рис. 17, имеет одиннадцать камер I—XI, а также
входной 1 и вцходной 7 отсеки. Подложки подаются в держате-
лях 6 в камеры I-IV, где предварительно нагреваются кварце-
выми лампами. Рабочими являются камеры V и VII, в которых
поочередно напыляются металлические пленки на нижнюю и
верхнюю стороны подложек. В буферной камере VI подложки
также нагреваются кварцевыми лампами. Камеры VIII-XI
служат для постепенного охлаждения подложек. Вентили 3
предназначены для дозированной подачи смеси аргона с азотом
в рабочие камеры. Перемещаются держатели с подложками
специальным толкателем с приводом.
Установка имеет три вакуумные зоны: входную 10, рабо-
чую 9 и выходную 8, в которых соответственно поддержива-
ется давление 10-2 т 5 • 10-4 и 10"2 -5-1 Па. В установке исполь-
зована распылительная система диодного типа, анодом 5 кото-
рой служат металлический корпус рабочих вакуумных камер,
имеющих диффузионно-щелевые уплотнения 2, и держатели с
подложками. Катоды 4 введены в рабочие камеры сверху и
снизу.
На смену рассмотренным вакуумным напылительным ус-
тановкам приходит вакуумное оборудование нового поко-
ления.
Установка непрерывного действия ’’Маг-
42
Рис. 18. Вакуумная установка непрерывного действия ”Магна-2М”
для нанесения однослойных и многослойных тонких пленок маг-
нетронным распылением:
1, 16 - шлюзовые камеры, 2 - кассета, 3 - лассики подачи подло-
жек, 4 - затвор шлюзовой камеры, 5 - датчик подачи подложек на
конвейер, 6 - рабочая камера, 7, 15 - конвейер н его привод, 8 -
устройство ионной очистки подложек, 9 - уплотняющая диафраг-
ма, 10 - нагреватель подложек, 11, 13 - датчик давления и вибра-
ционный натекатель аргона, 12 - магратроны, 14 - стол охлаждения
подложек, 17 - щелевые каналы
на-2М” (рис. 18) предназначена для нанесения тонких одно-
и многослойных пленок из алюминия и его сплавов на крем-
ниевые подложки диаметром 76, 100 и 125 мм магнетронным
распылением. Установка состоит из двух 1 и 16 шлюзовых
и одной 6 рабочей камер, системы транспортных устройств
для перемещения полупроводниковых подложек между кас-
сетами 2, трех магнетронных распылительных устройств (маг-
ратронов) 12 и микропроцессорной системы управления с
дисплеем.
Шлюзовые камеры 1 и 16, предназначенные для загрузки и
выгрузки кассет 2 с полупроводниковыми подложками, вна-
чале откачиваются агрегатом АВР-50 с азотной ловушкой в те-
чение определенного времени, а затем в них для очистки на-
пускается аргон. Работа камер так взаимосвязана, что при раз-
герметизации шлюзовой камеры давление аргона в рабочей поч-
ти не изменяется.
Рабочая камера 6 имеет три зоны: предварительной ионной
очистки подложек, их нагрева кварцевой лампой и нанесения
пленок. Зоны сообщаются через щелевые каналы, но в них под-
держивается разное давление. Вакуумная система рабочей
камеры представляет собой агрегат, состоящий из паромасляно-
го диффузионного насоса Н-5К, азотной ловушки и механи-
ческого насоса ВНМ-18Г.
К системе транспортных устройств относятся конвейер 7
и резиновые пассики 3, подающие подложки из кассет на кон-
вейер, и с конвейера в кассеты.
43
При работе установки по мере разгрузки и загрузки кас-
сеты 2 с подложками перемещаются конвейером 7 вертикально.
Конвейер 7 выполнен в виде двух замкнутых проволочных
цепочек, приводимых в движение одним приводом 15. На цепоч-
ках имеются штыри, фиксирующие положение подложек при
обработке. При изменении своего положения штыри воздейст-
вуют на датчик, который подает сигнал на очередную загрузку
подложек на конвейер.
На верхней съемной крышке рабочей камеры размещены
планетарные магнетроны с подъемными магнитами, датчик
давления и натекатель аргона. В каждом водоохлаждаемом
катоде магнетрона закреплена мишень, имеющая значитель-
ную массу, что способствует ее длительной работе без замены.
Магнетроны получают питание от индивидуальных источников
с отрицательной обратной связью по току разряда и устройством
эффективного гашения разрядов.
Управляет работой установки микропроцессор, который
позволяет задавать девять перепрограммируемых технологи-
ческих режимов, стабилизирует и контролирует их, выполняет
необходимые блокировки, считает обрабатываемые подложки
и выдает информацию о состоянии технологических парамет-
ров, а также устройств и механизмов установки на дисплей.
Установка 01НИ-7-006, показанная на рис. 19, пред-
назначена для нанесения пленок алюминия, легированного крем-
нием, на кремниевые подложки диаметром 76 и 100 мм магнет-
ронным распылением в автоматическом режиме. Установка
имеет планетарную систему вращения подложек, а также уст-
ройство для их предварительного ионно-химического травления.
Обработка подложек производится последовательно на четырех
позициях в едином вакуумном цикле.
На первой Позиции загружают и выгружают подложки и
выполняют их ионно-химическую очистку в среде технологи-
ческого (травящего) газа при давлении 66,5 Па. Вторая позиция
служит для нагрева подложек до заданной температуры, а
третья и четвертая — на рабочие позиции, где магнетронными
распылителями на нагретые вращающиеся подложки в атмос-
фере аргона при давлении (1,33 -г 2,66) • 10'1 Па в два слоя
последовательно напыляют пленки алюминия. Производитель-
ность установки до 90 шт/ч при обработке подложек диаметром
100 мм.
Рассмотрим технологическую последовательность работы
установки.
При включении установки рабочая камера 11 откачивается
до давления не выше 1,33 • 10-2 Па вакуумной системой с азот-
ной ловушкой 15. В шлюзовую камеру 10 первой позиции ус-
44
Рис. 19. Установка нанесения тонких пленок магнетронным распылением:
1 - механический вакуумный насос, 2 - подложкодержатель, 3 - магра-
трон, 4 - зажимный механизм, 5 - привод карусели, 6 - карусель, 7 -
клапан, 8 - затвор, 9 - электрод очистки, 10, 11 - шлюзовая и рабочая
камеры, 12 - крышка, 13 - патрубок, 14 - высоковакуумный затвор,
15 — ловушка, 16 - паромасляный насос, 17 - внбронатекатель, 18 -
преобразователь давления, 19 - подъемник, 20 ~ кронштейн, 21 - при-
вод лодложкодержателя, 22 - нагреватель, 23 - преобразователь вакуум-
метра, 24 - обводная магистраль, 25 - натекатель
танавливают подложки, напускают травящий газ давлением
f 66,5 Па и после кратковременной очистки подложек подают
‘ от ВЧ-генератора напряжение высокой частоты. При этом в
камере возникает разряд и образуется плазма, очищающая по-
верхность подложек от загрязнений. При мощности не менее
‘ 0,5 Вт с подложек за 120—180 с стравливается слой до 2Х
ХЮ3 нм. Одновременно с началом травления включается отсчет
времени.
По истечении времени травления отключаются ВЧ-генератор
и подача травящего газа в шлюзовую камеру 10. Эту камеру
продувают азотом и вновь последовательно откачивают фор-
>	45
вакуумным насосом 1 цр давления не выше 1,33 Па, а через
обводную магистраль 24 — до давления, близкого к давлению
в рабочей камере 11. Затем опускаются вниз затворы 8 и шлю-
зовая камера 10, распылители аргона сообщаются с рабочей ка-
мерой, механизм перемещения 5 поворачивает карусель на оче-
редную позицию, затворы поднимаются вверх и операции на
каждой позиции повторяются.
После откачки рабочей камеры до заданного давления в
шлюзовую камеру второй позиции подается охлаждающая вода
и включается нагреватель 22. Подложки сначала нагревают
большим током до заданной температуры, которая затем под-
держивается нагревом их меньшим током. Питание нагревателя
переключается автоматически.
Для получения стабильных и воспроизводимых результатов при
нанесении металлических пленок высокого качества (сплошность, рав-
номерность по толщине, хорошая адгезия) операции на всех позициях вы-
полняются на подложках, планетарио вращаемых против часовой стрелки
относительно источника распыления материала - катода магратроиа 3.
В технологическом цикле нанесения тонких пленок применяют только
химически чистый и осушенный аргон.
На третьей и четвертой позициях (рабочих) процесс напыле-
ния начинается только при наличии воды в охлаждающей систе-
ме магнетронных распылителей и заданном давлении в рабочей
камере. При этих условиях подаются напряжение питания и
аргон в оба распылителя, возникает ВЧ-разряд, под действием
которого газ ионизируется, и начинается распыление материала
и осаждение его на вращающиеся подложки. Так как каждый
распылитель аргона отделен от рабочей камеры зажимным
механизмом 4 со щелями в местах уплотнения то на позициях
магнетронного распыления давления аргона увеличивается
до 2,66 • 10"1 - 1,33 Па, при котором и начинается распыление.
Скорость осаждения алюминия на подложки зависит от
мощности магнетронных распылителей, а при стабилизирован-
ном напряжении питания — от подаваемого на магратроны тока,
который взаимосвязан с давлением аргона в них. Наибольшую
скорость распыления получают прд давлении аргона (6,65 4-
4- 2,66) • 10"1 Па, токе 7,5 - 12 А и напряжении 370—460 В на
магратроне. В блоке стабилизации тока разряда ток магратрона
при заданном напряжении автоматически поддерживается в за-
висимости от изменения давления аргона на рабочей позиции.
Аргон подается в магратрон и рабочую камеру с помощью
вибронатекателя 17, а излишки его откачиваются вакуумной
системой через щели в уплотнении между ними.
Толщина нанесенной пленки зависит от времени напыления
46
при заданной мощности магратрона. При работе установки от-
счет времени напыления начинается только после подачи тока
на магнетронный распылитель, в котором возможно возникно-
вение пробоев между анодом и катодом. Поэтому при токе
выше допустимого предусмотрено отключение на 2—3 с подачи
аргона в магратрон. После устранения пробоя вновь включается
подача аргона и напряжение питания магратрона плавно увели-
чивается до заданного значения. На позиции загрузки — выгруз-
ки (перегрузки) после окончания времени цикла в шлюзовую
камеру напускают азот для защиты напыленной пленки от окис-
ления и через некоторое время включается звуковая и световая
сигнализация, извещающая о необходимости смены подложек.
Перед пуском установки на автоматический режим работы
следует опробовать и настроить ее механизмы и устройства в
ручном режиме. При этом запускают насосы, откачивают рабо-
чую камеру, включают вращение планетарных механизмов, на-
гревателя подложек и магнетронных распылителей. Кроме того,
выбирают режим травления и нагрева подложек, состав травя-
щих газов, значения токов и напряжений, подаваемых на маг-
нетронные распылители, а также мощность ВЧ-генератора и
согласующую нагрузку. О готовности работы установки сигна-
лизирует загорание лампы на блоке управления.
Время травления подложек, работы нагревателя при боль-
шом токе, напыления задают в ручном режиме. Время выполне-
ния операций должно быть таким, чтобы на каждой позиции
они заканчивались раньше окончания времени цикла. Установка
может работать как с травлением, так и без травления под-
ложек. При работе с травлением подложек расход травящего
газа подбирают так, чтобы при данной производительности
форвакуумного насоса давление газа в шлюзовой камере было
не более 66,5 Па.
Нормальное рабочее отключение автоматического режима
не приводит к остановке установки в произвольном положении.
Установка заканчивает работу только после выполнения всех
операций начавшегося цикла и поворота карусели на очередную
позицию.
При подаче питания на магратрон между его анодом и като-
дом в среде аргона давлением 1,33—2,66 • 10"1 Па возникает
разряд, под действием которого происходит распыление мате-
риала катода и осаждение его на подложках, что позволяет
наносить пленки сплава с неизменным содержанием компо-
нентов.
Для исключения бомбардировки подложек электронами, что может
привести к пробою полупроводниковых структур, корпус установки
47
находится под отрицательным потенциалом по отиошеиию к аиоду магра-
троиа. Потенциал между корпусом и анодом определяется падением на-
пряжения яа резисторе блока управления магратроиом и составляет при-
мерно 10 % от напряжения между анодом и катодом магратроиа. Так
как в нормальном режиме работы возможно возникновение пробоев
между анодом и катодом магратрона, в цепь его источника питания
включают токоограничивающие резисторы, а параллельно промежутку
анод-катод - компенсатор, сглаживающий пики напряжения.
При отклонении тока магратрона от заданного блок ста-
билизации тока разряда изменяет давление аргона в магнетрон-
ном распылителе так, чтобы ток восстановился до требуемого
значения.
По окончании времени напыления напряжение питания маг-
ратрона уменьшается, а когда карусель повернется на очередную
позицию, оно автоматически задатчиком блока управления маг-
ратроном восстанавливается до заданного значения. При давле-
нии выше 1,33 • 10'2 Па напряжение питания магратрона авто-
матически отключается.
Особенность работы магратронов такова, что после каждо-
го контакта с атмосферой их необходимо очищать при малых
напряжениях и токах до исчезновения пробоев, постепенно по
мере тренировки увеличивая напряжение и ток до заданных.
Стабильность тока магратронов зависит от его коэффициента
усиления напряжения, рабочей частоты блока стабилизации
тока разряда и расхода аргона через виброиатекатель. Рекомен-
. дуется коэффициент усиления и рабочую частоту поддержи-
вать в диапазоне от 50 до 100 %, а расход аргона при полностью
включенном вибронатекателе — таким, чтобы при заданном на-
пряжении ток магратрона был от 110 до 120 % от заданного.
Виброиатекатель настраивают при ручном режиме работы
блока стабилизации тока разряда и максимальном заданном то-
ке разряда плавным поворотом иглы на малый угол с выдерж-
кой после каждого поворота паузы в 5—10 с. Так как виброна-
текатель обычно настраивают на оптимальный расход на заводе-
изготовителе, на производстве расход аргона регулируют не им,
а регулятором, изменяя давление газа на входе в пределах
0,1 МПа.
При работе на установке периодически контролируют ее
наиболее важные характеристики, например предельное оста-
точное давление в рабочей камере, которое должно быть не вы-
ше 6,66 • 10-5 Па. Эту проверку выполняют один раз в три ме-
сяца после предварительной тренировки под вакуумом и про-
грева системы горячей водой в течение 8 ч. Проверку ведут при
поднятой шлюзовой камере, предварительно отсоединив разъем
48
механизма вакуумной блокировки. Кроме того, один раз в ме-
сяц проверяют скорость откачки шлюзовой камеры до давления
t 6,65 Па (она не должна превышать 60 с). Для этого поднимают
шлюзовую камеру вверх, включают ее форвакуумные насос и
VL- клапан и по секундомеру определяют время откачки, контро-
лируя давление по вакуумметру 13ПТЗ-003.
Температуру нагрева подложек, которая должна быть не
менее 300 °C, также контролируют один раз в месяц. Для этого
откачивают рабочую камеру до давления 1,33 • 10-2 Па, включа-
ют нагреватель подложек и устанавливают ток не менее 10 мкА.
'f Затем включают блок индикации температуры и по его при-
бору наблюдают за изменением тока питания нагревателя под-
ложек, который не более чем за 5 мин должен увеличиться
•до 30 мкА.
Один раз в полгода проверяют напряжение и стабильность
тока магратрона, которые должны быть соответственно не ме-
нее 450 Ви 12 А. Причем отклонение тока магратрона в течение
.. 120 с должно быть не более ±5 %. Для этого откачивают рабочую
камеру до давления не выше 1,33 • 10-2 Па, включают магра-
трон, уплотняют его в верхней части и устанавливают напряже-
ние не менее 450 В. Затем включают блок стабилизации тока
разряда и с помощью задатчика устанавливают ток разряда
не менее 12 А. Измеренный ток разряда не должен отличаться
,от заданного более чем на ±5 %.
В тех случаях когда ток магратрона самопроизвольно изме-
няется или не увеличивается до заданного значения, необходи-
мо отрегулировать положение иглы вибронатекателя и умень-
шить или увеличить напряжение магратрона, так как разряд в
нем образуется при давлениях от 2,66 • 10"1 до 1,33 Па. Быва-
.ют случаи, когда питание магратрона самопроизвольно отклю-
чается при срабатывании блокировки по вакууму. Вероятной
причиной этого может быть повышение давления в шлюзовой
камере до значения более 1,33 • 10-2 Па при опускании уплот-
.нения. Для устранения этой неисправности проверяют скорость
-откачки паромасляного насоса и, если необходимо, заменяют
в нем масло или увеличивают напряжение магратрона и работа-
,» Тот при меньшем давлении аргона.
F,, Установка 01НЭ-7-004, показанная на рис. 20, пред-
? назначена для вакуумного нанесения на подложки пленок алю-
< миния, легированного кремнием, и отличается от рассмотренной
$ .тем, что в ней вместо магнетронного распыления использова-
k но термическое электронно-лучевое испарение наносимого
f материала из водоохлаждаемых тиглей.
Ж- Рабочая камера, выполненная из нержавеющей стали, кре-
Ц 'Пится к плите корпуса установки болтами и в передней части
Ж:	49
закрыта крышкой со смотровым
окном 16. Вверху рабочей каме-
ры на фланцах размещены при-
вод 19 карусели с редуктором,
охладитель с генератором и
кварцевым измерителем (мик-
ровесами) 1, включенным в
электрическую схему в качестве
датчика толщины наносимой
пленки. Внутри камеры располо-
жены карусель с подложкодер-
жателями 17 планетарного типа,
два электронно-лучевых испари-
теля, две заслонки с электро-
магнитными приводами, нагрева-
тель подложек, вводы питания,
направляющая и датчик темпера-
туры нагрева подложек.
Электронно-лучевые испари-
тели состоят из водоохлаждаемо-
го тигля 3, прожектора с вольф-
рамовым катодом и системой от-
клоняющих электродов, магни-
топровода и электромагнита. Вы-
соковольтные шины испарителей
закрыты защитными экранами 4.
Установленные под углом
120° по отношению друг к дру-
гу и связанные обоймой подлож-
кодержатели могут вращаться
вокруг собственной оси и обка-
тываться по направляющей отно-
сительно испарителя, получая
движение от привода карусели.
Таким образом, подложки име-
ют сложное планетарное движе-
ние. На каждом подложкодер-
жателе размещается 80 или
40 подложек соответственно диа-
метром 76 или 100 мм.
Рис. 20. Установка нанесения
тонких пленок электронно-луче-
вым распылением:
1 — кварцевый измеритель,
2 — подложка, 3 -.тигель, 4 ~
защитный экран, 5 - плита, 6 ~
вакуумный затвор, 7, 12 - азот-
ная и водоохлаждаемая ловуш-
ки, 8 - форвакуумная линия
откачки, 9 - вакуумный клапан,
10 - ловушка, 11 - диффузи-
онный насос, 13 - ионизацион-
ный манометрический преобра-
зователь, 14 - переходный фла-
нец, 75 - ИК-лампы, 16 - смот-
ровое окно, 17 — подложкодер-
жатель, 18 - рычаг, 19 - привод
карусели
На стойках нижней плиты установки смонтированы четыре
нагревателя, содержащих по два кварцевых излучателя (лампы
КТ-220-1000-3).
При работе установки в рабочую камеру помещают три кас-
сеты с подложками и откачивают ее до высокого вакуума,
50
после чего включают вращение планетарного механизма, нагрев
подложек и подают питание на испарители. После прогрева под-
ложек подают питание на катод каждого испарителя и доводят
их ток эмиссии до заданного значения, достаточного для обез-
гаживания и разогрева испаряемых материалов. При обезгажи-
вании пучок электронов сканирует по продольной оси тигля,
разгоняя шлаки из зоны испарения. Первоначально напыление
ведут на заслонку, а затем на подложки. Подготовительные опе-
рации и собственно процесс напыления проводят в течение опре-
деленного времени, задаваемого реле.
Изменяя время и очередность работы испарителей, можно
напылять на подложки пленки различных материалов опреде-
ленной толщины.
При контроле окончания процесса в зависимости от толщи-
ны нанесенной пленки заслонки над обоими испарителями од-
новременно закрываются, отключается нагрев подложек и
начинается отсчет времени их остывания, по истечении которо-
го включается световой и звуковой сигналы.
Используя один испаритель с двухчашечным тиглем, а дру-
гой с одночашечным, можно, попеременно нагревая электрон-
ным лучом чашку, наносить трехкомпонентную пленку. Точ-
ность воспроизведения состава такой пленки ниже, чем у двух-
компонентной.
Равномерность наносимых пленок как по составу, так и по толщи-
не зависит от стабильности перемещения подложек и нх рационального
размещения относительно испарителей. Толщина пленок определяется
временем напыления при постоянных значениях напряжения и тока на
испарителе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Каковы особенности ионно-лучевого и ионио-термического нане-
сения пленок различных материалов?
2.	Какие виды ионно го распыления вы знаете?
3.	Каков принцип действия установок ионного распыления?
4.	Каковы особенности нанесения пленок магнетронным распыле-
нием?
5.	Как устроены и работают системы магнетронного распыления?
6.	По какому принципу разделяют установки магнетронного рас-
пыления?
7.	Как устроены и работают установки магнетронного распыления
алюминия, легированного кремнием?
ГЛАВА ЧЕТВ ЕРТАЯ
ИОННОЕ ВНЕДРЕНИЕ
§ 12.	ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИОННОМ ВНЕДРЕНИИ
При ионном внедрении (имплантации, легировании) заряженные
частицы управляемого потока вещества, бомбардируя твердое тело,
внедряются, изменяя его электрофизические, оптические и другие свой-
стиа.
В отличие от диффузии ионное внедрение обеспечивает конт-
ролируемое (от 1011 до 10'6 ион/см2) введение легирующих
атомов в полупроводниковые подложки, что является его ос-
новным достоинством. Кроме того, к достоинствам ионного
внедрения относят: полную его совместимость с процессами
планарной технологии; однородность легирования, обусловлен-
ную электростатическим, механическим и комбинированным
сканированием ионного пучка; особо чистые условия, исклю-
чающие загрязнение подложек посторонними примесями.
Наиболее существенным недостатком ионного внедрения
является нарушение кристаллической структуры кремния и
диоксида кремния — появление дефектов в результате первич-
ных или вторичных соударений внедряемых ионов с атомами
обрабатываемого материала. Для устранения образовавшихся
нарушений, а также стабилизации свойств легированных слоев
и активации примеси имплантированные подложки отжигают
при низкой (400-600 °C) или высокой (900-1000 °C) темпе-
ратуре. При термической обработке выше 1000 °C одновремен-
но с отжигом происходит разгонка имплантированных атомов
примеси.
При низкотемпературном отжиге сохраняются значительные
нарушения, но их миграция невелика. Так как ближе к поверх-
ности подложек находится наибольшее количество дефектов,
а не примесных (легирующих) атомов, их влияние на электрон-
йо-дырочный переход незначительно. Поэтому низкотемператур-
ным отжигом устраняются в основном нарушения вблизи пере-
хода, что обеспечивает его высокое качество. Низкотемператур-
ный отжиг применяют в тех случаях, когда слои металлизации,
а также элементы полупроводниковых приборов и ИМС не вы-
держивают высоких температур или необходимо специально
изменить структуру полупроводника.
При высокотемпературном отжиге большая часть нарушений
восстанавливается, но остающиеся, как правило, велики и их
при создании приборов и ИМС следует учитывать.
При температуре выше 1000 °C одновременно с разгонкой
имплантированных атомов примеси иногда увеличивается коли-
52
jecTBo дефектов и распространение их за пределы имплантиро-
1анной области. Это означает, что даже высокотемпературный
гтжиг не гарантирует устранение нарушений кристаллической
.решетки.
При ионной обработке МОП структур на границе раздела
Кремний — диоксид кремния образуется фиксированный поло-
жительный заряд и возникают быстрые поверхностные состоя-
ния. С увеличением дозы имплантации эти явления усиливаются,
. а затем происходит насыщение. Фиксированный положительный
.•заряд устраняют отжигом подложек при 150—500 С или обра-
боткой ультрафиолетовым излучением. Быстрые поверхностные
 состояния снимаются обработкой подложек в атмосфере азота
или формиргаза при температуре 400—500 °C.
Ионную имплантацию применяют в технологии изготовле-
ния биполярных и униполярных транзисторов, являющихся
основой ИМС. Например, в биполярной технологии ионной
имплантацией формируют скрытые низкоомные слои, эмиттер-
ные области и контакты к базе. Кроме того, использование
ионной имплантации для введения контролируемого количест-
ва примесных атомов в сочетании с диффузионным формирова-
нием областей базы (имплантированной слаболегированной ак-
тивной и диффузионной сильнолегированной неактивной) и
-Эмиттера существенно улучшает характеристики СВЧ транзис-
торов. По этой технологии изготовляют также быстродействую-
щие биполярные транзисторы (без скрытых и эпитаксиальных
слоев), в которых изоляция р-и-р-переходов выполняется
в подложке p-типа глубокой n-областью с поверхностной кон-
центрацией примеси примерно 10'6 см'3, что невозможно
получить термической диффузией.
Точное управление концентрацией и толщиной р- и и-слоев
биполярных структур позволяет создавать малошумящие и
.^'Мощные транзисторы с высокими и воспроизводимыми пара-
метрами. Такая технология полностью применима в производ-
стве БИС.
В настоящее время нояная имплантация является одним нз основ-
5«ых технологических процессов изготовления полупроводниковых при-
Аборов н ИМС Причем в производстве СБИС отдельных типов количест-
ве® операций ионной имплантации достигает 8-11.

§ 13.	ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБОРУДОВАНИИ
ДЛЯ ИОННОГО ВНЕДРЕНИЯ
Установки ионной имплантации бывают малых
доз, больших доз с интенсивными ионными пучками
Энергетические. Интенсивность тока ионного пучка
и средних
и высоко-
установок
53
малых и средних доз составляет от единиц микроампер до
500-800 мкА, установок больших доз (сильноточных) - от
1 до 200 ма. Оба типа установок работают в области энергий
от 30 до 200 кэВ. Максимальная энергия высоко энергетических
установок может превышать 1 МэВ.
Установки ионной имплантации (рис. 21, я — д) обычно
состоят из источника ионов 1, магнитного масс-сепаратора 3,
систем ускорения 6 и сканирования 8 пучка, приемной камеры
9 и вакуумной системы. Отличаются они в основном потенциа-
лом приемной камеры относительно земли и взаимным распо-
ложением приемной камеры, масс-сепаратора и источника ионов.
Установку имплантации малых и сред-
них доз (рис. 21, а), энергия ионов которой не превышает
200 кэВ, а приемная камера находится под потенциалом земли,
используют наиболее широко. Так как магнитная сепарация
ионов осуществляется до ускорения, их энергия в сепараторе
низка, что оказывает существенное влияние на габариты уста-
Рис. 21. Компоновки установок ионной имплантации:
а - малых и средних доз, б - с разделением ионов по массам после уско-
рения, в - сильноточных, г - высокоэнергетическнх, д - больших доз;
1 - источник ионов, 2 - система вытягивания и первичного формирова-
ния пучка, 3 - магнитный масс-сепаратор, 4 - высоковольтный модуль,
5 - регулируемая диафрагма, 6 - система ускорения, 7 - фокусирующая
линза, 8 - пластины электростатического сканирования и отклонения
пучка, 9 - приемная камера
54
ловки (малые магниты, маломощные источники питания элект-
ромагнитного сепаратора и ускорительной системы) .
Установку с разделением ионов по мас-
сам после ускорения (рис. 21, б) обычно испльзуют
для исследовательских целей. При высокой разрешающей спо-
собности магнитного сепаратора и минимальном количестве
потребителей электроэнергии высокого напряжения в ней ус-
коряется весь пучок ионов, возрастает ток нагрузки высоко-
вольтного источника питания, а также увеличивается вторичная
электррнная эмиссия, что повышает опасность облучения рент-
геновскими лучами.
Сильноточная установка (рис. 21, в) имеет
простую систему управления и питания источника ионов и
электромагнита и небольшое количество устройств, работаю-
щих на высоком напряжении. Недостатки ее — трудный доступ
к приемной камере, высокий потенциал на ней и сложность
автоматизации загрузки — выгрузки обрабатываемых подло-
жек.
Высокоэнергетическая установка (рис. 21,
г) позволяет, приложив высокий потенциал к приемной каме-
ре, получить сверхвысокую (до 500 кэВ) энергию ионов. При
дальнейшем увеличении энергии ионов возникает сильное рент-
геновское излучение. Поэтому большую энергию (1—2 МэВ)
проще получать, используя многозарядные ионы.
В установке больших доз (рис.21,б) источ-
ник ионов находится под высоким напряжением. Полное уско-
рение ионов происходит в системе первичного формирования
пучка, что позволяет полностью автоматизировать все режимы
работы.
Рассмотрим основные элементы установок ионной имплан-
тации.
Источник ионов предназначен для возбуждения атомов ра-
бочего вещества до энергии, как минимум большей потенциала
его ионизации, в результате чего получают пучок положительно
заряженных ионов. Поскольку для ионизации используется
электрический разряд, все источники ионов имеют одинаковые
элементы:
разрядную или ионизационную камеру (обычно несущая
конструкция источника);
анод для создания электрического поля внутри разрядной
камеры;
источник электронов (термокатод или холодный катод),
служащий для эмиттирования в зону разряда необходимого
количества ускоренных электронов;
магнитную систему для повышения эффективности иониза-
55
Рис. 22. Источники ионов с термокатодом (а, б), с катодами прямого
и косвенного накала (в) и с холодным катодом (г):
1 - подача газа, 2, 5, 6, 8 - катоды, 3 - анод, 4 - экстрактор, 7 - элект-
ромагнит, 9 - плазма
ции и плотности плазмы в зоне экстракции (извлечения) ионов;
экстрагирующий электрод и электроды первичной фоку-
сировки пучка, предназначенные для экстракции ионов из зоны
плазмы и первичного ускорения пучка ионов;
системы подачи (испарения) рабочего вещества и источ-
ников питания (анода, экстрактора, катода и электромагнитов) .
Наиболее широко используют источники ионов с термрка-
тодом прямого или косвенного накала (рис. 22, а — в) и мень-
ше — с холодным катодом (рис. 22, г).
Источники ионов с термокатодом выпол-
няют двух вариантов: с экстракцией ионов вдоль оси разрядной
камеры через отверстие круглой формы — аксиальная экстрак-
ция (рис. 22, а, в) и перпендикулярно оси разрядной камеры
через отверстие прямоугольной формы — радиальная экстрак-
ция (рис. 22, б). При аксиальной экстракции формируется пу-
чок ионов конической формы, хорошо совместимый с ионно-
оптической системой, а при радиальной — пучок в форме узкой
ленты, в котором при прохождении электростатических линз
появляется значительный объемный заряд, способствующий
дефокусировке.
Источники с холодным катодом (рис.22,г)
имеют два катода 6 и 8 и расположенный между ними полый
анод 3 в виде цилиндра, внутри которого локализуется плазма 9.
56
ЖВ таких источниках обычно используют аксиальную экстрак-
т дню ионов с границы плазмы.
t В качестве рабочих веществ в разрядную камеру источника
Л ионов подают такие газы, как водород, гелий, аргон, азот или
газообразные соединения BF3,PH3 и AsFe3. Используя твердые
' вещества, температура парообразования которых не превышает
1000 °C (олово, галлий, сурьму), их предварительно нагревают,
ионизируют пары и подают в источник ионов через натекатель,
[  регулируя скорость испарения изменением температуры нагре-
ва. Твердые вещества, температура парообразования которых
превышает 1000 °C, сначала распыляют в атмосфере аргона или
ксенона, а затем ионизируют в плазме этого газа.
Масс-сепараторы служат для выделения из общего ионного
I пучка ионов, необходимой массы и заряда. Сепараторами явля-
ются секторные электромагниты, которые, кроме того, удаля-
; ют нейтральные атомы и молекулы и компенсируют простран-
! . ственный заряд сильноточного пучка. Наиболее широко исполь-
зуют секторные электромагниты с углом поворота 60 и 90° и
! • неоднородным магнитным полем. Такие электромагниты обла-
| дают лучшей дисперсией, чем электромагниты, имеющие одно-
родное поле, а также позволяют фокусировать пучок ионов в
двух плоскостях и изменять его фокусное расстояние. В сепа-
раторах сильноточных систем для максимального переноса пуч-
ка от источника до мишени приемной камеры нейтрализацию
J пространственного заряда выполняют с помощью электрон-
ной сетки, к которой прикладывают небольшой отрицательный
потенциал.
S Для экранирования рентгеновского излучения в электродах линз
используют специальные материалы (например, свинцовую резину).
Ж Кроме того, рентгеновское излучение экранируют постоянными магнита-
ж ми и металлическими экранами, устанавливаемыми непосредственно
» в системе однозазорного ускорения.
J Фокусируют пучки независимо от массы ионов электро-
1 статическими квадрупольными (сдвоенными или строенными)
В или трехэлектродными линзами.
В Система ускорения (ускоритель) и формирования пучка
 ионов наиболее часто представляет собой так называемую ус-
11 корительную трубку, состоящую из кольцевых стеклянных (ке-
 рамических) изоляторов и металлических электродов, спаян-
 ных, склеенных или стянутых между собой. Эта система может
В также выполняться в виде двух- или трехэлектродных линз
Ж для создания одно- или двухзазорного ускорения. К двухэлект-
к родным линзам прикладывают извлекающее пучок ионов и
Ж ускоряющее его напряжение, а к трехэлектродным подают к
	57
третьему электроду изменяющееся напряжение, способствую-
щее поддержанию постоянного фокусного расстояния при так
же изменяющемся конечном напряжении.
Расположением ускорителя относительно других элементов
определяются конструкции и габариты установки, а также рас-
пределение высоких потенциалов по ее частям (рис. 23, а — в).
Первый вариант (рис. 23, а) представляет собой
наиболее распространенную схему расположения ускорителя 2
перед масс-сепаратором 3, который должен иметь большой сек-
торный электромагнит с мощным источником питания, создаю-
Рис. 23. Варианты расположения
ускорителя относительно других
элементов установки ионной им-
плантации :
а - перед сепаратором, б - перед
системой фокусировки, в -
перед устройством сканирова-
ния; 1 - высоковольтный мо-
дуль, 2 - ускоритель, 3 - масс-
сепаратор, 4 - квадрупольная
система фокусировки, 5, 6 —
элементы системы сканирования
пучка, 7 - приемная камера,
8 - высоковольтный источник
питания, 9 - источник ионов
58
щим эффективную сепарацию
ионов высоких энергий. Коли-
чество элементов, расположен-
ных в высоковольтном модуле
1, минимально. Такую компо-
новку используют в вертикаль-
ных системах ионной импланта-
ции с отклонением пучка иа
90°. В установках ионной лито-
графии применяют аналогичную
компоновку с вертикальным на-
правлением пучка ионов, что ис-
ключает наличие высокого по-
тенциала на мишени.
При втором вариан-
т е (рис. 23, б) ускоритель рас-
положен перед системой фокуси-
ровки, что способствует сниже-
нию мощности источника пита-
ния электромагнита и размеров
самого электромагнита, так как
энергия ионов, проходящих масс-
сепаратор, низкая. Источник
ионов 9 и масс-сепаратор 3
электрически изолируются от
земли и располагаются в высоко-
вольтном модуле 1.
Третий вариант (рис.
23, в) комбинированный и имеет
две раздельные системы уско-
рения (предварительную и фи-
нишную), расположенные перед
устройством сканирования, что
позволяет выбирать оптималь-
ные размеры электромагнита и
увеличивать общую конечную энергию ионного пучка регулиров-
кой напряжения на втором ускорителе. Предварительная систе-
ма при такой компоновке ускоряет ионы (например, до энер-
гии 150 кэВ) за счет разности потенциалов 150 кВ между экстра-
гирующим электродом и каналом сепаратора, а финишная —
до тех же параметров за счет такой же разницы потенциалов
между каналом масс-сепаратора 3 и приемной камерой 7, нахо-
дящейся под потенциалом земли. Этот вариант компоновки мо-
жет применяться в высокоэнергетических системах ионной им-
плантации с энергией ионов выше 300 кэВ.
Системы сканирования обеспечивают равномерное облуче-
ние пучком ионов всей поверхности мишени (полупроводни-
ковых подложек) в приемной камере. Сканирование может
быть электростатическим, электромагнитным, механическим и
комбинированным. Для повышения производительности уста-
новки необходимо выбрать оптимальную систему сканирова-
ния, которая зависит от времени имплантации.
Для уменьшения времени внедрения ионов можно увели-
чивать ток пучка, что ограничивается влиянием пространствен-
ного заряда и температурой нагрева мишени. Установлено, что
при токе более 500 мкА пучок под действием собственного
пространственного заряда в области, свободной от влияния
электростатических полей, начинает расширяться.
В электростатических системах скани-
рования увеличение сечения пучка ионов требует увеличе-
ния напряжения, прикладываемого к пластинам сканирования.
Это значительно снижает плотность тока и производительность
установки. Нейтрализуется пространственный заряд самоком-
пенсацией, возникающей при столкновении пучка ионов с моле-
кулами остаточного газа, а также под действием сильных маг-
нитных полей, используемых для фокусировки пучка.
Электростатическое сканирование используют в слаботоч-
ных установках с индивидуальной обработкой подложек. Ион-
ный пучок перемещается в плоскостях X и Y соответственно
с частотой от 100 до 500 и от 1000 до 4000 Гц, что создает равно-
мерность легирования.
Влияние нейтральных частиц на однородность имплантации
устраняется отклонением пучка ионов на угол 6-15° с помощью
последней пары пластин сканирования. При введении дополни-
тельной фокусировки пучка до и после отклоняющих пластин
электростатическую систему сканирования можно использовать
в установках средних токов (до 1 мА), работающих с тяжелы-
ми ионами мышьяка и сурьмы.
Недостаток электростатического сканирования — необхо-
димость увеличения общей длины установки вследствие воз-
59
Рис. 24. Системы механического (а - г) и комбинированного (д, е) ска-
нирования:
1 - пучок ионов, 2 - полупроводниковые подложки, 3 - колесо, 4 - кон-
вейер, 5 - основание, 6 - лента, 7 - диск
растающего диаметра обрабатываемых подложек для сохране-
ния созданной однородности легирования и поддержания вы-
сокого вакуума.
Различные системы механического и комбинированного
сканирования, применяемые в установках малых и средних
доз, а также в сильноточных для групповой обработки под-
ложек, показаны на рис. 24, а — е.
Механическая система сканирования,
показанная на рис. 24, а представляет собой колесо 3 с закреп-
ленными на нем полупроводниковыми подложками, совершаю-
щее возвратно-поступательное со скоростью v или вращательное
с угловой скоростью со движение относительно пучка ионов 1.
При такой системе получают постоянный угол имплантации.
Однако каждая точка подложек имеет различную относительно
пучка ионов скорость перемещения, которая возрастает с уве-
личением их диаметра. Кроме того, такая система перемещения
колеса довольно сложна.
Механическая система сканирования по-
казанная на рис. 24, б, перемещает подложки 2, расположенные
на конвейере 4, движущемся по овальной траектории в гори-
зонтальной и вертикальной (вверх — вниз) плоскостях отно-
сительно пучка ионов 1. Эта система обеспечивает постоянные
60
угол имплантации и скорость движения подложек. Недостатки
ее — низкая скорость сканирования по вертикали, сложность
конструкции и необходимость смазывания устройств, работаю-
щих в среде вакуума, что ухудшает его.
Механическая система сканирования,
показанная на рис. 24, в, представляет собой плоское основа-
ние 5 с закрепленными на нем полупроводниковыми подложка-
ми и имеет возвратно-поступательное движение вверх — вниз
и справа — налево, что не обеспечивает необходимой скорости
перемещения подложек и снижает производительность уста-
новки.
В механической системе сканирования,
широко применяемой в сильноточных установках (рис. 24, г),
по периферии быстровращающегося диска, одновременно ли-
нейно перемещаемого с небольшой скоростью, по радиусу рас-
положены подложки. Однородность легирования получают,
изменяя плотность пучка или скорость линейного перемещения
диска при сохранении его частоты вращения. Основной недо-
статок этой системы — сложность регулирования скоростей.
Комбинированные системы (рис. 24, д, е) имеют электро-
магнитное сканирование по направлению плоскости X и меха-
ническое по направлению плоскости Y и создают наиболее бла-
гоприятные условия для равномерности легирования.
Приемная камера служит для размещения, подачи и легиро-
вания полупроводниковых подложек. На установках малых доз
подложки обрабатывают поштучно, причем загружают их в при-
емную камеру вручную или автоматически через входной шлюз
партиями по 25 шт. в кассете или на диске, а имплантируют
индивидуально. Установки с автоматической подачей кассет
имеют среднюю производительность 200—300 подложек в час
при времени имплантации каждой 5 — 10 с. Обработка происхо-
дит почти непрерывно: при откачке шлюзовой камеры с посту-
пившей из кассеты подложкой предыдущая подложка легиру-
ется.
По окончании имплантации подложка перемещается в вы-
ходной шлюз и далее в .приемную кассету, на её место поступает
подложка из входного шлюза, место которой занимает очеред-
ная подложка из кассеты. При такой системе работы установки
значительно экономится межоперационное время на загрузку —
разгрузку. Подложки диаметром более 102 мм перемещаются
из установки в приемную кассету специальным устройством
по наклонной плоскости на воздушной подушке и сбрасываются
на мягкий буфер под действием вибрации, что исключает их
повреждение.
Приемная камера установки ионной имплантации малых и
61
Рис. 25. Приемная камера с контейнерной загрузкой
подложек установки ионной имплантации:
1 — паз в кассете, 2 — подложка, 3 — кассета, 4 — дози-
метр, 5 - ввод привода вращения, б - вал, 7 - ролик,
8 - кулачок, 9 - контейнер
средних доз (рис. 25) имеет контейнер 9, вращаемый относи-
тельно вала 6 вместе с подложками 2, закрепленными в кассетах
3 с пазами 1 для прохождения пучка ионов к расположенному
за ними регистрирующему дозиметру 4. Кулачок 8 контейнера
служит для создания постоянного угла имплантации. Радиаль-
ное биение контейнера компенсируют капроновые ролики 7.
Установки малых и средних доз, а также сильноточные
используют для групповой обработки подложек. Загрузка мо-
жет быть групповой — в контейнере, представляющем собой
диск или карусель, ручной — по две-три подложки на подложко-
держателях, а также автоматической — по одному подложко-
держателю или по одной подложке.
В сильноточных установках возникает проблема теплоотво-
да от мишени (например, температура 90—120 °C является
62
i
К критичной для фоторезисторов). Поэтому при групповой обра-
W ботке подложек на вращающемся диске или барабане удается
I за счет улучшения под действием центробежных сил теплового
» контакта подложек с массивным подложкодержателем повы-
В сить теплоотдачу и использовать пучки ионов интенсивностью
5 2—5 мА. Проблему теплоотвода можно решить также приме-
нением подложкодержателя из гибкого материала высокой
теплопроводности.
Системы дозиметрии служат для определения
концентрации легирующей примеси и равномерности ее рас-
пределения в процессе работы установок. В установках с элект-
ростатическим сканированием используют цилиндр Фарадея
(рис. 26), который служит для измерения дозы ионов непосред-
ственно с Поверхности изолированного подложкодержателя
4 с размещенной на нем подложкой 5. В этом случае доза опре-
деляется общим током, проходящим от защитных экранов и
мишени к земле. Такая система дозиметрии удовлетворитель-
но работает при токе пучка до 1 мА и энергии до 200 кэВ.
Универсальная система дозиметрии состоит из четырех
независимых цилиндров Фарадея, расположенных в каждом
углу растра, образуемого пучком ионов. Измеренные дозы
интегрируются и сравниваются со средней. Если отклонение
превышает допустимое значение, процесс останавливают.
В сильноточных установках с механическим сканирова-
нием для определения дозы измеряют ток пучка ионов, падаю-
щего на изолированную карусель (или диск). Чтобы не проис-
ходило накопления электрического заряда на поверхности
мишени (что ведет к ошибкам измерения), в дозиметре име-
ются две вольфрамовые нити накаливания, эмиттирующие
электроны в пучок, что компенсирует накапливающийся заряд.
Вакуумные системы установок
печивать давление не ниже 10-5 Па,
а сильноточных — 10-4 Па. В зави-
симости от конструкции установки
ионной имплантации могут иметь
несколько вакуумных агрегатов
с насосами различных типов. Наи-
более распространены вакуумные
агрегаты с диффузионными паро-
масляными насосами, имеющие
один серьезный недостаток — боль-
шую вероятность попадания на по-
верхности обрабатываемых подло-
жек пленок углеводородных соеди-
нений. В некоторых установках нс-
малых доз должны обес-
1	2	3
lAji/—4

5
П	(11—г—
1 1
Рис. 26. Цилиндр Фарадея:
1,2- заземленная и подав-
ляющая диафрагмы, 3 - кор-
пус цилиндра, 4 — подпожко-
держатель, 5 - подложка
63
пользуют безмасляные средства откачки: криогенные или тур-
бо молекулярные насосы, практически не откачивающие во-
дород. Поэтому чаще применяют комбинированные вакуумные
системы, состоящие из агрегатов с диффузионными насосами и
азотной ловушкой для откачки объема источника ионов и аг-
регатов безмасляной откачки приемной камеры.
§ 14.	УСТАНОВКИ ИОННОГО ВНЕДРЕНИЯ
Совершенствование установок ионного внедрения идет по
пути увеличения точности, равномерности и воспроизводимос-
ти процессов легирования, расширения возможностей обработки
подложек любых размеров пучками ионов, имеющими энергию
от нескольких килоэлектрон-вольт до нескольких мегаэлект-
рон-вольт, механизации и автоматизации загрузки — выгрузки
подложек, обеспечения надежной работы, простоты и оператив-
ности технического обслуживания.
В настоящее время создана гамма установок ионной имплан-
тации ’’Везувий”. Кратко ознакомимся с установками ”Везу-
вий-ЗМ”, ”Везувий-5”, ”Везувий-7М”, ”Везувий-9” и более под-
робно — с установками ”Везувий-8”, ”Везувий-8М”, ’’Везувий-
9М”, а также ”Лада-20”.
Установка ’’Везувий - ЗМ” малых и сред-
них доз, ток пучка которой равен от 10 до 1000 мкА, позво-
ляет легировать полупроводниковые подложки диаметром 75,
100 и 150 мм ионами, обладающими энергией до 150 кэВ. Уста-
новка имеет устройство механического и электростатического
сканирования пучка. Рабочими веществами являются трехфто-
ристый бор, красный фосфор, металлические цинк и мышьяк.
Производительность установки 400 подложек в час; неоднород-
ность дозы имплантации <2 %.
К установке ’’Везувий - 5”, предназначенной
для имплантации подложек молекулярными ионами BF2, раз-
работано устройство, работающее по принципу масс-сепарации
и позволяющее получать на мишени пучки с энергией ионов
10—100 кэВ. Работа этого устройства состоит в отклонении
пучка ионов BF2 заданной энергии на угол 7° на позицию леги-
рования. Отделение молекулярных ионов ВЕ^ от высокоэнер-
гетических ионов бора осуществляется дисперсионной щелью
шириной 40 мм, расположенной перед приемной камерой.
Неоднородность дозы при легировании не превышает 4 %.
Установка ”В е з у в и й - 7М” ионной имплан-
тации малых и средних доз предназначена для
непрерывного режима работы в производстве МОП БИС, где
требуется высокая воспроизводимость дозы легирования, и
64
К' используется для имплантации ионов бора, фосфора и мышьяка
К в подложки диаметром 76, 100 и 125 мм. Установка оснащена
Ж двумя модифицированными источниками дугового разряда с
к катодом прямого накала, встроенными в масс-сепаратор, что
» способствует ее непрерывной работе без разгерметизации до
I 100 ч. Кроме того, два источника позволяют быстро чередовать
1- имплантацию различных веществ. Введение в разрядную камеру
| специального отражателя повышает температуру плазмы источ-
ника и увеличивает выход ионов бора по отношению к ионам
fe плазмообразующего газообразного вещества BF3.
* В масс-сепараторе применены постоянные магниты малых
габаритов и массы, обладающие стабильным и однородным
» полем. Масс-сепаратор рассчитан на разные углы поворота для
ионов различных веществ (бора 90°, фосфора 60°) и соответ-
f ствующий радиус поворота оптической оси пучка.
>< В установке использовано электростатическое двухкоорди-
t натное сканирование с частотой 30 и 2500 Гц соответственно
| в горизонтальном и вертикальном направлениях. Дополнитель-
J ные линзы на входе и выходе отклоняющей системы снижают
| нагрузки на высоковольтные блоки питания, уменьшают
вторичную электронную эмиссию, снижая рентгеноопасность и
! нейтрализуя пространственный заряд пучка в области его откло-
нения и сканирования.
Четыре датчика дозиметрии (цилиндры Фарадея) способст-
* вуют контролю однородности имплантации и настройке пучка
на центр мишени. Приемная камера продольного типа предназ-
i начена для индивидуальной обработки подложек, подаваемых
через шлюз, и допускает нахождение в чистой зоне только при-
F емной и передающей кассет. Это повышает производительность
установки до 240 подложек в час при времени имплантации
7-10 с и дозах примерно 1014 см-2.
I В вакуумную систему установки входят два агрегата на ос-
нове турбомолекулярных насосов ТМН-1500 с азотными ловуш-
ками и стандартной запорно-измерительной аппаратурой. Систе-
К ма шлюзования приемной камеры откачивается двумя парами
| насосов НВР-16Д и 2НВР-5Д.
г Установка имеет автоматическое микропрограммное управ-
| ление вакуумной системой, приемной камерой и инжектором
I ионов. Информация о работе установки, а также выходных и
I командных параметрах инжектора ионов передается по опто-
I электронным каналам и выводится на блок индикации пульта
I управления.
I Работа оператора при обслуживании установки сводится
I к подаче питания и заданию необходимой дозы и энергии им-
I плантации в диапазоне 20—100 кэВ, что выполняется вне чистой
I 3-648	65
зоны. В чистой зоне оператор устанавливает кассеты в механизм
загрузки и заменяет их.
Установка обеспечивает неоднородность дозы имплантации при ле-
гировании не более 1 % н хорошую воспроизводимость прн обработке
подложек кремния ионами бора н фосфора.
Установку ’’Везувий -9” используют для имплан-
тации многозарядных ионов. При этом энергия однозарядных
ионов фосфора, мышьяка, сурьмы составляет 0,6 МэВ, двух-
зарядных — 1,2 МэВ, а трехзарядных — 1,8 МэВ. Источник ионов
позволяет получать пучки двухзарядных ионов этих веществ
интенсивностью до 600 мкА, а трехзарядных — до 150 мкА.
Суммарное ускоряющее напряжение составляет 600 кВ.
В установке использовано двухкоординатное механическое
сканирование подложек диаметром 76 и 100 мм относительно
неподвижного пучка ионов. Встроенная защита из свинца и
свинцовой резины предохраняет персонал от рентгеновского
излучения. В высоковольтной системе установки, разделенной
на два блока, имеются магнитные ловушки, ограничивающие
энергию вторичных электронов до 200 кэВ. Двустороннее дис-
танционное управление установкой осуществляется системой
аналого-цифровой связи по оптоэлектронным каналам.
Установка ’’Везувий-8” (рис. 27) состоит из ис-
точника ионов 13, электромагнитного масс-сепаратора 12, уст-
ройства магнитного сканирования 11, системы однозазорного
Рис. 27. Установка ”Везувий-8”:
1 - привод вращения контейнера, 2 - нагреватель, 3 - контейнер с кас-
сетами, 4 — приемная камера, 5 - дозиметр, 6 - полупроводниковая
подложка, 7 - вакуумный щелевой затвор, 8 - азотная ловушка, 9 -
система однозазорного ускорения, 10 - настроечный цилиндр Фарадея,
11 - устройство электромагнитного сканирования, 12 — электромагнит-
ный масс-сепаратор, 13 - источник ионов
66
ускорения 9, приемной камеры 4, вакуумной системы, а также
систем электропитания, контроля и управления.
В качестве легирующих веществ используются фосфор, цинк
и сурьма в твердом состоянии, а также бор в газообразном
(трехфтористый бор), Твердое вещество загружают в тигель
и нагревают до температуры испарения, а газообразное напуска-
ют через натекатель непосредственно в газоразрядную камеру.
Для повышения эффективности ионизации газов на пары веще-
ства одновременно воздействуют дуговым разрядом и магнит-
ным полем. В результате этого в источнике ионов образуется
плазма, которую вытягивают с помощью трехэлектродной ще-
левой оптики, одновременно воздействуя на нее магнитным по-
лем. Образующийся ионный ток составляет несколько милли-
ампер, т.е. значительно превышает (в 2—7 раз) ток, создаваемый
другими промышленными установками ионной имплантации.
В установке ”Везувий-8” вместо электростатического ска-
нирования в горизонтальном и вертикальном направлениях при-
менена комбинированная система сканирования: электромагнит-
ное вертикальное отклонение ионного пучка и механическое
горизонтальное вращение контейнера с полупроводниковыми
подложками.
В электромагнитном масс-сепараторе 12 ионы легирующего
вещества движутся по криволинейным траекториям. При опре-
деленных значениях напряженности магнитного поля и энергии
ионов радиус их движения зависит от массы. В результате в при-
емную камеру 4 попадает лишь вещество, предназначенное для
легирования. Посторонние примеси (ионы с другими массами)
как бы отфильтровываются масс-сепаратором. Таким образом,
по принципу действия электромагнитный масс-сепаратор анало-
гичен масс-спектрометру и обеспечивает высокую чистоту рабо-
чего вещества, что является одним из достоинств ионного леги-
рования.
Для ускорения ионного пучка до энергии 100 кэВ служит
специальная система, представляющая собой два изолированных
друг от друга электрода, один из которых находится под по-
тенциалом земли, а на другой подается ускоряющее напряжение
до 100 кВ. Одновременно этот электрод служит для создания
потенциального барьера, препятствующего попаданию электро-
нов из приемной камеры в ускоряющий промежуток, что снижа-
ет уровень рентгеновского излучения.
Приемная камера 4 предназначена для размещения в спе-
циальных контейнерах 3 подложек, помещенных в кассеты, и их
легирования. Общее количество подложек в контейнере изме-
няется в зависимости от их диаметра. Так, при диаметрах 75,
100 и 150 мм укладывают соответственно 100, 54 и 24 подлож-
3**	67
ки. При легировании подложек контейнер вращается с частотой
0,32 1/с вокруг вертикальной оси. Равномерность и доза имплан-
тации контролируются универсальным дозиметром 5.
Рабочий объем установки разделен щелевым затвором 7
на две части и откачивается паромасляным высоковакуумным
агрегатом АВП 250/630. В приемной камере установки распо-
ложена ловушка 8, охлаждаемая жидким азотом.
Установка может работать в полуавтоматическом режиме
по программе и в автоматическом с управлением от внешней
ЭВМ.
Достоинствами установки являются высокая производительность,
равномерное распределение иоииого пучка при большой площади под-
ложек, комбинированная система сканирования, возможность исполь-
зования различных легирующих веществ и удобство обслуживания.
Установка ’’Везувий - 8М” предназначена для
имплантации больших доз легирующих веществ и используется
в крупносерийном и массовом производстве ИМС, а также
БИС с размерами элементов 3—5 мкм, выполняемых на подлож-
ках диаметром 76, 100 и 150 мм.
Имплантация больших доз — довольно сложный процесс,
характеризующийся значительным энерговыделением и слабой
управляемостью интенсивного пучка ионов, что обусловлено его
расплыванием в радиальном направлении под действием собст-
венного пространственного заряда. Пучок ионов, распространя-
ющийся в среде остаточного газа, образует плазменно-пучковую
систему с частично компенсированным объемным зарядом,
что позволяет формировать и фокусировать его. Для этого в ус-
тановке предусмотрены устройства, способствующие повыше-
нию управляемости пучком ионов и отводу лишней теплоты.
Так, комплект сменных источников позволяет получать
ионы газообразных и твердых веществ, имеющих температуру
испарения соответственно до 450 и 700 С. Возможно также
предварительное зажигание разряда с использованием балласт-
ного газа, что экономит рабочее вещество и сокращает время
вывода источника на рабочий режим. Возможность использо-
вания источника двухзарядных ионов в два раза расширяет
энергетический диапазон установки.
Кроме того, более высокий, чем в других установках, коэф-
фициент переноса пучка ионов различных масс и зарядов, мень-
шие аберрации на входе и выходе масс-сепаратора, регулировка
положения пучка ионов в пределах 30° на входе и выходе и
неоднородное магнитное поле напряженностью в зазоре до
8 • 10s А/м позволяют сепарировать пучки ионов по массам в
диапазоне 1-200 а.е.м. Устройство электромагнитного масс-
68
сепаратора позволяет не применять дополнительную фокуси-
ровку пучка ионов.
В установке предусмотрена также однозазорная система
щелевого типа для второй ступени ускорения с возможностью
дистанционного регулирования ускоряющего промежутка в про-
цессе настройки на режим для выравнивания плотности скани-
рованного ионного тока по всей площади контейнера с подлож-
ками. Настройку и выравнивание плотности тока выполняют по
датчикам дозиметра в приемной камере через подвижную охлаж-
даемую заслонку, не подвергая подложки облучению.
Полупроводниковые подложки загружают в контейнер в
пеналах — подложкодержателях, конструкцией которых пре-
дусмотрены их автоматизированная подача в установку и извле-
чение из нее. Для стабилизации температурного режима прием-
ной камеры и подложек служит система охлаждения, через кото-
рую пропускают деионизированную воду.
В вакуумной системе установки использованы два ваку-
умных поста с диффузионными насосами, имеющими скорость
откачки 2000 и 500 л/с, и ловушками, охлаждаемыми жидким
азотом. Аналогичную ловушку имеет приемное устройство.
Высокий вакуум в зоне источника ионов при ионизации газо-
образных и конденсирующихся рабочих веществ способствует
повышению как потенциала экстракции до 20 кэВ, так и ионных
токов.
Установка управляется централизованно с пульта. Ваку-
умная система автоматически включается микропрограммным
контроллером, а сигналы подаются преобразователями тока
и дозы по оптоэлектронным каналам.
Установка ”Везувий-9М” является модернизи-
рованным вариантом высокоэнергетической установки ионной
имплантации ”Везувий-9”. Модернизация расширила технологи-
ческие возможности и повысила надежность установки. Так,
установка ”Везувий-9М” оснащена более эффективными источ-
никами многозарядных ионов, повышающими ток двухзаряд-
ных ионов фосфора, мышьяка и сурьмы до 400 мкА. Кроме
того, они позволяют получить для имплантации ионы тяжелых
элементов с кратностью заряда 4,5 и расширяют набор ионов,
используемых для высокоэнергетической имплантации.
Кроме того, на модернизированной установке возможны
как поштучный, так и групповой режимы имплантации, при
которых на подложки подается регулируемое пилообразное
напряжение до 5 кВ частотой 50 и 427 Гц и осуществляется двух-
координатное электростатическое сканирование пучка ионов.
При поштучном режиме имплантации размещенные на барабане
в один ряд подложки поочередно подаются на позицию легиро-
69
вания и одновременно измеряется доза введенного вещества с
помощью цилиндров Фарадея. При этом пучком ионов обраба-
тывается небольшая площадь подложки (до 100 см2) и замет-
ного ухудшения вакуума в приемной камере не наблюдается.
При групповом режиме имплантации с двухкоординатным
механическим сканированием барабана с подложками обраба-
тывается вся их поверхность. В результате этого в начале про-
цесса при вводе пучка ионов значительной мощности вакуум-
ные условия ухудшаются, что может способствовать наруше-
нию режима работы установки и снижению качества импланти-
рованных подложек. Для обезгаживания барабана с подложка-
ми его предварительно в течение 10 мин нагревают до определен-
ной температуры специальным лучевым нагревателем, располо-
женным в приемной камере. При этом барабан с подложками
вращается относительно нагревателя. После такой подготовки
выполняется процесс имплантации.
Установка ”Л ада-2 0” (рис. 28) предназначена
для легирования полупроводниковых подложек диаметром
76 и 100 мм ионами массой до 100 а.е.м. (бор, фосфор, мышь-
як), пучок которых имеет ток до 200 мкА в диапазоне энергий
20-200 кэВ. Установка оснащена автоматическим приемным
устройством непрерывного действия для индивидуальной (по-
штучной) обработки подложек, максимальная производитель-
ность которого 200 шт/ч.
Рис. 28. Установка ”Лада-20”:
1 - электромагнит масс-анализатора, 2 - пульт управления высоко-
вольтным напряжением, 3 - коппиматор, 4 - ускорительная трубка,
5, 7 - диффузионные насосы с криогенными азотными ловушками,
6, 14 - горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины, 8, 9 -
шлюзовое устройство и механизм выгрузки, 10 - приемная камера,
И, 12 - шлюзовое устройство и механизм загрузки, 13 - поворотный
столик приемной камеры, 15 - электроды квадрупольной пинзы,
16 - корпус установки, 17 - высоковольтный источник вытягиваю-
щего напряжения, 18 - источник ионов, 19 - диффузионный насос
70
Управляет работой вакуумной системы, а также процессом
легирования подложек автоматическая система, оснащенная
микроЭВМ. Дополнительно контролируют ход имплантации, ви-
зуально наблюдая его на экране осциллографа. Информационная
система микроЭВМ выдает распечатку (цифро-печать) основных
технологических параметров имплантации на каждую подложку,
что является их сопроводительным документом (паспортом).
В отличие от установок ’’Везувий” в установке ”Лада-20”
используется высоковольтный источник ионов улучшенных па-
раметров, имеющий незначительную нестабильность выходного
напряжения (1 %), низкий коэффициент пульсаций (0,25 %),
простое управление и встроенную защиту от перегрузок по току.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Каковы назначение, достоинства и недостатки ионного внедрения?
2. Для чего отжигают легированные ионным внедрением слои?
3. Из каких основных элементов состоят установки ионной имплан-
тации?
4.	Каковы устройство и принцип действия источников ионов?
5.	Как работают различные системы сканирования?
6.	Как обеспечивается равномерность легирования в приемной
камере?
7.	Каковы особенности различных моделей установок ионной им-
плантации?
ГЛАВА ПЯТАЯ
ИОННАЯ И ЭЛЕКТРОННАЯ ОБРАБОТКА
§ 15.	ЛИТОГРАФИЯ
Как уже отмечалось, перспективным направлением форми-
рования элементов структур полупроводниковых приборов и
ИМС субмикронных размеров является использование в лито-
графии ионных и электронных пучков, рентгеновских и лазер-
ных излучений.
Ионно-лучевая литография позволяет создавать непосред-
ственно на резисте (без шаблона) элементы, минимальные раз-
меры которых составляют около 0,1 мкм и имеют четкий кон-
тур. Основным недостатком ионно-лучевой литографии являет-
ся большая плотность объемного заряда ионного пучка, что
приводит к его значительному расширению. Поэтому ионный
пучок необходимо диафрагмировать, что снижает производи-
тельность литографической обработки. Для устранения этого
71
недостатка объемный заряд нейтрализуют электронами, инжек-
тируемыми в пучок.
Применяемые в ионно-лучевой литографии резисты очень
чувствительны к воздействию ионов, энергия которых погло-
щается более эффективно, чем энергия электронов. Так как
пучок ионов, имеющий плотность тока, значительно меньшую
максимальной, экспонирует резист за доли секунды, произво-
дительность ионно-лучевой литографии определяется временем
подготовительных операций (загрузки подложек, совмеще-
ния) ,а не экспонирования.
Ионно-лучевую литографию выполняют двумя методами:
сканированием сфокусированного пучка или облучением колли-
мированным пучком.
Рис. 29. Ионно-лучевая литография:
а - сканированием сфокусированного пучка, б ~
облучением коллимированным пучком; 1 - источ-
ник ионов, 2, 4 - вытягивающий и отклоняющий
электроды, 3 - линза, 5 - мишень (подложки), 6 -
реперные знаки совмещения, 7, 8 - коллимирован-
ный и неколлимированный пучки ионов, 9 ~ плата,
10 - луч лазера; 11 - шаблон, 12 - координатный
стол
72
При сканировании сфокусированного
ионного пучка (рис. 29, а) по поверхности, покрытой
слоем позитивного или негативного резиста, получают рисунки,
ширина линий которых составляет 0,04—0,1 мкм.
При облучении коллимированным ион-
ным пучком (рис. 29, б) используют мультипликацию
шаблона площадью 1 см2, под которым подложка со слоем
позитивного или негативного резиста автоматически перемеща-
ются на шаг и ее отдельные участки поочередно экспонируются.
При этом методе устраняется значительный нагрев подложки,
а следовательно, ее термическая деформация, и получают ри-
сунки, ширина линий которых составляет 0,5 мкм.
Ионно-лучевая литография сканированием сфокусированно-
го пучка наиболее эффективна при создании рисунков элемен-
тов со сверхмалыми размерами, которые невозможно получить
другими методами. Облучение коллимированным пучком ме-
нее сложно и поэтому перспективно для создания элементов
рисунков, имеющих размеры 0,5 мкм. Недстатками этого мето-
да являются сложность изготовления шаблонов и создания сис-
тем их совмещения с подложками.
В электронной литографии для экспонирования резиста
используют электронный луч, обладающий нетермическим эф-
фектом. Если сравнить длину волн электронного и светового
лучей, окажется, что длина волны электронов, обладающих,
например, энергией 15 кэВ, равна 10-2 нм, а светового луча в
средней части видимого спектра — 5  102 нм. Следовательно,
собственная разрешающая способность электронного луча
примерно на четыре порядка (5 • 104) выше, чем светового.
Основными достоинствами электронных лучей по сравне-
нию со световыми являются:
значительно меньшая дифракция, что способствует получе-
нию более высокого качества изображений;
большая глубина резкости (при диаметре электронного пуч-
ка менее 0,1 мкм и токе более 10~9 А глубина резкости равна
±25 мкм);
очень высокая (на несколько порядков больше) плотность
мощности, что позволяет экспонировать специальные резисты;
отсутствие загрязнений при выполнении процесса, так как
его проводят в вакууме;
возможность безынерционного управления (с помощью
электрического и магнитного полей), что повышает скорость
и точность обработки и позволяет автоматизировать процесс
литографии, в том числе операцию совмещения электронного
луча с координатными точками на подложке.
В электронной литографии пучком электронов можно
73
экспонировать рисунки как параллельно, так и последова-
тельно.
При параллельном экспонировании, на-
зываемом также проекционной электронной литографией, одно-
временно обрабатывают через фотоэмиссионный катод (фото-
катод) всю подложку, покрытую слоем электронного резиста.
Поскольку на всех современных установках перенос изображе-
ния рисунка с фотокатода на подложку выполняется в масшта-
бе 1 : 1, для получения различных рисунков элементов необ-
ходимы фотокатоды, имеющие высокую точность и большую
разрешающую способность. Изготовляют такие фотокатоды
на специальном электронографическом оборудовании, исполь-
зуя соответствующие резисты.
Таким образом, несмотря на высокую производительность,
ограничением промышленного использования проекционной
электронной литографии является сложность изготовления
фотокатодов и отсутствие резистов соответствующей кондиции.
При последовательном экспонировании
для переноса изображения рисунка используют единичный луч,
который поочередно от точки к точке перемещается по поверх-
ности подложки, покрытой слоем электронного резиста. При
этом используют растровый способ экспонирования и управ-
ление перемещением электронного луча' от ЭВМ или фотокопи-
ровального устройства.
Этот метод обладает высокой разрешающей способностью,
зависящей от параметров электронной оптики, а также рассея-
ния электронов в слоях резиста и отраженных от подложки, и
позволяет получать элементы рисунков с размерами 0,1 —
0,4 мкм. Производительность его пока очень низка, особенно"
при использовании фотокопировального устройства. Основная
причина этого — значительное время экспонирования одной точ-
ки, зависящее от плотности тока и чувствительности резиста.
Реитгеиолитография основана на экспонировании резиста
через шаблон рентгеновским излучением с длиной волны 0,5 —
5 нм и его последующем травлении. В рентгенолитографии ис-
пользуют специальные установки, шаблоны и резисты. Мини-
мальные размеры элементов, получаемых рентгенолитографией,
равны 0,3 мкм. Для повышения разрешающей способности
рентгенолитографии рентгеновское излучение преобразуют в
синхротронное, в результате чего лучи становятся параллельны-
ми. Из-за сложности создания мощных источников излучения
рентгенолитография долго будет оставаться лабораторным ме-
тодом.
Лазерная (безрезистная) литография (рис. 30) основана на
воздействии сканирующего луча эксимерного лазера с длиной
74
Рис. 30. Схема лазерной
литографии:
I - УФ излучение, 2 -
шаблон, 3 - слой поли-
кристаллического крем-
ния, 4 — слой диоксида
кремния, 5 - подложка
волны 300 нм на кремниевую подложку, помещенную в среду
хлора. В результате химической реакции ионов хлора с атомами
кремния при тепловом воздействии лазерного луча образуется
газообразное соединение — четыреххлористый кремний, кото-
рый' улетучивается, а на подложке образуются вытравленные
участки. При лазерной литографии выполняется одна операция,
так как операции экспонирования и травления совмещены.
Поскольку при лазерной обработке происходит только хими-
ческая реакция, количество образующихся дефектов минималь-
но. Замена хлора фтором и использование лазерного излучения
с длиной волны около 150 нм позволяют создавать элементы,
размеры которых составляют 0,25 мкм. Возможность лазерной
обработки при комнатной температуре (20 °C) создает предпо-
сылки для разработки СБИС новых типов на подложках диамет-
ром 206 мм.
Вакуумная (сухая) литография выполняется на специаль-
ном технологическом оборудовании, состоящем из установок
плазменного нанесения и проявления резиста, а также осаждения
металлической пленки и электронно-лучевого экспонирования.
Разрабатывается аналогичное оборудование, в состав которого
входит установка рентгеновского экспонирования.
§ 16.	ПОДГОНКА НОМИНАЛОВ РЕЗИСТОРОВ
И КОНДЕНСАТОРОВ ИМС
В производстве ИМС электронный луч используют для
подгонки до номинальных значений сопротивления резисторов
и емкости конденсаторов.
При подгонке сопротивления тонко-
или толстопленочных резисторов электрон-
ным лучом, имеющим удельную мощность примерно 105 Вт/см2,
происходит частичное испарение резистивной пленки и умень-
шается сечение, в результате чего увеличивается сопротивление
резистора ИМС. При этом на поверхности резистивной пленки
скапливаются электрические заряды, затрудняющие выполне-
ние подгонки с высокой точностью. Подлежащий подгонке
резистор включают в мостовую схему сравнения, по управляю-
щим сигналам которой электронно-лучевая установка прекра-
75
щает подгонку при получении заданного сопротивления резис-
тора. Одновременно схема сравнения нейтрализует образующие-
ся заряды, автоматически соединяясь с землей после каждого
импульса обработки.
При подгонке резисторы, имеющие контактную площад-
ку с одной стороны, вначале разрезают вдоль, как бы разделяя
на две части, а затем попеременно с каждого края выполняют по-
перечные резы. По мере приближения сопротивления резистора
к заданному длину прорезаемых электронным лучом полосок
уменьшают, снижая этим скорость подгонки. Возможно также
надрезание резистивного слоя в шахматном порядке. Сопро-
тивление таких резисторов увеличивается, так как ток прохо-
дит по более длинной зигзагообразной дорожке. Перед напуском
воздуха в установку толстопленочные резисторы отжигают при
температуре 700—900 °C.
При обработке тонкопленочных резисторов потоком элект-
ронов, мощность которого недостаточна для испарения, происхо-
дит мгновенная кристаллизация материала пленки в твердой
фазе с образованием игольчатой монокристаллической структу-
ры. Это объясняется изменением температуры пленочных резис-
торов от центра к периферии. Перестройка структуры пленок
сопровождается изменением их удельного поверхностного соп-
ротивления и соответственно сопротивления резисторов. Сте-
пень изменения сопротивления резисторов зависит от парамет-
ров электронного луча, скорости его перемещения, а также
материала и толщины пленок.
При ширине реза 10—50 мкм точность подгонки тонкопле-
ночных резисторов электронным лучом составляет ±(0,1 4-5)%.
Подгонку тонкопленочных резисторов рекомендуется выпол-
нять при высоких скоростях в непрерывном режиме, а толсто-
пленочных — в импульсном. Уменьшают образующиеся при
обработке электронным лучом механические напряжения рацио-
нальным выбором режима, а также материала подложек и пле-
нок, что почти полностью исключает образование трещин в
резистивном слое.
Электронно-лучевая подгонка обеспечивает высокую точность сопро-
тивления пленочных резисторов и может быть автоматизирована. Недос-
таток этого метода - необходимость проведения подгонки в высоком
вакууме.
При подгонке емкости тонкопленочных
конденсаторов отделяют электронным лучом часть их
МДП-структуры. При этом незначительные колебания плотности
электронного луча вызывают интенсивный нагрев не только
МДП-структуры, но и подложки, что приводит к ее разрушению
76
f и снижению электрической прочности и стабильности конден-
! саторов. Для устранения этого недостатка при электронно-луче-
' вой обработке в рабочую зону подают кислородсодержащую
газовую смесь. При этом в пленке возникают мостики повышен-
ной проводимости, которые интенсивно окисляются, и электри-
ческая прочность конденсаторов не изменяется. Недостаток это-
го метода, как и при подгонке резисторов, — необходимость
создания в рабочей камере высокого вакуума.
§ 17.	ГЕРМЕТИЗАЦИЯ КОРПУСОВ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ
И МИКРОПЛАЭМЕННОЙ СВАРКОЙ
Электронно-лучевая сварка отличается от
других видов сварки механизмом теплопередачи. При обычных
видах сварки нагрев соединяемых деталей происходит теплопе-
редачей через их поверхность, а при электронно-лучевой тепло-
вая энергия высвобождается при торможении электронов в по-
верхностных слоях материала.
Проплавление соединяемых материалов зависит от глубины,
в которой происходит полная потеря энергии электронов при
многочисленных их соударениях с атомами и электронами
кристаллической решетки. Глубина проплавления определяется
плотностью соединяемых материалов и ускоряющим напряже-
нием, воздействующим на электроны. При определенных усло-
виях сварки проникновение электронов в металл составляет
несколько десятков микрометров.
Управляют электронным лучом при сварке с помощью
электрических и магнитных полей. Если необходимо, электроны
ускоряют, увеличивая их кинетическую энергию, изменяют на-
правление электронного луча или фокусируют его в фокальной
плоскости в пятно нужных размеров. Фокусировка электрон-
ного луча до 0,005—0,1 мм обеспечивает концентрацию на обра-
батываемых поверхностях очень большой мощности (109 Вт/см2
и более) и их локальный нагрев.
Возможна также электронно-лучевая сварка на воздухе или
в атмосфере инертных газов, но при этом очень усложняется
конструкция установки (особенно устройство вывода электрон-
ного луча из вакуумной камеры в атмосферу) . Поэтому приме-
нять ее нецелесообразно.
Электронно-лучевая сварка выгодно отличается, например,
от пайки тем, что электронный луч действует почти мгновенно,
поэтому вся микросхема не нагревается. При сварке необходи-
мо, чтобы электронный луч перемещался относительно гермети-
зируемого корпуса или, наоборот, корпус — относительно луча
с заданной скоростью и па определенной траектории.
77
Рис. 31. Электронно-лучевая установка сварки непод-
вижным электронным лучом:
1 — электронная пушка, 2 - катод, 3 - анод, 4 -
электромагнитная фокусирующая линза, 5 — откло-
няющая система, 6 - корпус, 7 - ходовой винт,
8, 9 - форвакуумный и диффузионный насосы, 10 -
электродвигатель привода столика, 11, 12 - рабочие
столик и камера, 13 — электронный луч, 14 - высо-
ковольтный трансформатор, 15 - выпрямитель
Электронно-лучевая установка, в которой электронный луч
неподвижен, а перемещается столик с изделиями, показана
на рис. 31 и состоит из вакуумной системы, двух вакуумных
камер, системы управления электронным лучом и устройства
перемещения рабочего столика.
С помощью вакуумной системы, в которую входят форва-
куумный 8 и диффузионный 9 насосы, а также трубопроводы,
в вакуумных камерах создают и поддерживают давление
1,3 • 10-2 Па. В первой камере расположены электронная пуш-
ка 1, электромагнитная фокусирующая линза 4 и электроста-
тическая (отклоняющая) система 5.
При работе установки катод 2 электронной пушки 1, изго-
товленный из вольфрамовой проволоки, нагревают до темпе-
ратуры 2400—2500 °C, а к аноду 3 подводят от высоковольт-
ного трансформатора 14 через выпрямитель 15 напряжение
78
(для различных систем от 20—30 до 100—150 кВ) . Испускаемые
катодом электроны под действием магнитного поля приобре-
тают большую скорость и фокусирующими электростатически-
ми и электромагнитными линзами направляются в виде луча
диаметром в несколько десятков микрометров на обрабатывае-
мый корпус 6. В результате электронной бомбардировки
локальные участки свариваемых поверхностей разогреваются
до необходимой температуры. При этом плотность мощности
достигает 104 —106 Вт/см2.
Размещенный во второй (рабочей) камере 12 корпус можно
перемещать горизонтально в двух взаимно перпендикулярных
направлениях. В этой камере имеются оптическое окно и детек-
тор отраженных электронов (сканирующего электронного мик-
роскопа) для контроля качества сварки.
Рабочий столик 11 перемещается двумя приводными меха-
низмами с шаговыми двигателями 10, расположенными снаружи
рабочей камеры 12. Скорость перемещения можно изменять от
5,12 до 1,25 • 10-4 мм/с, причем каждый управляющий импульс
(шаг) соответствует сдвигу столика на 10 мкм.
Система управления электронным лучом обеспечивает необ-
ходимые его отклонения, длительность обработки, регулирова-
ние тока, а также изменение характера пульсаций.
Выпускаются также установки, в которых электронный луч
Рис. 32. Электронно-лучевая установка сварки с
программным перемещением электронного луча:
1 - электронно-лучевая трубка, 2 - блок питания
отклоняющих систем, 3 - электронная пушка,
4 - электронный луч, 5 - корпус, 6 - источник
и усилитель, 7 - фотоэлемент, 8 - линза, 9 - мас-
ка, 10 - луч света
79
перемещается относительно изделия по заданным программам.
Довольно широко применяют систему программирования пере-
мещения электронного луча с использованием маски — шаблона
(рис. 32).
При работе установки в момент освещения фотоэлемента 7
лучом света 10 электронно-лучевой трубки 1, прошедшим через
маску 9, открывается прожектор — эмиссионная система, уско-
ряющая и формирующая электронный луч 4 электронной пушки
3, и осуществляется сварка. Электронный луч 4 электронной
пушки и луч света 10 электронно-лучевой трубки автоматиче-
ски синхронно управляются блоком питания отклоняющих
систем 2, обеспечивающих синхронную развертку обоих лучей,
и блоком усилителя и источника 6 запирания электронного лу-
ча гГушки. Отверстия в маске должны соответствовать конфигу-
рации сварочного шва.
Достоинствами электроиио-лучевой сварки являются: возмож-
ность соединения очень тонких материалов, имеющих толщину несколько
микрометров; высокая чистота процесса, так как ои выполняется в ва-
кууме; точные фокусировка и дозирование энергии электронного пучка,
обеспечивающие выделение большой мощности, что позволяет соединять
тугоплавкие, высокопрочные и химически активные металлы и сплавы
при значительных скоростях (10-100 м/ч).
При ми кропл азменной сварке корпусов
полупроводниковых приборов и ИМС иони-
зированный поток создают с помощью дугового разряда, воз-
буждаемого между двумя электродами, через которые под дав-
Рис. 33. Плазменная горелка:
1, 3 - подвижный и неподвижный элект-
роды, 2 — канал, 4, 6 - столб и струя
плазмы, 5 - сопло
80
лением подают инертный
газ (обычно аргон).
Проходящий через меж-
электродное пространст-
во газ ионизируется и
приобретает большой за-
пас тепловой энергии,
которая используется
для нагрева и сварки де-
талей корпусов.
Промышленные ус-
тановки микроплазмен-
ной сварки имеют специ-
альные горелки, напоми-
нающие по внешнему
виду горелки, предназ-
наченные для газовой
сварки или резки. С по-
мощью плазмы можно сваривать не только металлы, но и не-
металлы или их сочетания.
Ионизация аргона (создание аргоновой плазмы) в плазмен-
ной горелке (рис. 33) происходит в определенной последова-
тельности. Вначале при подаче питания от источника ИП между
подвижным 1 и неподвижным 3 электродами возбуждается
дуговой разряд. Затем в канал 2 под давлением подается аргон,
который, проходя через столб дуги, ионизируется и в виде
струи плазмы 6 выбрасывается из сопла 5 горелки. Для концент-
рации струи ионизированного аргона неподвижный электрод 3
и столб дуги охлаждают водой. В результате резкого повыше-
ния температуры (до 10 000-15 000 К) струя 6 плазмы (иони-
зированного аргона), выходящая из сопла 5, приобретает боль-
шой запас тепловой энергии, испльзуемой для нагрева и сварки
деталей.
Напряжение дуги и мощность плазменной струи регулируют,
перемещая электрод 1 в канале 2. Кроме того, эффективную
тепловую мощность плазменной струи можно регулировать,
изменяя ток и напряжение дуги, расход и состав газа, диаметры
канала и сопла, а также расстояние между соплом и сваривае-
мыми деталями. Температура плазменной струи зависит от
плотности энергии в столбе дуги, на которую существенно влия-
ет степень его обжатия газовым потоком в узком сопле плазмен-
ной горелки.
Микроплазменная герметизация требует интенсивного отвода тепло-
ты от свариваемых изделий.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Каковы достоинства и недостатки использования ионных и элект-
ронных пучков, а также рентгеновских и лазерных излучений в лито-
графии?
2.	Как выполняют подгонку сопротивления резисторов и емкости
конденсаторов с помощью электронного луча?
3.	Каковы особенности герметизации корпусов электронно-лучевой
сваркой?
4.	Как работают установки для герметизации корпусов электрон-
но-лучевой сваркой?
5.	Каков принцип действия горелки применяемой для микроплазмен-
ной герметизации корпусов?
81
ГЛАВА Ш ЕСТАЯ
МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВАЯ ЭПИТАКСИЯ
§ 18. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) - это метод наращивания
и условиях высокого вакуума монокристаллических слоев с использова-
нием молекулярных пучков исходных веществ.
Молекулярно-лучевая эпитаксия по сравнению с парогазо-
вой (ПГЭ) и жидкофазной (ЖФЭ) обладает рядом достоинств,
основными из которых являются:
возможность наращивания слоев атомарной толщины тре-
буемого стехиометрического состава;
легкость воспроизводства при относительно невысоких тем-
пературах совершенных по структуре и однородных по толщине
слоев;
универсальность, позволяющая наращивать слои как одного
вещества, так и двух.
Кроме того, этим методом можно выполнять селективную
эпитаксию, а также выращивать слои, содержащие гетеропере-
ходы с сопряженными кристаллическими решетками или с
постепенно изменяющимися ее периодами.
Выращиваемые слои контролируют высокочувствитель-
ной аналитической аппаратурой (оже-анализатором, квадру-
польным масс-спектрометром, электронным дифрактометром),
располагаемой в рабочей зоне. Применение молекулярно-луче-
вой эпитаксии в технологическом процессе существенно повы-
шает выход годных структур с электронно-дырочными гомо-
и гетеропереходами.
Основные характеристики эпитаксиального наращивания
слоев арсенида галлия различными методами приведены в
табл. 2.
Малая скорость и -низкая температура роста слоев при
молекулярно-лучевой эпитаксии требуют особого внимания к
подготовке поверхностей подложек. Обычно подложки после
химического или многократного ионного травления отжигают
в сверхвысоком вакууме. Высококачественные слои арсенида
галлия получают после отжига подложек при 570 °C в течение
30 мин в атмосфере паров мышьяка. При такой обработке уда-
ляются не только различные примеси, но и восстанавлива-
ются нарушения кристаллической решетки подложек.
Качество наращиваемых слоев существенно зависит от со-
отношения компонентов в молекулярных потоках. При нанесе-
нии слоев бинарных (двойных) соединений из разных источни-
ков не удается получить заданный состав пленки.
82
Таблица 2. Эпитаксиальное наращивание слоя арсенида
галлия различными методами
Характеристика
ЖФЭ	ПГЭ	МЛЭ
химиче-	пиролитиче-
ским ским разло-
осаждени- жением
ем
Скорость роста слоя,
нм/мин		1000	100	100	10-25
Температура роста слоя, °C		850	750	750	550
Минимальная регули- руемая толщина нара- щиваемого слоя, нм .	50	25	10(5)	0,5
Толщина слоя между подложкой и эпитак- сиальной пленкой, мм	5	6,5	2(1,6)	1,5 (0,9)
Концентрация п ри мес- -3 ных атомов, см ...	103-1019	1013-1019	1014-1019	1014-1019
Подвижность носите- лей заряда в арсениде галлия и-типа, цп' 103, см2/(В'с)		150-200	150-200	120	105
Хорошие результаты получают при использовании общего
источника, содержащего смесь двух компонентов, например
галлия и индия. При температуре источника 800 °C скорость
роста пленки составляет 1000 нм/ч. При этом скорость испаре-
ния индия в 10 раз выше, чем галлия, а соотношение их масс
примерно равно 10, что способствует созданию равных потоков,
необходимых для нормального роста слоя.
Так как с ростом температуры давление паров галлия из-
меняется быстрее давления паров индия, то при увеличении
температуры общего источника возрастает и соотношение масс
галлия и индия в потоках. Например, при повышении темпе-
ратуры на 1 °C соотношение масс веществ в потоках из общего
источника возрастает лишь на 0,5 %, в то время как при раздель-
ном испарении оно увеличивается до 3 %.
В высоком и сверхвысоком вакууме молекулярно-лучевой
эпитаксией можно осаждать полупроводниковые, диэлектри-
ческие и металлические слои.
83
Рассмотрим в качестве примера процесс наращивания слоя
кремния на специальной установке, электронно-лучевой испа-
ритель которой служит для создания молекулярно-лучевого
пучка кремния. Сканируя по помещенной в глубокий тигель
навеске кремния, этот пучок равномерно ее нагревает. Обра-
батываемые кремниевые подложки с ориентацией (100) или
(111) располагают в камере, которую откачивают до давления
10~9 Па. В качестве легирующей примеси используют мышьяк,
нагреваемый до 300 °C. Смесь паров мышьяка с аргоном иони-
зируется электронной бомбардировкой.
После откачки установки до необходимого давления про-
цесс эпитаксии начинается с медленного нагрева источника крем-
ния и подложек до 1240 °C в течение 1 мин для их очистки.
Рост слоя происходит одновременно с его легированием. Выра-
щенные так эпитаксинные слои кремния не имеют дефектов
упаковки, а плотность дислокаций в них не превышает 500 см-2.
Уровень легирования слоев толщиной до 2,5 • 104 нм составляет
от 1014 до 1017 см-3. При температуре подложек 850 °C ско-
рость роста слоя изменяется в интервале (0,1 -г 1,5)  104 нм/ч.
Энергия ионного пучка при легировании равна 600 эВ.
Воздействие ионного пучка на кристаллическую структуру
выращенных слоев ухудшает их электрические свойства, если
при этой температуре одновременно не производится отжига.
Так как степень нарушения кристаллической структуры слоев
зависит от их ориентации, температуры роста и энергии ионного
пучка, для получения заданных свойств слоев следует тщатель-
но подбирать и выдерживать режим.
Молекулярно-лучевой эпитаксией осаждают проводящие слои алю-
миния, а также изолирующие слои его оксида испарением алюминия
в среде кислорода на поверхности подложек из арсенида галлия.
Как уже отмечалось, достоинством молекулярно-лучевой
эпитаксии является возможность анализа и контроля с помощью
специальных приборов и методов параметров слоев в процессе
наращивания.
О Ж Е-с пектрометр — прибор, работа которого осно-
вана на ОЖЭ эффекте, названном по имени французского уче-
ного П.В. Оже, открывашего его в 1925 году. Этот прибор при-
меняют для контроля наличия примеси и неоднородности соста-
ва очень тонких осажденных поверхностных и приповерхност-
ных слоев. Причем с его помощью по изменению энергии элект-
ронной оболочки электронов обнаруживают в осажденных слоях
любой химический элемент, кроме водорода и гелия. Иссле-
дуемые подложки необходимо предварительно тщательно очи-
щать, так как только при этом условии кинетическая энергия
84
{электронов будет достаточна для их выхода с поверхностных
•или из приповерхностных слоев.
' Квадрупольный масс-спектрометр слу-
жит для контроля спектра масс (до 200 а.е.м.) газовых и моле-
кулярных потоков, а также остаточной среды. Принцип дейст-
вия этого прибора основан на разделении ионов по удельным за-
рядам при их движении в квадрупольных (прямоугольных,
квадратных) высокочастотных полях, создаваемых специаль-
ным датчиком.
Методы дифракции быстрых и медлен-
ных электронов позволяют выполнять соответственно
кристаллографический анализ подложек и наращенных слоев.
Применяют также другие методы контроля параметров
слоев. Так, концентрацию примесей в слоях контролируют
вторично-ионным масс-спектрометрическим методом (ВИМС),
а их химический состав — методом рентгено-электронной спект-
роскопии.
§ 19. УСТАНОВКИ МОЛЕКУЛЯРНО-ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ
Установки молекулярно-лучевой эпитаксии разделяют на
одно- и многокамерные.
Однокамерные установки (рис. 34) состоят
из вакуумной рабочей камеры 1 со средствами откачки, блока
2 молекулярных источников, устройства нагрева подложек,
ионной пушки 8 для подготовки поверхности подложек, оже-
спектрометра 7 для анализа элементарного состава и квадру-
польного масс-спектрометра 9 для анализа структуры поверх-
ности подложек и выращенной эпитаксиальной пленки, а также
устройств загрузки подложек в рабочую камеру, юстировки
ее положения и разгрузки.
Процесс наращивания эпитаксиального слоя осуществляет-
ся в определенной последовательности. Предварительно перед
загрузкой на подложкодержателе закрепляют расплавом индия,
галлия, висмута или механическими прижимами подложку 11.
Затем при атмосферном давлении в рабочей камере подложко-
держатель устанавливают на держатель прецизионного мани-
пулятора 10. Создание сверхвысокого вакуума и обезгажива-
ние всей системы обычно длится 20—48 ч при температуре
250-400 °C.
При комбинированной тепловой и ионной обработке по-
верхности подложек одновременно методами дифракции быст-
рых электронов и оже-спектрометрии контролируют их струк-
туру и химический состав на атомарном уровне.
Тепловую обработку подложек выполняют косвенным
85
8
9
Рис. 34. Однокамерная установка молекулярно-лучевой
эпитаксии:
1 - рабочая камера, 2 - блок молекулярных источни-
ков, 3 - молекулярный источник,-# - привод заслонки,
5 - криопанель блока молекулярных источников, 6 -
пушка для дифракции быстрых электронов, 7 - оже-
спектрометр, 8 - ионная пушка для подготовки поверх-
ности подложек, 9 - квадрупольный масс-спектрометр,
10 - держатель подложек прецизионного манипулято-
ра, 11 - подложка, 12 - флюоресцентный экран для
дифракции быстрых электронов
нагревом, а ионную — с помощью ионной пушки 8. Для осажде-
ния эпитаксиального сдоя молекулярный пучок вещества на-
правляют на подложку, нагретую до определенной температуры.
Одновременно квадрупольным масс-спектрометром контроли-
руют плотность и химический состав молекулярного пучка, а
методом дифракции быстрых электронов с оперативной оцен-
кой сглаживания поверхности подложки в начале наращива-
ния — кристаллогеометрию растущего слоя. После окончания
процесса эпитаксии на участке подложек площадью 1—2 см2
контролируют ВИМС методом распределения примесных
атомов.
После разгерметизации рабочей камеры и выдвижения мани-
пулятора снимают подложкодержатель с подложкой.
86
Рассмотрим основные элементы установок молекулярно-
лучевой эпитаксии — вакуумные системы и молекулярные ис-
точники.
Вакуумные системы предназначены для создания безмасля-
ного вакуума во всем диапазоне давлений и поддержания его в
процессе наращивания слоев на уровне 10-7—10'8 Па, а также
для откачки применяемых для ионной обработки поверхности,
подложек инертных газов до давления 10~2 —10~5 Па. В ваку-
умных системах установок молекулярно-лучевой эпитаксии ис-
пользуются магниторазрядные, сублимационные и криогенные
насосы, предварительная откачка которых производится без-
масляными механическими и сорбционными цеолитовыми на-
сосами.
Молекулярные источники должны обеспечивать чистоту мо-
лекулярных пучков не хуже чистоты испаряемого материала;
достаточную длительность цикла обработки; создание условий
испарения различных рабочих веществ в широком интервале
температур; стабильную скорость наращивания эпитаксиаль-
ного слоя.
Этим требованиям наиболее отвечают тигельные трубчатые
источники с резистивным нагревом (рис. 35, а), изготавливае-
мые из пиролитического нитрида бора или графита и имеющие
рабочую температуру соответственно 1800 и 2000 °C. Их экраны
3 и нагреватели 2 обычно изготовляют из тантала, который об-
ладает самой низкой упругостью пара среди тугоплавких метал-
лов, высокой химической стойкостью и геттерными свойствами.
Рис. 35. Молекулярные источники:
а - тигельный трубчатый с резистивным нагревом, б, в - бестигель-
ные с электронно-лучевым нагревом и независимым и испаряемым
анодами; 1 - тигель, 2 - нагреватель, 3 - фокусирующий экран,
4 — термопара, 5 - электронная пушка, 6 — фокусирующий элект-
род, 7 - подложка, 8 - расплав испаряемого вещества, 9 - испаряе-
мое вещество, 10 - катод, 11 - анод	87
Бестигельные источники применяют в тех случаях, когда
испаряемое вещество химически активно или для создания
достаточного давления паров в рабочей камере должна быть
высокая температура. Так, для получения нужного давления
паров кремний нагревают до температуры, близкой к температу-
ре его плавления. Кроме того, так как кремний, взаимодейст-
вуя со многими материалами, образует летучие соединения,
используют электронно-лучевой нагрев. При этом разогревает-
ся только поверхность кремния, а основание держателя, ох-
лаждаемое проточной водой, находится при низкой темпера-
туре.
В бестигельном с электронно-лучевым нагревом и незави-
симым анодом источнике (рис. 35, б) молекулярный поток соз-
дается специальной электронной пушкой 5, а в аналогичном ис-
точнике, но с испаряемым анодом 11 (рис. 35, в) — электрон-
но-лучевым нагревом непосредственно в фокусирующем экра-
не 3.
Предварительно молекулярный источник, а также испаряе-
мое вещество обязательно тщательно обезгаживают в высоком
вакууме. Причем их собственное газоотделение при рабочей
температуре должно быть на уровне фона остаточных газов в
рабочей камере или ниже его.
Подложки могут располагаться в рабочей камере установки
горизонтально или вертикально. В соответствии с этим исполь-
зуют либо вертикальный блок молекулярных источников, ус-
танавливаемый в нижней части камеры и подающий молекуляр-
ный поток вверх на обрабатываемую подложку, либо горизон-
тальный, устанавливаемый на вертикальном фланце камеры.
Горизонтальные блоки по своей конструкции сложнее верти-
кальных. Каждый блок может иметь по нескольку (6—10)
молекулярных источников.
Так как процесс откачки установок молекулярно-лучевой
эпитаксии до высокого и сверхвысокого вакуума длителен,
их оснащают загрузочными шлюзовыми устройствами, повы-
шающими производительность и предохраняющими рабочее
вещество от окисления. Работа таких установок может продол-
жаться недели и даже месяцы без нарушения вакуума, т.е.
пока не будет выработано все рабочее вещество.
Шлюзовое загрузочное устройство (рис. 36, а, б) обычно
состоит из камеры загрузки 5, передающего манипулятора 6,
вакуумного шибера 2 и системы откачки 8. Кроме передающего
в установке имеется также прецизионный манипулятор, обла-
дающий несколькими степенями подвижности (например,
пятью) и служащий для юстировки (точного выставления)
подложки 4. Причем на этом манипуляторе подложка находится
88
Рис. 36. Схемы работы загрузочного шлюзового устройства:
а - подача подложки в камеру загрузки, б - передача подложки в рабо-
чую камеру; 1 — рабочая камера, 2 — вакуумный шибер, 3 - крышка
люка, 4 - подложка, 5 - камера загрузки, 6 - передающий манипу-
лятор, 7, 8 - вакуумные вентиль и насос
в течение всего технологического цикла. Смена подложек осу-
ществляется устройством продольного перемещения.
Многокамерные установки молекуляр-
но-лучевой эпитаксии более совершенны, чем одно-
камерные, обеспечивают высокие производительность и вос-
производимость параметров технологического процесса, а так-
же стабильность измерений, выполняемых аналитическими при-
борами, отличаются компоновкой и конструкцией отдельных
устройств. Обычно многокамерные установки состоят из моду-
лей подготовки, роста, анализа и загрузки — выгрузки, отде-
ляемых друг от друга вакуумными шиберами и имеющих ин-


дивидуальные средства откачки.
Рассмотрим многокамерную установку (рис. 37), предназ-
наченную для изготовления эпитаксиальных структур на под-
ложках диаметром 51 и 82 мм.
Вначале подложки вставляют в подложкодержатели и
89
к
Рис. 37. Многокамерная
установка молекулярно-
лучевой эпитаксии:
1 — каретка, 2 - модуль
подготовки, 3 — передаю-
щий манипулятор, 4 -
устройство ионной очист-
ки подложек, 5 - вакуум-
ный шибер, б - модуль
анализа, 7 - привод цеп-
ного конвейера, 8 - линия
транспортирования, 9 -
модуль роста, 10 - пре-
цизионный манипулятор,
11 - блок молекулярных
источников, 12 - оже-
слектрометр, 13 — устрой-
ство нагрева и обезгажи-
вания подложек, 14 - люк
загрузки


[устанавливают в кассеты (по шесть подложек диаметром 51 мм
или по четыре подложки диаметром 82 мм) , которые закрепля-
ют на каретке 1 (по три с подложками диаметром 51 мм или по
две с подложками диаметром 82 мм). Затем каретку устанав-
ливают на направляющие и через люк загрузки 14 модуля
подготовки 2 вводят в установку. После герметизации установ-
создания необходимого
вакуума каждая подложка в под-
ложкодержателе перемещается магнитным передающим мани-
пулятором 3 в устройство нагрева, а затем возвращается на
каретку и подается в устройство ионной очистки 4. Пройдя
подготовку, подложка через вакуумный шибер 5 передается
манипулятором 3 в модуль анализа 6, оснащенный оже-спектро-
метром 12. Из модуля анализа подложка этим манипулятором
может быть возвращена обратно в кассету, которая на всех
этапах технологического процесса служит одновременно и нако-
или по
линии транспортирования 8 через вакуумный
прецизионным
манипулятором 10 подана
в модуль рос-
Ко гда наращивание эпитаксиального слоя будет закончено,
подложка может быть возвращена в модуль подготовки 2 и
выгружена из установки (при поочередной обработке) или
перемещена через вакуумный шибер в модуль загрузки — вы-
грузки (при параллельной обработке).
Модульность конструкции создает дополнительные удоб-
ства как эксплуатации, так и ремонта установки. Так, в модуль
роста можно ввести, например, электронно-лучевой источник
нагрева, что расширяет технологические возможности установ-
ки. Блок молекулярных источников 11 легко снимается с ка-
меры с помощью специальной тележки и далее может транспор-
тироваться на ней. Манипулятор 10 камеры роста имеет пять
степеней подвижности: по направлениям X, Y и Z, поворот в по-
ложение ’’рост” или ’’перемещение”, азимутальное вращение
с частотой до 5 об/мин. Линия транспортирования состоит
из секций цилиндрической формы диаметром около 150 мм,
которые соединяются непосредственно или через вакуумные
шиберы в различной последовательности.
Вакуумные системы модулей подготовки, загрузки —
выгрузки и анализа состоят из ионного и сублимационного ти-
танового насосов, соединенных с каждым модулем через кла-
паны. Предварительная откачка каждого модуля и всей установ-
ки осуществляется централизованно. В вакуумную систему мо-
дуля роста входят сорбционный, сублимационный титановый
и гелиевый насосы с криогенератором.
В установке использован блок из восьми резистивных моле-
кулярных источников горизонтального исполнения, расположен-
91
ных в два ряда по четыре в каждом и направленных соответ-
ственно под углом 5 и 32° к горизонтальной плоскости. Ем-
кость молекулярных источников 15 и 42 см3, что соответствует
диаметрами тиглей 15 и 25 мм. Наибольшая температура нагре-
ва тиглей 1350 ± 0,5 °C. Нагрев подложек может изменяться от
100 до 850 °C. Управляет температурой нагрева источников
и работой шиберов микропроцессор.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Каковы особенности, назначение, достоинства и недостатки моле-
кулярно-лучевой эпитаксии?
2.	Какими методами и приборами контролируют параметры эпи-
таксиальных слоев?
3.	Какие установки мопекулярно-лучевой эпитаксии вы знаете и
каков их принцип действия?
4.	Каковы назначение, устройство и принцип действия молекуляр-
ных источников?
5.	Как работает шлюзовое загрузочное устройство?
6.	Каковы преимущества модульного конструирования установок
молекулярно-лучевой эпитаксии?
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА
§ 20. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
В производстве изделий микроэлектроники с помощью
лазеров подгоняют сопротивление резисторов, ретушируют фо-
тошаблоны, режут керамику и полупроводники, сваривают
металлы (при герметизации корпусов). Кроме того, лазеры
находят применение при контроле качества полупроводнико-
вых пластин, изготовлении фотошаблонов в производстве БИС
и СБИС и в качестве источников световой энергии при экспони-
ровании резистов, а также при маркировке полупроводнико-
вых приборов и ИМС.
Прежде чем рассматривать особенности лазерной обработки,
ознакомимся с принципом действия лазера. При нахождении
системы (твердого тела или газа) в состоянии теплового рав-
новесия (рис. 38, а) ее частицы (атомы, молекулы, ионы)
располагаются в основном на нижних энергетических уровнях
1, 2 и 3. Если каким-либо способом (например, бомбардиров-
кой электронами) эту систему привести в состояние возбуж-
дения — накачки, часть частиц с нижних энергетических уровней
92
у-2----О—
5 ° О °-б-
2 6°б°-ой
1 88888888
а)
Рис. 38. Расположение частиц (атомов, молекул или ионов)
твердого тела или газа на различных энергетических уровнях:
а - в состоянии теплового равновесия, б - в инверсном состоя-
нии, в-в состоянии перехода с верхнего уровня на нижний
перейдет на верхние / и i (рис. 38, б), т.е. населенность нижних
энергетических уровней уменьшится, а верхних увеличится.
Распределение частиц, при котором населенность верхнего
уровня больше населенности нижнего, в квантовой механике
называют инверсным или населенностью, образовавшейся в
результате перемещения частиц, изменения их обычного поряд-
ка. В таком состоянии система неустойчива, поэтому возможны
переходы частиц с верхнего уровня на соседний нижний, сопро-
вождающиеся выделением энергии излучения hv (рис. 38, в),
количественно выражаемой квантами света (фотонами). Воз-
бужденная система не поглощает, а усиливает падающую радиа-
цию, и вынужденное испускание
это электромагнитные волны)
при этом превышает поглощение
при переходах частиц с уровня /
на уровень i.
Для практического исполь-
зования выделяемых системой
квантов света необходимо их
значительно усилить. В качестве
усилителя используется лазер
(рис. 39), имеющий оптическое
возбуждение (накачку). Возбуж-
дение может быть также элект-
рическим и химическим. Лазер
состоит из излучателя 3, двух
газоразрядных импульсных ламп
1 и двух зеркал 2 и 4.
света (имея в виду, что свет —
Рис. 39. Схема лазера с оптиче-
ским возбуждением:
1 - газоразрядные лампы им-
пульсного действия, 2, 4 - зер-
кала со 100 и 99%-ными коэф-
фициентами отражения, 3 - из-
лучатель
93
Предположим, что зеркало 2 имеет коэффициент отражения
100 %, зеркало 4 — 99 % и усиление светового потока за один
проход излучателя равно 10. Тогда после прохождения сквозь
излучатель одного светового кванта к зеркалу 2 подойдет
10 квантов, а отразившись от него и пройдя его снова, к зерка-
лу 4 вернется уже 100 квантов. От зеркала 4 отразится 99 кван-
тов, а один выйдет в виде оптического (светового) пучка. После
завершения еще одного цикла в световом потоке будет 9900
квантов, из которых 99 выйдут за пределы лазера, а 9801 про-
должит следующий цикл, который увеличит их количество
еще в 100 раз.
Многократное усиление эквивалентно увеличению длины
активного элемента. Поток лучистой энергии, называемый
лазерным лучом или пучком, возникает при условии, что уси-
ление энергии светового потока за двойное прохождение внутри
излучателя больше или, по крайней мере, равно потерям этой
энергии при выходе ее за пределы лазера.
Известно, что свет представляет собой электромагнитные
волны. Поэтому воздействие светового луча на обрабатываемый
материал можно рассматривать как воздействие электромаг-
нитного поля волны на атомы или молекулы вещества. Вслед-
ствие этого часть энергии электромагнитной волны превращает-
ся в теплоту, а часть отражается. Если световой поток обладает
высокой плотностью (т.е. распределен на очень малой площа-
ди), выделяющаяся под действием светового луча теплота бу-
дет достаточной для расплавления и испарения вещества в
зоне контакта.
Такая обработка осуществляется на лазерной установке
(рис. 40), которая кроме лазера снабжена рядом блоков и
систем, предназначенных для расширения ее технологических
возможностей. Например, оптическая система 3 служит для фо-
кусирования и точного направления лазерного луча на обра-
Рис. 40. Структурная схе-
ма лазерной установки:
1 - лазер, 2, 9 - датчики
параметров излучения и
технологического процес-
са, 3 - оптическая систе-
ма, 4 - источник допол-
нительной энергии, 5 -
излучение, 6 - обрабаты-
ваемое изделие, 7 - рабо-
чий столик, 8 - система
подачи технологической
среды, 10 - программное
устройство
94
батываемое изделие 6, которое расположено на рабочем столике
7 и может автоматически перемещаться по режиму, заданному
программным устройством 10 с датчиком параметров техноло-
гического процесса 9. Для контроля параметров излучения
лазера 1 служит датчик 2 с устройством преобразования сигнала.
Лазерную обработку, если необходимо, можно выполнять
в атмосфере инертного газа, в вакууме или подавать в зону об-
работки вспомогательную энергию (механическую, электри-
ческую и др.). Для этого в установке предусмотрены система
подачи технологической среды 8 и источник 4 вспомогательной
энергии.
В зависимости от типа активного элемента или среды излу-
чателя лазеры разделяют на твердотельные и газовые. Кроме то-
го, лазеры могут быть эксимерные и на красителях. Основными
частями лазеров являются излучатели, состоящие из активного
элемента, осветителя и резонатора, а также источники питания и
оптические системы. Характеристики активных элементов
излучателей (длина волны, плотность излучения, мощность,
коэффициент полезного действия и др.) определяются физи-
ческими свойствами материалов, из которых их изготовляют.
По названию материала активного элемента называют и лазер.
Рубиновые лазеры могут работать в непрерывном
или импульсном режиме. При работе в непрерывном режиме
рубиновый лазер имеет низкий КПД (около 0,1 %) и поэтому
неэкономичен. При работе в импульсном режиме без модуля-
ции добротности выходное излучение рубинового лазера, также
обладающего низким КПД, состоит из повторяющихся пиков
большой мощности длительностью около 1 мкс.
Аргоновые и криптоновые ионные лазе-
ры непрерывного действия являются самыми
мощными источниками оптического излучения в видимой и
ближней к ультрафиолетовой областях спектра. Эти лазеры
имеют мощность 10—20 и 1—2 Вт на длинах волн соответствен-
но 500 и 350 нм при значительных затратах электрической энер-
гии. КПД лазеров на ионах инертных газов редко превыша-
ет 0,1 %.
Лазеры на стекле с неодимом являются ис-
точниками оптического излучения с длиной волны 1,06 мкм.
Активный элемент этих лазеров может быть различных форм и
размеров (стержни длиной до 2 м, пластины сечением до
10 см2). Так как неодимовое стекло обладает низкой теплопро-
водностью, из-за перегрева частота повторения импульсов излу-
чения лазера ограничивается 2 Гц при их длительности 1 — 10 нс
и энергии 103 Дж.
Лазеры на алюмоиттриевом гранате
95
(АИГ) работают как в импульсном, так и в непрерывном режи-
ме. Выходная мощность, частота повторения и энергия импуль-
сов этих лазеров обусловлены физическими свойствами АИГ.
Так, при работе в непрерывном режиме выходная мощность
составляет 1 кВт, а в импульсном выходная энергия равна
500 Дж; частота повторения импульсов при длине волны излу-
чения 10,6 мкм составляет 200 Гц.
§ 21. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ И ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ
Твердотельные лазеры на стекле с неодимом и АИГ наибо-
лее широко применяют при изготовлении изделий микроэлект-
роники. Достоинствами этих лазеров по сравнению, например,
с рубиновыми являются более высокий КПД и меньший порог
возбуждения, что существенно увеличивает срок службы им-
пульсных ламп и одновременно уменьшает габариты источни-
ков питания. Кроме того, основные характеристики излучения
этих лазеров незначительно зависят от изменения температуры,
что способствует его высокой стабильности и значительно упро-
щает систему охлаждения активного элемента.
Активные элементы из стекла с неоди-
мом генерируют излучение высокой оптической однородности
и совершенной структуры. При этом лазерный луч имеет мини-
мальную расходимость. Лазеры с таким активным элементом
предпочтительнее использовать для получения отверстий микро-
метрических размеров.
Низкая теплопроводность стекла с неодимом затрудняет
отвод теплоты от активного элемента при оптическом возбуж-
дении и ограничивает среднюю мощность и частоту следования
импульсов (обычно несколько герц). Поэтому лазеры на стекле
с неодимом из-за низкой частоты следования импульсов непри-
годны для шовной сварки.
Активные элементы из АИГ обладают значи-
тельно большей теплопроводностью, меньшим ТКЛР и высокой
механической прочностью, чем из стекла с неодимом. Низкий
порог возбуждения лазеров на АИГ обеспечивает их работу в
непрерывном режиме. Большая частота следования импульсов
и значительная мощность излучения позволяют использовать эти
лазеры для шовной сварки, обработки тонких пленок и скрай-
бирования полупроводниковых подложек. Недостаток их —
высокая стоимость АИГ.
Осветитель излучателя твердотельных
лазеров служит для оптической накачки активного элемен-
та и характеризуются степенью однородности светового потока
и сроком службы лампы и отражателя. Осветительные системы
96
Рис. 41. Осветители излучателей твердотельных лазеров:
а - г - с одной лампой, расположенной симметрично
активному элементу, д - с одной коаксиальной лам-
пой и центральным расположением активного элемен-
та, е, ж - с одной соосно расположенной с активным
элементом лампой, з, и - с одной пампой и симметрич-
но расположенным активным элементом, помещенных
в стеклянный и кварцевый блоки; 1 - активный эле-
мент, 2 - импульсная лампа, 3 - осветительная камера
(осветители) с одной прямой лампой, расположенной симмет-
рично активному элементу, и цилиндрическим отражателем
(рис. 41, а - г) получили преимущественное распространение,
так как обладают наибольшей эффективностью использования
излучения лампы. Однако они не лишены недостатков. Так,
из-за несимметричности конструкции системы возбуждения све-
товое поле также несимметрично. Поэтому луч лазера имеет
неравномерную структуру, что снижает точность обработки.
4-648	97
Равномерную структуру лазерного излучения получают,
используя коаксиальную лампу, в центре которой расположен
активный элемент (рис. 41, д), но это снижает ее эффективность
по сравнению с системой, показанной на рис. 41, г. Кроме того,
для повышения эффективности использования излучения лампы
накачки ее и активный элемент располагают на одной оси.
При этом отражатель выполняется в виде эллипсоида вращения
или имеет коническую поверхность (рис. 41, е, ж).
Осветительная . система может также представлять собой
камеру в виде стеклянных или кварцевых блоков, в которых
находится одна лампа с симметрично расположенным активным
элементом (рис. 41,з, и).
Существенное влияние на эффективность осветителя оказы-
вает качество отражателя, характеризуемое коэффициентом
отражения. При жидкостном охлаждении осветителя излучателя
применяют серебряные отражатели, имеющие коэффициент
отражения 0,90—0,94. Наиболее долго служат и хорошо отража-
ют излучение отражатели в виде стеклянных или кварцевых тру-
бок (блоков), внешняя поверхность которых покрыта сереб-
ром или оксидом магния. При этом отражающая поверхность
не контактирует с охлаждающей жидкостью.
Источниками оптической накачки лазе-
ров обычно служат импульсные ксеноновые лампы. По мере
их старения напряжение накачки увеличивают, тем самым под-
держивая энергию излучения лазера постоянной. Заменяют лам-
пы при достижении предельного напряжения накачки для дан-
ной установки. Это позволяет использовать весь ресурс работы
ламп.
Резонаторы представляют собой систему плоских или
сферических зеркал и служат для создания спектрального со-
става и направленности излучения. Малую расходимость и высо-
кую плотность луча лазера обеспечивают плоские зеркала, па-
раллельность которых должна быть не менее Ю" и дли-
тельно сохраняться в лазерных установках. Длина резонато-
ра равна 300—500 мм. При этом угол расходимости луча в
зависимости от энергии накачки лазеров на рубине или АИГ
лежит в пределах 5—30', а из стекла с неодимом — 1—10'.
Временная характеристика излучения зависит от формы
зеркал и при плоских зеркалах представляет собой хаотические
пики. При сферических зеркалах в зависимости от их кривизны,
взаимного расположения и энергии накачки она имеет вид
затухающих или незатухающих регулярных пиков или может
быть совсем без пиков. Выбор зеркал с соответствующим коэф-
фициентом отражения зависит от материала и типа активного
элемента, его длины и условий накачки. В лазерных установках
98
коэффициент отражения первого зеркала резонатора обычно
равен 50—80 %, а второго должен быть максимальным, т.е.
98-99,5 %. Коэффициент поглощения обоих зеркал не должен
превышать 0,3 %.
В лазерной установке излучатель монтируют на жестком ос-
новании. Для точной юстировки параллельности и соосности
зеркал резонатора и активного элемента служат специальные
устройства, обеспечивающие надежную фиксацию. Зеркала
устанавливают на эксцентричной оси. Это позволяет, постепенно
поворачивая зеркало, использовать всю его рабочую площадь,
что увеличивает срок службы зеркала в несколько раз.
Работа твердотельных лазеров существенно зависит от теп-
лового режима. Повышение температуры активного элемента
отрицательно влияет на спектрально-люминесцентные свойства
лазерного излучения, потому что увеличивается ширина линии
генерации, падает коэффициент усиления, уменьшается кван-
товый выход люминесценции. Это увеличивает порог генера-
ции и уменьшает выходную энергию лазера. Так как характе-
ристики излучения рубиновых лазеров особенно зависят от
температуры, температура их активного элемента должна быть
не более 15—20 °C. В лазерах на АИГ и стекле с неодимом, ра-
ботающих при мощностях накачки порядка нескольких кило-
ватт, нагрев активного элемента в меньшей мере влияет на
спектрально-люминесцентные свойства излучения.
В газовых лазерах активной средой служит газ, смесь нес-
кольких газов или газа с парами металлов. По сравнению с твер-
дотельными газовые лазеры имеют более высокую оптическую
однородность активной среды. При этом расходимость луча
составляет не более 5', а следовательно, его можно сфокусиро-
вать в пятно малого диаметра.
Инверсия населенности в газовой активной среде создается не оптиче-
ской накачкой, а при прохождении через иее электрического тока.
В непрерывном режиме работы газового лазера (резка
и сварка) его активная среда возбуждается преимущественно
стационарным тлеющим разрядом, стабильность которого за-
висит от протекающего через плазму не изменяющегося во
времени тока.
В импульсном режиме работы такого лазера (удаление
участков пленки, скрайбирование подложек) активная среда
возбуждается импульсным разрядом высоковольтного источ-
ника. В этом случае инверсия населенности зависит от свойств
плазмы, а максимальная частота повторения импульсов огра-
ничивается инерционностью процессов, происходящих в ней, и
составляет единицы килогерц.
л**	99
В настоящее время преимущественно используют лазеры на
углекислом газе или азоте. Лазеры на СО2, работающие в непре-
рывном режиме, обладают значительной мощностью, высоким
КПД (10—30 %) и генерируют инфракрасное излучение с дли-
ной волны 10,6 мкм, хорошо поглощаемое неметаллами. Выход,
ная энергия лазеров на N2, работающих в импульсном режиме,
составляет 5 • 10*3 Дж, а частота повторения импульсов -
50—100 Гц. Эти лазеры имеют длину волны излучения 0,34 мкм
и используются для обработки металлических пленок и полу-
проводниковых материалов в режиме испарения.
Высокие мощности излучения газовых лазеров можно
получить лишь при значительной длине их активного элемента,
так как концентрация активных частиц в газовой среде на нес-
колько порядков ниже (1013—1016 см-3), чем в активной сре-
де твердотельных лазеров (1017— 1020 см-3).
Активный элемент излучателя газовых
лазеров (рис, 42, а) представляет собой стеклянную или квар-
цевую трубку 1, через которую прокачивается активная среда
(газовая смесь), или трубку, заполненную газовой смесью и
запаянную, с металлическими электродами 3 и 4. При работе
в непрерывном режиме лазера на СО2 с активным элементом с
продольной медленной прокачкой активной среды необходим
постоянный проток углекислого газа, что обусловлено его дис-
социацией на кислород и монооксид углерода. При этом тре-
буется большой расход газовой смеси и громоздкое вакуумное
Рис. 42. Активные элементы газовых лазеров:
а - с медленной продольной прокачкой, б, в - отпаянные с резерв-
ным баллоном и с резервным баллоном и генератором кислорода;
1 - трубка активного элемента, 2 - патрубок подачи газовой смеси,
3,4- металлические катод и анод, 5 - патрубок откачки, 6 - резерв-
ный баллон, 7- водяная рубашка, 8 - генератор восстановления актив-
ной среды
100
' оборудование. Поэтому наиболее удобны отпаянные активные
>элементы (рис. 42, б), долговечность которых исчисляется
i несколькими тысячами часов. Лазеры с такими активными эле-
; ментами используют для подгонки резисторов, а также резки
; и скрайбирования подложек.
Активный элемент излучателя газового лазера с генерато-
ром 8 восстановления активной среды показан на рис. 42, в.
I' Адсорбция стенками газоразрядной трубки кислорода, обра-
• зующегося в результате диссоциации СО2, и окисление метал-
; лических электродов изменяют мощность и стабильность из-
лучения. Периодическое включение генератора 8 восстанавли-
вает равновесие химических процессов и увеличивает срок
службы излучателя до 1500—2000 ч.
Зеркала газовых лазеров могут располагать-
ся внутри или вне активного элемента. При внутреннем распо-
ложении зеркала находятся в откачиваемом объеме и их юсти-
- ровку выполняют через вакуумные вводы. Расположение зеркал
• вне активного элемента упрощает конструкцию лазера, так
как не требуются вакуумные вводы юстировочного устройства.
Источники питания как твердотельных,
так и газовых лазеров работают на специфическую
нагрузку в виде газоразрядного промежутка. При работе лазера
в непрерывном режиме выходные характеристики источника
питания должны быть согласованы с вольт-амперной характе-
ристикой газоразрядного промежутка. Объясняется это тем, что
разряд в газовой среде будет устойчивым в том случае, когда
питание осуществляется от источника с круто падающей внеш-
ней характеристикой, наклон которой больше, чем у статиче-
ской характеристики газового разряда.
Для реализации этого условия в лазерных установках в
основном используют емкостные накопители энергии с зарядом
постоянным током, что обеспечивает высокий КПД зарядной
цепи, равномерное потребление мощности, возможность плав-
ного изменения выходного напряжения и высокую стабиль-
; ность энергии накачки.
i В схеме источника питания газового лазера, работающего
в импульсном режиме, имеется импульсный тиратрон, который,
разряжаясь на первичную обмотку импульсного трансформа-
тора, создает на его выходе высоковольтный импульс напряже-
нием в несколько десятков киловольт, ионизирующий актив-
ную среду в газоразрядной трубке. Тиратрон запускается бло-
кинг-генератором, работающим в режиме самовозбуждения с
частотой 10, 25, 50 или 100 Гц.
Импульсные лампы накачки после вспыш-
ки восстанавливают свою работоспособность при определенных
101
скоростях нарастания напряжения на их электродах. Повыше,
ние частоты вспышек может нарушить работу лампы. Для
восстановления работоспособности ламп необходим некоторый
деионизационный промежуток (2-15 мс) между окончанием
разряда и очередной подачей напряжения на электроды. Для
этого следует отключить лампу от емкостного накопителя или
задержать на время деионизации его заряд с помощью тиристор,
ного электронного коммутатора. При подаче управляющего
сигнала тиристоры замыкают накоротко выход индуктивно-
емкостного преобразователя и первичную обмотку трансформа-
тора, прекращая заряд накопителя. После снятия с управляю-
щих электродов тиристоров напряжений они закрываются и
начинается заряд емкостного накопителя, подключенного к
выходу выпрямителя, постоянным током.
Тиристорный электронный коммутатор обладает большой
скоростью отключения зарядной цепи от накопителя, так как
одновременно с подачей сигнала на управляющие электроды ти-
ристоров выход индуктивно-емкостного преобразователя мгно-
венно (5—30 мкс) замыкается накоротко тем из тиристоров,
анод которого в этот момент имеет положительный потенциал.
Рис. 43. Схемы лазерной обработки движущимся лучом
с помощью двух подвижных зеркал, перемещающихся
линейно (а) и вращающихся (б);
7 — излучатель, 2, 3 - зеркала, 4 — объектив, 5 — обра-
батываемое изделие
102
Одновременно
электронный коммутатор выполняет функции
защитного устройства при переходе индуктивно-емкостного
преобразователя в режим холостого хода.
Оптические системы лазеров всех типов
служат для визуальной наводки и передачи к месту обработки
излучения, регулирования его характеристик, а также контроля
за ходом работы. При работе лазера его луч может перемещать-
ся относительно объекта обработки или объект обработки от-
носительно луча.
Движение луча относительно объекта обработки обеспечи-
вается системой подвижных зеркал, линейно перемещающихся
по координатам X и Y (рис. 43, а). При этом по оси X вместе
с зеркалами 2 и 3 перемещается объектив 4, а по оси Y — зерка-
ло 3 и объектив 4, что создает необходимую траекторию обра-
ботки.
Для движения луча по небольшому полю изменяют угол
наклона зеркал 2 и 3 вращением их вокруг взаимно перпен-
дикулярных осей (рис. 43, б). Кроме того, лазерный луч может
двигаться по круговой траектории, для чего необходимо вра-
щать вокруг его оси оптическую систему, состоящую из зеркала
И объектива. Лазерный луч можно также отклонять от опти-
ческой оси объектива вращающимся клином.
Движение объекта обработки относительно лазерного луча
обеспечивается перемещением координатного стола лазерной
установки.
Для повышения точности обработки применяют диафрагмы,
резко уменьшающие зоны воздействия излучения. Изменяя
конфигурацию отверстия диафрагмы, можно вырезать соответ-
ствующие отверстия в обрабатываемых изделиях. Размеры и
форма получаемых с помощью лазера отверстий существенно
зависят от теплопроводности и температуры плавления обра-
батываемых материалов. Чем ниже подводимая энергия лазер-
ного излучения и короче время его воздействия, тем меньше
искажается форма создаваемых отверстий. Сменные светофильт-
ры, имеющие различные коэффициенты поглощения, а также
затворы и модуляторы позволяют регулировать параметры из-
лучения.
Плотность мощности лазерных излучений не должна пре-
вышать оптимальных значений, так как в ином случае оптиче-
ские детали лазеров могут быть повреждены. Коэффициент
поглощения излучения с длиной волны 1,06 мкм оптических
стекол невелик, поэтому плотность мощности должна быть не
более 103 Вт/см2. Для лазерного излучения с длиной волны
10,6 мкм оптические стекла непрозрачны. Поэтому в оптиче-
ских системах лазеров используют монокристаллы солей гало-
103
геноводородных кислот (хлорида натрия, бромида калия и др.),
а также германия или арсенида галлия.
Высокой стойкостью к лазерному излучению обладают
зеркальные фокусирующие системы с многослойным металли-
ческим покрытием и принудительным воздушным охлажде-
нием.
Для наблюдения за работой лазеров используют оптические
системы с увеличением от 5 до 200 раз (например, микроскопы
с независимыми системами для фокусировки и наблюдения).
Наводят излучение на обрабатываемую поверхность по отраже-
нию источника света на ней.
Работать иа лазерной установке следует в очках со светофильтрами,
поглощающими излучение, генерируемое данным лазером. Иногда исполь-
зуют затворы, ио они не позволяют наблюдать за ходом процесса обра-
ботки. Наиболее перспективны с точки зрения безопасности телевизион-
ные системы, с помощью которых можно наблюдать иа экране работу
лазерной установки.
При работе лазерной установки образуются пары, ионизи-
рованные частицы и капли обрабатываемого материала, осаж-
дающиеся на нижней линзе объектива, что приводит ее к нагре-
ву, механическим повреждениям и в конечном итоге выходу
из строя.
Для предохранения оптики лазеров от повреждений исполь-
зуют такие специальные средства защиты, как сменные защит-
ные стекла, прозрачные вращающиеся диски, непрерывно пере-
матываемую прозрачную ленту, устройства, отклоняющие за-
ряженные частицы, которые имеют определенные достоинства
и недостатки. Защитные стекла, например, дешевы, но служат
недолго, так как быстро загрязняются, что ослабляет энергию
излучения, поступающую на обрабатываемое изделие. Защита
же отклонением заряженных частиц с помощью магнитного и
электрического полей ’’очищает” лазерное излучение, способст-
вует более полному использованию световой энергии, но отно-
сительно дорога.
§22.	ЭКСИМЕРНЫЕ ЛАЗЕРЫ
И ЛАЗЕРЫ НА КРАСИТЕЛЯХ
В эксимерных лазерах, которые являются газовыми, актив-
ная среда в виде неустойчивого соединения ионов взникаст в
газовом разряде при электрической накачке. Активная среда
эксимерных лазеров может состоять из парных молекул инерт-
ных газов (димеров) или их оксидов; молекул инертных га-
зов и щелочных металлов, а также молекул инертных газов и
104
металлов II группы Периодической системы элементов Д.И. Мен-
делеева.
Эксимерные лазеры обладают достоинствами лазеров как на
N2 (высокой частотой повторения импульсов), так и на АИГ
(высокой выходной мощностью, малой длительностью импуль-
сов излучения). Однако их эксплуатация не удобна из-за необ-
ходимости контроля чистоты напускаемых газов и регулирова-
ния их расхода из большого количества баллонов (смеситель-
ного, с буферным и рабочими газами). Между тем эксимерные
лазеры являются самыми мощными источниками УФ излучения
в широком диапазоне длин волн (от 108 до 351 нм). Для воз-
буждения молекул активной среды эксимерных лазеров исполь-
зуют либо электронный луч, либо импульсный разряд (само-
стоятельный или с предварительной ионизацией активной среды
различными способами). Каждый вид возбуждения (накачки)
имеет свои достоинства и недостатки.
Электронная накачка характеризуется высокой скоростью
ввода энергии в объем с активной средой и поэтому исполь-
зуется для возбуждения разнообразных активных сред. Такую
накачку применяют при давлении газовых сред в несколько
миллионов паскалей, так как импульсный разряд в этом слу-
чае не эффективен. Лазеры на димерах и оксидах инертных га-
зов работают в основном при возбуждении молекул электрон-
ным лучом.
Предварительная ионизация активной среды необходима
для создания в ней однородного по объему импульсного разря-
да и выполняется рентгеновским излучением или электронным
лучом.
Активной средой серийных эксимерных лазеров служит
газ (неон или гелий) с небольшими добавками инертных и га-
логенсодержащих газов. Давление газовой смеси должно быть
примерно 105 Па. Для возбуждения активной среды, как прави-
ло, используют импульсный разряд. Излучение таких лазеров
лежит в УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах спектра.
Поперечный разрез разрядной камеры эксимерного лазера
показан на рис. 44. При срабатывании разрядника 1 на электро-
ды вспомогательного устройства ионизации 2 подается импульс
высоковольтного напряжения, который пробивает газ в меж-
электродном промежутке, ионизируя его. Это способствует
равномерному заполнению межэлектродного промежутка
низкотемпературной плазмой 3, которая возбуждает прокачи-
ваемую по трубопроводу 4 активную среду, в результате чего
генерируется лазерное излучение.
Лазеры на красителях работают в импульсном режиме и
могут иметь когерентную или ламповую накачку. Пригодность
105
Рис. 44. Разрядная камера
эксимерного лазера (попе-
речное сечение) :
1 - разрядник, 2 - вспо-
могательное устройство
ионизации, 3 ~ область
низкотемпературной плаз-
мы, 4 - трубопровод вхо-
да и выхода активной сре-
ды, ВН - высокое напря-
жение, С — конденсаторы
когерентного источника накачки, в качестве которого обычно
служит лазер другого типа, зависит от соответствия длины
волны его излучения полосам поглощения конкретных краси-
телей, а также уровня мощности по отношению к порогу генера-
ции. Поскольку все лазеры накачки генерируют излучения
только определенных длин волн, ни один из них при одном кра-
сителе одновременно не удовлетворяет этим двум критериям.
Поэтому лазеры на красителях, имеющие когерентную накач-
ку, характеризуются ограниченным диапазоном изменения дли-
ны волны излучения.
Для когерентной накачки лазеров на красителях использу-
ют как твердотельные, так и газовые лазеры (азотные, экси-
мерные, на АИГ или на парах меди). Наиболее широко приме-
няют лазеры на молекулярном азоте, работающие в режиме
сверхлюминесценции (рис. 45).
Обычно накачку красителя осуществляют в поперечном на-
правлении, для чего перед капиллярной цилиндрической кюве-
той 3 с активной средой — красителем — устанавливают, на-
пример, цилиндрическую линзу 2. Излучение азотного лазера
1 накачки фокусируется этой линзой 2 в плоский луч, совпа-
дающий с осью кюветы, с красителем, диаметр которой обыч-
но не превышает 1 мм'.
Рис. 45. Схема накачки
красителя азотным ла-
зером:
1 - азотный лазер, 2 -
цилиндрическая линза,
3 - кювета с краси-
телем
Задняя сторона кюветы представляет собой отражатель
(пленка алюминия или полированная нержавеющая сталь),
служащий для повышения эффективности возбуждения краси-
теля. В лазерах некоторых конструкций с тыльной стороны
полностью прозрачной кюветы устанавливают наружный отра-
жатель или соответствующую оптику для двустороннего облу-
чения.
Лазеры с ламповой накачкой имеют большой диапазон пере-
стройки, так как излучение лампы представляет собой непре-
рывный спектр широкой полосы частот. Поэтому лампой можно
возбудить (накачать) любой краситель, полоса поглощения ко-
торого лежит внутри спектрального диапазона 170—950 нм.
Ламповая накачка обеспечивает намного большую энергию и
среднюю мощность излучения лазера, чем когерентная.
Недостатки лазеров с ламповой накачкой — малая импульс-
ная мощность излучения, сравнительно быстрая деградация ге-
нерационных свойств и ограниченный выбор красителей, а
также большая стоимость и относительно малый срок службы
ламп накачки. Кроме того, недостатками ламповой накачки
являются сильные возмущения активной среды и связанная с
этим относительно большая изменяющаяся расходимость ла-
зерного луча.
Изменение расходимости лазерного луча в течение импуль-
са зависит от спектра излучения: в начале импульса она мала,
затем быстро возрастает и длительное время остается большой,
а в конце импульса может уменьшиться, если при накачке ак-
тивная среда станет более однородной. Уменьшают расходимость
луча различными способами: используют кольцевые кюветы
с расположенной внутри линейной лампой накачки; помещают
в резонатор две кюветы с передачей излучения от первой (с ро-
дамином) к второй (с крезилом); применяют отражатель зиг-
загообразной конфигурации с двумя линейными лампами
накачки.
Лазер с линейной лампой накачки 6, оптическая схема ко-
Рис. 46. Оптическая схема лазера с линейной ламповой накачкой:
1 - дифракционная решетка, 2 - интерферометр Фабри-Перо, 3,4 - лин-
зовый телескоп, 5 - кювета, б - лампа накачки, 7 - выходное зеркало,
8 - лииза, 9 — кристалл для удвоения частоты излучения
107
торого показана на рис. 46, имеет невысокую среднюю мощ.
ность (около 1 Вт) и КПД примерно 0,25 %, а также небольшие
расходимость луча и ширину линии излучения. В этом лазере
использована дифракционная решетка 1 с интерферометром 2
(Фабри-Перо). Для удвоения частоты лазерного излучении
нелинейный кристалл 9 размещен вне резонатора.
Возможности лазеров на красителях определяются коли-
чеством активных сред, которые могут в них применяться:
чем их больше, тем шире диапазон перестройки лазера. Опти-
мальные длины волн излучения накачки каждого красителя
лежат в пределах, меньших 50 нм относительно длины волны
лазерного излучения.
§23.	ЛАЗЕРНЫЕ УСТАНОВКИ
Рассмотрим некоторые лазерные установки и полуавтомат,
используемые в производстве изделий микроэлектроники.
Установки серии ЛТН (ЛТН-101, ЛТН-102А,
ЛТН-102Б, ЛТН-103 и ЛТН-401) с твердотельными лазерами
на АИГ, работающие в непрерывном режиме, имеют высокий
уровень мощности излучения и хорошие эксплуатационные ха-
рактеристики. Эти установки предназначены для сварки и пай-
ки, размерной резки, скрайбирования поликора и ситалла,
нанесения рисунков элементов на подложки из различных
материалов, диагностики различных сред, неразрушающего
контроля материалов, их деструкции, а также юстировки опти-
ческих систем и других целей.
Установка выполнена в виде трех отдельных устройств:
излучателя; блока зажигания; стойки питания и охлаждения с
индикатором выходной мощности. Для охлаждения лазеров
используется двухконтурная водяная система: по наружному
контуру подается водопроводная проточная вода, а по замкну-
тому внутреннему - дистиллированная. Для управления лазер-
ным лучом и фокусировки до диаметра 50 мкм служит комби-
нированная оптическая система, выполненная в виде отдельной
приставки и стыкуемая с лазером герметизированным свето-
проводом.
Установка ЛТН-401 оснащена лазером, излучение которого
лежит в зеленой области спектра (длина волны 0,532 мкм),
обладает большой надежностью и высоким КПД. Этот лазер
может быть использован в системах отображения информации
на большие экраны и в лазерных телевизионных установках,
имеет мощность излучения не менее 1 — 1,5 Вт при потребляе-
мой мощности не более 10 кВт; диаметр луча на выходе 4 мм
при расходимости 10'2 рад; средний ресурс работы 1000 ч.
Установки серии ’’Квант” (”Квант-15”, ”Квант-20”
108
и ”Квант-50-1”) с твердотелыми лазерами на АИГ широко ис-
' пользуются в микроэлектронике.
Установка ”Квант-15” в основном предназначена для шов-
ной и точечной сварки различных металлов, их резки и термо-
обработки (упрочнения, отжига, нормализации, закалки). Оп-
тическая система позволяет фокусировать лазерный луч в пят-
но диаметром (от 0,25 до 3,0 мм). Средняя мощность излуче-
ния лазера 100 Вт (потребляемая — 12 кВт), а частота пов-
торения импульсов от 0,1 до 20 Гц; скорости сварки, резки
и термообработки соответственно составляют до 300, 400 и
1000 мм/мин.
Установка ”Квант-20” предназначена для резки полирован-
ного стекла на заготовки методом управляемого термораска-
лывания. Стекло разделяется трещиной, развивающейся при
движении лазерного луча по заданной траектории. Возможность
регулировки мощности излучения, скорости перемещения об-
рабатываемого стекла, фокусировки лазерного луча на его по-
верхности в сочетании с контролем этих параметров фотоэлект-
рическим индикатором позволяет легко переналаживать уста-
новку на резку стекол различных марок. Средняя мощность
излучения лазера равна 63 Вт при потребляемой мощности
10 кВт, скорость резки составляет 60—360 мм/мин, а точность
разделения — от 0,2 до 1 мм.
Установка ”Квант-50-01” предназначена для пайки компо-
нентов на печатные платы, резки материалов, их сварки, а также
термоупрочнения металлов и оснащена устройством програм-
много управления и телевизионной системой для наблюдения
за обработкой. Мощность лазерного излучения регулируется
от 0 до 125 Вт. Лазерный луч можно фокусировать в пятно
круглой формы диаметром от 0,2 до 0,8 мм или прямоуголь-
ной формы 0,2 х 1 мм. В зависимости от требований техноло-
гического процесса в установку может подаваться кислород,
аргон, азот или сжатый воздух.
Полуавтомат ЭМ 220 (рис. 47), управляемый
ЭВМ, предназначен для скрайбирования полупроводниковых
подложек диаметром до 150 мм твердотельным лазером 2 на
АИГ с непрерывным возбуждением плазменно-дуговой крипто-
новой лампой. Средняя мощность лазера 16 Вт, длина волны
излучения 1,06 мкм, частота повторения импульсов в режиме
модулированной добротности 5-50 кГц. Большие значения пи-
ковой мощности в сочетании с незначительной длительностью
импульсов (примерно 250 нс) позволяют скрайбировать под-
ложки на полуавтомате с высокой скоростью.
Полуавтомат оснащен высокоскоростным (от 10 до
399 мм/с) четырехкоординатным столом (позиционером) 8,
109
3
Рис. 47. Полуавтомат лазерного скрайбирования:
1 — загрузочное устройство, 2 - лазер, 3 - телевизи-
онный датчик, 4 - видеоконтрольное устройство,
5 - блок зеркал, б — телескоп, 7 - датчик высоты,
8 - позиционер (координатный стол)
приводимым в действие линейным шаговым электродвигателем,
управляемым микропроцессорным устройством. Наличие бес-
контактного датчика высоты позволяет выполнять перефокуси-
ровку лазерного луча на программируемую глубину скрайбиро-
вания подложек.
Наладочный и рабочий процесс скрайбирования можно на-
блюдать с помощью телевизионного датчика 3 на экране, что
исключает опасность облучения оператора. Автоматическое
ПО
загрузочное устройство 1 с ориентатором служит для переноса
подложек из загрузочной кассеты на предметный стол, установ-
ки их по базовому срезу и выгрузки после скрайбирования в
приемную кассету. При этом исключается прикосновение рук
оператора к полупроводниковым подложкам.
Работа полуавтомата осуществляется по программе. После
переноса пневмотранспортом на предметный стол подложка ори-
ентируется относительно базового среза по координатам X и
Y, фиксируется вакуумным присосом и выставляется датчи-
ком высоты 7 с точностью 2,5 мкм по отношению к фокальной
плоскости оптической системы лазера. Затем подложка переме-
щается в рабочую зону под объектив лазера и попадает в поле
видимости видеоконтрольного устройства 4.
При перемещении подложки по координате X оператор с
помощью одного из двух бесконтактных манипуляторов точно
поворачивает ее на необходимый угол, совмещая дорожку разде-
ления с горизонтальной визирной линией видеоконтрольного
устройства. После скрайбирования в одном направлении по
заданной программе оператор, пользуясь вторым манипулято-
ром, совмещает дорожку разделения с вертикальной визирной
линией, после чего полуавтомат выполняет скрайбирование.
Когда скрайбирование в перпендикулярном направлении
закончено, подложка опускается в нижнее положение, расфик-
сируется и перемещается пневмотранспортом в приемную кас-
сету. После этого очередная подложка автоматически перено-
сится из подающей кассеты на предметный стол и рабочий
цикл повторяется.
Для составления программы переналадки полуавтомата
информацию о диаметре обрабатываемых подложек, размере
кристаллов, шаге скрайбирования, выбранной скорости, схеме
обхода подложек (по ’’квадрату” или ’’кругу”), количестве
повторений циклов скрайбирования, перефокусировках лазер-
ного луча и времени задержки для ориентации подложек по ба-
зовому срезу заносят в оперативное запоминающее устройство
ЭВМ.
Полуавтомат ЭМ-220 обеспечивает большую (150 мкм)
глубину реза при его незначительной ширине (40 мкм), имеет
широкий диапазон скоростей резания, автоматическую загруз-
ку — разгрузку подложек и их электронную ориентацию, а
также автоматическую фокусировку лазерного луча и надеж-
ную защиту от излучений через видеоконтрольный канал.
§ 24.	ПОДГОНКА СОПРОТИВЛЕНИЯ РЕЗИСТОРОВ ЛАЗЕРОМ
Среди известных методов подгонки сопротивления резис-
торов лазерный занимает ведущее место. При этом подгонку co-
lli
противления резисторов выполняют как под нагрузкой, так и без
нее, фокусируя лазерный луч до диаметра в несколько микро,
метров.
Обычно для подгонки применяют твердотельные лазеры на
АИГ и на COj с непрерывной накачкой и модулируемой доб-
ротностью, имеющие частоту повторения импульсов в пределах
5 — 10 кГц, что обеспечивает высокую производительность.
Каждый тип лазеров имеет свои достоинства и недостатки.
Лазеры на АИГ позволяют фокусировать световое пятно до диа-
метра 5 мкм (30 мкм — газовые) , обладают высокой разрешаю-
щей способностью и обеспечивают большую скорость и точность
подгонки сопротивления резисторов (при работе в режиме
с модулированной добротностью можно отключать лазер непо-
средственно после каждого импульса). Между тем газовые
лазеры на СО2 экономичнее и надежнее в эксплуатации.
Установка подгонки сопротивления тонкопленочных резис-
торов лазерной обработкой (рис. 48) оснащена системой авто-
матического управления 2 координатным столом 12. Предва-
рительно координатный стол 12 выводят на заданную позицию
воздействия лазерного луча на резистор 11, а затем включают
лазер 5. Дальнейшее перемещение координатного стола проис-
ходит по сигналам, поступающим с блока 1 контроля сопротив-
ления резистора. При получении заданного сопротивления
подгонка прекращается и лазер отключается.
При подгонке сопротивления в тонкопленочных резисторах
Т
Рис. 48. Установка подгонки сопротивления тонко-
пленочных резисторов лазерной обработкой:
1,4- блоки контроля и охлаждения, 2 - система
автоматического управления блоком охлаждения и
источником питания, 3 - пульт управления, 5 - ла-
зер, 6 - активный элемент, 7 - лампа возбуждения,
8 - источник питания, 9 - устройство управления
координатным столом, 10 - система наблюдения,
11 - тонкопленочный резистор, 72 - координатный
стол
112
1
Рис. 49. Структуры пленочных резисторов с дугообразным (а),
поперечно-продольным (б) и с полукруглым (в) резами:
1 - контактные площадки, 2 - резистивная пленка, 3,4, 5 - резы,
6, 7 - участки точной и грубой подгонки, 8 - подложка
выполняют дугообразные, поперечно-продольные и полукруг-
лые резы (рис. 49, а - в) . Скорость подгонки (испарения резис-
тивного материала) зависит от мощности лазера, частоты повто-
рения импульсов, диаметра и линейной скорости перемещения
луча. Обычно при подгонке сопротивления резисторов регули-
руют один или два параметра лазера.
Сопротивление резисторов существенно зависит от формы
лазерного реза. Так, при выполнении дугообразного реза 3
(рис. 49, а) грубую подгонку сопротивления определяет длина
его поперечной части, а окончательную — продольной. Для сох-
ранения стабильности сопротивления тонкопленочных резисто-
ров и их устойчивости к перегрузкам, которые могут появлять-
ся вследствие возрастания плотности тока, выполняют два
реза (рис. 49, б): продольный5 вдоль резистивной пленки 2
и поперек 4 образовавшейся полоски. В тонкопленочных резис-
торах некоторых типов специально создают зоны с большей
и меньшей плотностью тока, соответственно удаляя участки при
грубой 7 и точной 6 подгонке сопротивления (рис. 49, в).
Для обеспечения максимальной стабильности сопротивлений тонко-
пленочных резисторов одновременно учитывают их конструкцию, пара-
метры лазерного луча и конфигурацию реза.
Желательно, чтобы лазер генерировал импульсы высокой
мощности при малой длительности. В этом случае происходит
быстрое испарение резистивного материала при минимальном
его нагреве за границами реза, что также способствует стабиль-
ности сопротивления. После термической обработки структура
резистивной пленки, ее удельное сопротивление и ТКС стано-
вятся почти такими же, как у исходного материала.
Тепловые свойства лазерного луча можно использовать для
подгонки сопротивления резисторов частичным оплавлением
резистивного материала. В результате его структура и удельное
из
сопротивление мало отличаются от структуры компактного
(массивного) металла.
Чтобы исключить при подгонке значительное изменение
сопротивления резисторов, необходимо, чтобы плотность энер-
гии лазера была около 100 Дж/см2 и обрабатываемый материал
нагревался до 1000 °C. Так как длительность импульса при ла-
зерной подгонке обычно составляет менее 150 мкс, химические
процессы, зависящие от времени и температуры, не успеют
активизироваться, а термические, обусловленные главным об-
разом температурой, усиливаются.
Для усиления теплового эффекта необходимо увеличить
поглощение энергии лазерного луча поверхностью резистив-
ной пленки. Для этого ее покрывают лаком с добавлением пиг-
мента (например, на основе сульфата бария). Подгонять сопро-
тивление тонкопленочных резисторов этим методом можно
через обратную сторону прозрачной для лазерного излучения
полированной подложки. Это предотвращает осаждение испаряе-
мого материала вблизи обрабатываемой резистивной пленки.
При резком нагреве или охлаждении в резистивных пленках
и на поверхности подложек образуются трещины. Поэтому
подложки необходимо предварительно нагревать до 50 °C,
а после обработки медленно охлаждать.
Лазерное излучение может быть направлено на подложки с
помощью волоконного световода. Причем диаметр воздей-
ствующего луча можно регулировать, изменяя перемещение
подложек вдоль его оптической оси.
Грубую и тонкую подгонку сопротивления тонкопленочных
резисторов можно выполнять почти одновременно. Для этого
лазерный луч, направляя на полупрозрачное зеркало, разделя-
ют на два луча, которые, пройдя систему отражающих зеркал,
поступают на отражатель и фокусируются на двух участках ре-
зистора. Сначала резистор перемещают перпендикулярно на-
правлению проходящего через него тока и одновременно вы-
полняют два одинаковых реза для грубой подгонки сопротив-
ления. Затем на пути одного луча ставят заслонку и, перемещая
резистор параллельно направлению прохождению тока, вторым
лучом выполняют тонкую подгонку, которую прекращают
при получении заданного сопротивления.
Достоинствами лазерной подгонки сопротивления тонкопленочных
резисторов являются: возможность обработки через прозрачное гермети-
зирующее покрытие; удаление части резистивной пленки из любого мате-
риала; высокие скорость и точность (до 0,01 %); малая ширина (до 10
мкм) и высокая чистота реза; отсутствие нагрева и повреждений близ-
лежащих элементов ИМС.
114
§ 25.	РАЗДЕЛЕНИЕ И СВАРКА МАТЕРИАЛОВ ЛАЗЕРОМ
Разделение материалов выполняют расплав-
лением его части лазером или созданием термонапряжений
с последующим раскалыванием (термораскалывание). Пер-
вый метод используют для резки различных металлов и некото-
ры диэлектриков, а второй - для разделения таких хрупких
материалов, как стекло, керамика, полупроводники.
В установке лазерного разделения материалов расплавле-
нием (рис. 50) лазерный луч 2, отражаясь от зеркала 1, фокуси-
руется оптической системой на обрабатываемой поверхности 6.
Через сопло 7, расположенное соосно лучу, в зону нагрева и
расплавления подается струя кислорода. При резке неметаллов,
содержащих углерод, кислород подавать не следует, так как
его присутствие отрицательно сказывается на качестве обра-
ботки. В этом случае применяют инертные газы или воздух.
Газовая струя одновременно служит для удаления из зоны
обработки продуктов разрушения и увеличения глубины реза.
При мощности лазеров до 1 кВт скорость резания может
составлять несколько сантиметров в секунду. Лазером можно
резать такие труднообрабатываемые материалы, как асбест
и оксид бериллия.
Лазерную резку целесообразно использовать для раскроя
листовых металлов, так как при этом получают высокую точ-
ность обработки, минимальную ширину реза, равную диаметру
фокального пятна, и незначительное термическое изменение
Рис. 50. Установка лазерного разделения материалов:
1 - зеркало, 2 - луч лазера, 3 - основание излучателя, 4 - излу-
чатель с медленной продольной прокачкой, 5 - диафрагма, 6 -
обрабатываемая поверхность, 7 - сопло, 8 - фокусирующая линза
115
структуры материала благодаря его интенсивному охлаждению
струей газа. При этом скорость резания довольно высока. Так,
при резке лазером на СО2 мощностью 850 Вт малоуглеродистой
стали толщиной 2,2 мм, нержавеющей стали толщиной 9 мм и
титана толщиной 0,5 мм в струе кислорода скорость соответ-
ственно составляет 1,8; 0,36; 3,24 м/мин.
Термораскалывание, применяемое, как правило, для раз-
деления на части стеклянных капилляров и стеклянных трубок,
основано на низкой теплопроводности стекла, в котором при
локальном нагреве лазерным лучом образуются термические
напряжения. Стекло непрозрачно для лазерного излучения, вся
энергия которого выделяется в его тонком слое, равном длине
волны. Поверхностные (нагретые) слои стекла стремятся рас-
шириться, а внутренние (холодные) препятствуют этому и со-
ответственно возникают напряжения сжатия и растяжения.
Стекло, как известно, плохо работает на растяжение, поэтому
образующиеся на внутренней поверхности трещины раскалы-
вают его.
Для резки стеклянных трубок применяют лазеры на СО2.
При одиночном воздействии лазерного излучения стеклянную
трубку разделить довольно трудно, поэтому дополнительно ока-
зывают механическое или термическое (охлаждение) воздей-
ствие. Такое воздействие не обеспечивает высокой точности
разделения стеклянных капилляров и трубок.
Для получения хорошей поверхности реза луч лазера наст-
раивают так, чтобы он создавал нагрев в виде не одного, а двух
колец. При этом на стеклянной трубке образуются две напря-
женные кольцевые линии и тер мора скалывание происходит меж-
ду ними. Чтобы поверхность реза не имела сколов и выкраши-
ваний, диаметр луча лазера должен быть равен толщине стенки
трубки.
Лазерное разделение материалов может быть автомати-
зировано.
При лазерной сварке, довольно широко приме-
няемой в микроэлектронике при изготовлении корпусов, ис-
пользуют лазеры, работающие в непрерывном режиме. Лазер-
ная сварка основана на интенсивном нагреве соединяемых де-
талей в результате концентрации большой мощности (до 107 —
108 Вт/см2) лазерного излучения. Это позволяет сваривать де-
тали из материалов, обладающих высокими теплопроводностью
(медь, серебро) и температурой плавления (вольфрам, тантал,
молибден).
Возможность получения импульсов длительностью 10“4- 10~2 с
при высокой концентрации энергии в световом пятне диаметром до не-
116 .
скольких микрометров является достоинством лазерной сварки деталей
толщиной 10—50 мкм без перегрева, что особенно важно в производстве
полупроводниковых приборов и ИМС.
В процессе сварки вначале лазерным лучом нагревается по-
верхность обрабатываемых деталей и передача теплоты в их
глубину происходит в основном теплопроводностью (рис. 51,
а — г). При этом зона проплавления имеет форму, близкую к
сферической. По мере прогрева зоны сварки металл начинает
интенсивно испаряться, поверхность сварочной ванны прогре-
вается и участок, непосредственно воспринимающий энергию
излучения, опускается (рис. 51, <)).
Увеличению глубины проплавления при интенсивном испа-
рении металла с поверхности сварочной ванны способствует
перемешивание его верхних (нагретых) и нижних (более холод-
ных) расплавленных слоев. В результате прогиба сварочной ван-
ны глубина проплавления увеличивается. При застывании ме-
талла зона проплавления становится конической без прогиба
(рис. 51, е).
При дальнейшем действии лазерного излучения по центру
светового пятна в сварочной ванне образуется узкое глубокое
отверстие, из которого металл частично испаряется, а частично
Рис. 51. Развитие процессов плавления материала при лазерной
сварке:
а - г - проплавление свариваемых деталей, д - опускание
сварочной ванны, е, з - застывшие сварочные ванны без про-
гиба и с прогибом, ж - временные узкое и глубокое отверс-
тия; 1 - лазерное излучение, 2 - расплавленный металл, 3 -
свариваемые детали, 4 - застывшая сварочная ванна, 5 -
объем заглубления расплавленного металла, 6 - временное
отверстие, образующееся при испарении металла
117
вытесняется к периферии ванны (рис. 51, ж). После окончания
действия лазерного излучения отверстие в сварочной ванне
заполняется расплавленным металлом из периферийной зоны.
Окончательно застывая, сварочная ванна становится кониче-
ской с прогибом (рис. 51, з).
Основным достоинством лазерной сварки является воз-
можность передачи энергии свариваемым деталям без механи-
ческого контакта через любую среду, пропускающую свет.
Это позволяет выполнять сварку в труднодоступных местах,
что невозможно при других методах (рис. 52, а, б), а также
внутри замкнутых объемов с прозрачными для лазерного излу-
чения окнами 3 (рис. 52, в) или через тыльную сторону полу-
проводниковой подложки (рис. 52, г). Лазером можно также
выполнять термокомпрессионную сварку выводов 5 q метал-
лизированными контактными площадками кристаллов б при
сборке полупроводниковых приборов и ИМС (рис. 52, д). При
этом давление и лазерное излучение 2 передается инструментом
4 из сапфира.
Рис. 52. Лазерная сварка в труднодоступных местах:
а, б - через отверстия малых диаметров, в - через прозрачное для
лазерного излучения окно, г - через тыльную сторону полупроводни-
ковой подложки, д - с помощью инструмента из сапфира; 1 - свари-
ваемые детали, 2 - лазерное излучение, 3 - прозрачное окно, 4 -
инструмент из сапфира, 5 - вывод, 6 - контактная площадка крис-
талла
§ 26.	ЛАЗЕРНО-СТИМУЛИРОВАННОЕ ТРАВЛЕНИЕ
Интенсивно внедряемое в технологию изготовления изде-
лий микроэлектроники плазменное химическое травление
полностью не удовлетворяет производство, так как скорость
обработки не высока. Для стимулирования (интенсифика-
ции) химического взаимодействия на границе раздела фаз
(газ — твердое тело или жидкость — твердое тело) используют
лазерное излучение, энергия фотонов которого составляет от
0,1 эВ в инфракрасной и до 6 эВ в ультрафиолетовой областях
спектра.
Возможность фокусирования луча лазера в пятно малых раз-
меров (менее 1 мкм) с высокой плотностью энергии на едини-
цу площади способствует протеканию локальных процессов
при травлении. Так, перемещением по обрабатываемой поверх-
ности лазерного луча или поверхности относительно его нано-
сят рисунки элементов с высокой разрешающей способностью,
не используя маски. Кроме того, лазерно-стимулированное трав-
ление может быть проекционным с применением эталонных
фотошаблонов.
Лазерно-стимулированное плазменное травление бывает
химическим газофазным и жидкофазным, а также прямым.
При лазерно-стимулированном плазмен-
ном газофазном химическом травлении
увеличивается скорость протекания диссоциативной и недис-
социативной хемосорбции. Ускорение диссоциативной хемо-
сорбции связано с резонансным возбуждением молекул газовой
фазы и нагревом поверхности. Хемосорбция простых газов
(хлор, фтор) обычно сопровождается диссоциацией молекул.
При недиссоциативной хемосорбции лазерное излучение воз-
буждает адсорбированные молекулы, вызывая их разложение
и образование радикалов или обратную десорбцию в газ.
Обладая высокой химической активностью, радикалы
быстро вступают в реакцию взаимодействия с атомами обра-
батываемой поверхности. При этом поверхностная реакция
стимулируется электронным и фононным возбуждением крис-
таллической решетки материала. При температуре 25 °C неле-
тучие продукты реакции под воздействием лазерного излучения
нагреваются, превращаются в газ и удаляются из зоны обра-
ботки.
Известно, что большинство твердых тел непрозрачно для
лазерного излучения в ИК, видимой и УФ областях спектра.
Так, кремний слабо поглощает лазерное излучение в области
спектра с длиной волны 1 — 12 мкм, лучше — при длине волны
1 мкм и максимально — при длине волны 0,265 мкм. Диоксид
119
кремния прозрачен для лазерного излучения с длиной волны от
0,2 до 2,5 мкм, но хорошо его поглощает при длине волны
10 мкм. Почти все металлы непрозрачны для лазерного излуче-
ния в УФ и ИК областях спектра.
При интенсивном фотонном потоке электронная структура
материалов изменяется так, что увеличивается их способность
к поглощению лазерного излучения, при воздействии которого
усиливается нагрев обрабатываемой поверхности, увеличива-
ется испарение продуктов реакции и повышается скорость
травления. Ускорение травления при лазерном облучении подло-
жек из арсенида галлия и фосфида индия связано с фотогенера-
цией неосновных носителей зарядов на их поверхности.
При стимулировании лазерным излучением скорость плаз-
менного травления значительно увеличивается, причем при
уменьшении мощности электрического разряда снижаются
радиационные повреждения обрабатываемого слоя.
Механизм стимулирования травления состоит в образовании актив-
ных частиц газа при возбуждении и диссоциации его молекул под дейст-
вием лазерного облучения и электрического разряда. Адсорбируясь на
обрабатываемой поверхности, активные частицы газа вступают в хими-
ческую реакцию с ее атомами, вызывая термо- и фотоэффекты, способ-
ствующие ускорению травления.
При л а з е р н о - с т и м у л и р о в а н н о м плаз-
менном жидкофазном химическом трав-
лении лазерное излучение непосредственно воздействует на
обрабатываемую поверхность, так как травитель прозрачен для
него. При этом на границе раздела твердое тело — жидкость
происходят фотогенерация носителей заряда, повышение темпе-
ратуры и локальное перемешивание травителя. Жидкие трави-
тели по сравнению с газовыми более теплопроводны, а следо-
вательно, эффективнее охлажают обрабатываемую поверхность.
При этом металлические пленки травятся быстрее, чем диэлект-
рические и полупроводниковые, так как одновременно проис-
ходят электролитические процессы.
Прямым лазерным травлением или испа-
рением в производстве ИМС обрабатывают полимерные и
металлические пленки при изготовлении масок, хотя оно и не
позволяет получать профили без закруглений и ровных краев
элементов.
При обработке органических материалов 95 % излучения с
длиной волны меньше 200 нм (УФ) поглощается в тонком по-
верхностном слое, что вызывает разрыв химических связей
между атомами. В результате образуются молекулы, испаряю-
щиеся при относительно низких температурах и уносящие с
120
собой излишек энергии, передаваемой лазерным импульсом.
Поэтому оставшийся материал не нагревается.
Как известно, под воздействием рентгеновских и элект-
ронных лучей изменяется только растворимость резистов. При
этом для формирования рисунков элементов требуется жид-
костное проявление, при котором в зависимости от типа исполь-
зованного резиста удаляются экспонированные или неэкспони-
рованные участки.
При обработке резиста лазерным лучом химические раст-
ворители не нужны. Так как используемая в качестве резиста
нитроцеллюлоза обладает свойством самопроявления, для ее
экспонирования и одновременного проявления используют
импульсный аргоно-фторовый лазер, излучение которого имеет
длину волны 193 нм. В отличие от химическою проявления
резистов, эффективность которого зависит от общего количест-
ва поглощенной энергии, лазерное проявление нитроцеллюлозы
ограничено энергетическим порогом более 20 мДж/см2.
Прямое лазерное травление металлических пленок основано
на поглощении излучения, в результате чего они нагреваются,
расплавляются и испаряются. Так как при лазерной обработке
металлических пленок большая часть энергии поглощается в их
приповерхностном слое толщиной 10"5 — 10"4 см, интерес
представляет формирование элементов лишь в тонких металли-
ческих слоях. При этом наиболее пригодны эксимерные лазеры,
имеющие излучение с малыми длиной волны и длительностью
импульса. Эго снижает теплопередачу, исключает возможность
повреждения подложек и позволяет получить высокую разре-
шающую способность. Для эффективного нагрева металличе-
ских пленок и снижения в несколько раз уровня мощности ла-
зерного излучения, необходимого для их испарения, на пленки
предварительно наносят специальные антиотражающие по-
крытия.
Установка формирования рисунков элементов ИМС прямым
лазерным травлением (рис. 53) содержит лазер 1, фокусирую-
щую оптику и держатель Подложек. Для создания рисунка эле-
ментов ИМС лазерный луч 6 или подложка 7 перемещается
в двух взаимно перпендикулярных направлениях под управле-
нием миниЭВМ 13.
Продукты испарения, которые могут осаждаться и конден-
сироваться на лазерной оптике, удаляются специальным устрой-
ством (рис. 54). При этом в зону обработки вводится актив-
ный газ. Если испаряемый материал не образует летучих соеди-
нений, на обрабатываемую поверхность наносят небольшое ко-
личество жидкости, прозрачной для лазерного излучения и свя-
зывающей продукты обработки.
121
Рис. 53. Установка
формирования рисун-
ков элементов ИМС
прямым лазерным
травлением:
1 - лазер, 2 - моду-
лятор, 3, 4 — цифро-
вой и электрооптиче-
ский дефлекторы, 5 -
проекционная линза,
6 - луч лазера, 7 -
подложка, 8 - коор-
динатный стол, 9,
11 - электродвигате-
ли, 10, 12 - датчики
контроля положения,
13 — миниЭВМ
Рис. 54. Устройство для удаления частиц, испаряющихся при
лазерной обработке:
1 - лазер, 2 - луч лазера, 3 - проекционная линза, 4 - сис-
тема откачки, 5 - камера, 6 - трубопровод подачи актив-
ного газа, 7 - рез, 8 подложка, 9 - координатный стол
Лазерно-стимулированное травление обладает рядом достоинств,
основными являются: возможность создания одноэтапным безмасочным
травлением рисунком элементов ИМС в пленках н на поверхности под*
ложек; большая разрешающая способность при нспользонании источ-
ником УФ излучения; высокие селективность и направленность, обуслов-
ленные значительным различием скоростей травления обработанных и
необработанных лучом лазера участков; универсальность; совместимость
с основными технологическими процессами пронзнодства ИМС; воз-
можность автоматизации.
Недостаток лазерно-стнмулиронанного травления - низкая произ-
водительность.
§ 27.	ГЕРМЕТИЗАЦИЯ КОРПУСОВ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКОЙ
Такие широко распространенные методы герметизации кор-
пусов, как контурная контактная электросварка и пайка, непри-
годны для герметизации корпусов гибридных, а также некото-
рых пленочных и полупроводниковых ИМС из-за значительной
длины их контура (отсутствие специального оборудования),
невозможности соединения пар металлов титан — титан, ковар —
титан и специфических особенностей конструкции (невозмож-
ность приложения значительных нагрузок, недопустимость пе-
регрева элементов).
Для герметизации этих корпусов применяют лазерную
сварку. Лазерной сваркой герметизируют также корпуса мало-
мощных диодов и транзисторов.
Достоннстнамн лазерной сварки являются: нозможность соеди-
нении деталей из разнородных, разнотолщинных, тугоплавких (ноль-
фрам, молибден), а также обладающих большой теплопронодностью
(медь, серебро) металлон; слабый нагрев близко расположенных к
месту сварки участков; отсутствие деформации соединяемых деталей.
Недостатки лазерной сварки - незначительная глубина проплавле-
ния соединяемых металлов при средних мощностях излучения, ныплес-
кн испаряемого металла при использовании мощных (выше 8 кВт)
лазерон н необходимость удаления образующихся ядовитых газов и ио-
низированных парой свариваемых металлон. Кроме того, при снарке
металлов, обладающих высокими коэффициентами отражения, проис-
ходят значительные потери энергии лазера.
При воздействии на поверхность свариваемых металлов
лазерного излучения некоторая часть его отражается. Коэф-
фициент отражения всех металлов с увеличением длины волны
лазерного излучения увеличивается. Так, для лазерного излуче-
ния с длиной волны 0,7; 1,06 и 10,6 мкм коэффициент отраже-
ния никеля соответственно равен 0,68, 0,75 и 0,95. Поглощаю-
123
щая способность металлов также не постоянна и при повыше-
нии температуры увеличивается.
Для уменьшения отражательной способности мест сварки
увеличивают их шероховатость, покрывая пленками, имеющими
низкий коэффициент отражения, или подбирая оптимальные
формы и размеры соединяемых кромок. Кроме того, для сни-
жения отражательной способности выполняют резанием, от-
бортовкой или штамповкой металлических деталей специальные
светоловушки — треугольные щели. Для уменьшения потерь
лазерного излучения при сварке металлов, обладающих боль-
шой теплопроводностью, сварочные кромки делают до 0,5 мм.
Режим лазерной сварки в зависимости от свойств, толидины
и формы сварочных кромок, состояния поверхностей и других
параметров каждой пары свариваемых металлов подбирают
опытным путем. Прочность сварного соединения определяется
затраченной на нагрев энергией, временем действия лазерного
излучения и диаметром светового пятна, сфокусированного на
поверхности соединяемых деталей, независимо от особенностей
материалов, из которых они изготовлены.
Скорость сварки зависит от мощности применяемого лазера.
Что же касается прочности сварного соединения, то при увели-
чении энергии лазера она сначала растет (увеличивается сечение
литой зоны - глубина и диаметр), а затем уменьшается, так как
происходит интенсивное испарение металла, при котором пло-
щадь сечения литой зоны становится меньше, а следовательно,
снижается и прочность.
Увеличение длительности сварочного импульса способству-
ет более полному удалению нерастворенных газов и снижает
пористость сварного шва. Диаметр сфокусированного светового
пятна должен быть оптимальным, так как им определяется пло-
щадь сечения литой зоны шва.
Среди отечественного лазерного оборудования, применяе-
мого для герметизации корпусов, заслуживают внимания уста-
новка ”Квант-17”, оснащенная твердотельным лазером на АИГ,
что обусловлено высокой частотой повторения импульсов, корот-
коволновым излучением и хорошей разрешающей способностью.
Двухлучевая установка ”Квант-17” (рис. 55)
предназначена для одновременной герметизации сваркой двух
сторон корпусов ИМС, имеющих размеры от 10 до 40 мм. Для
этого установка оснащена лазером с двумя активными элемен-
тами 7, которые расположены соосно и помещены в отдельные
камеры с импульсными лампами накачки 6. Лампы подключены
к общему источнику питания 8 последовательно, чтобы обес-
печивалось одинаковое излучение. Резонатор состоит из двух
сферических зеркал 5. Лазерные лучи направляются с двух
124
Рис. 55. Схема полуавтоматической двухлучевой лазерной уста-
новки ”Квант-17” для герметизации корпусов микросхем:
1 — кассета, 2 - корпус, 3 - объектив, 4 — призма полного отраже-
ния, 5 — сферическое зеркало, 6 - лампа накачки, 7 - активный
элемент, 8 - источник питания
сторон на сварочные кромки корпуса и фокусируются на них.
Установка ”Квант-17” имеет многоместную кассету 1 для
укладки корпусов герметизируемых микросхем 2, которая
автоматически с заданной скоростью перемещается и повора-
чивается на 90° для герметизации двух других сторон корпусов.
При размерах сторон прямоугольных корпусов микросхем
28,5x38,5 мм производительность установки составляет 120 кор-
пусов в час.
§ 28.	ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА ПРИ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ
ОПЕРАЦИЯХ
Термическая лазерная обработка инст-
румента (закалка и отжиг), используемого при изготовле-
нии корпусов полупроводниковых приборов и ИМС, повышаю-
щая его твердость и износостойкость, стала возможной только
после создания лазеров, с высокой интенсивностью излучения.
Так, излучение лазера на СО2 может быть сконцентрировано
в луч, имеющий плотность мощности до 109 Вт/см2, что позво-
ляет нагревать инструмент из различных сталей и других материа-
лов со скоростью 106 °C/с. Лазерным излучением упрочняют
алюминиевые и титановые сплавы, стальной рабочий инструмент
штампов, режущий инструмент и зубья шестерен. При этом не
требуется специальное охлаждение и обрабатываемые изделия
не деформируются. Скорость нагрева инструмента при терми-
ческой лазерной закалке равна 103 — 10s ° С/с.
125
Лазерной обработкой можно локально закаливать и отжи-
гать любые участки изделий, в том числе и внутренние полости
малых размеров, направляя в них с помощью зеркал лазерный
луч. Лазерной термообработкой, сплавляя несколько материа-
лов, можно получить новый.
Лазерный отжиг, который может быть как локальным, так
и полным, ликвидирует дислокации, изменяет кристаллическую
структуру и снимает напряжения в обрабатываемом материале.
Лазерное излучение используют для выращивания кристал-
лов сапфира, а также волокон карбида титана и оксида иттрия,
которые из-за высокой температуры плавления этих материа-
лов другими способами получить нельзя.
Маркировку и гравирование надписей
выполняют на изделиях из различных материалов на специаль-
ной установке, оснащенной лазером на АИГ, имеющим выход-
ную мощность до 100 Вт. В запоминающее устройство миниЭВМ
установки заложены программы нанесения надписей, которое
выполняется за несколько секунд.
При производстве ИМС на поточных автоматизированных
линиях подложки маркируют в двоичном коде, что позволяет
считывать надписи микроЭВМ.
Так выполняют маркировку методом перфорирования.
При проекционном методе нанесения маркировки исполь-
зуют лазер на рубине, работающий в импульсном режиме с час-
тотой следования импульсов 1 Гц и их энергией 20 Дж. Про-
екционная система формирования символов маркировки состо-
ит из телескопа с матовым стеклом, фокусирующего объектива
и маски в виде диска из молибденовой фольги с прорезями в
форме цифр и букв. По сигналу микроЭВМ диск, поворачива-
ясь, устанавливается нужным символом, изображение которого
лазерным лучом через фокусирующий объектив передается на
маркируемую поверхность.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.	Каковы принцип действия и устройство лазера?
2.	Какие типы лазеров вы зиаете и каковы их особенности?
3.	Из каких элементов состоит излучатель лазера?
4.	Какие правила техники безопасности следует соблюдать при экс-
плуатации лазеров?
5.	Как подгоняют сопротивление резисторов лазерным лучом?
6.	Какие способы разделения материалов лазерным лучом вы знаете?
7.	Каков механизм лазерно-стимулированного плазмохимического
травления?
8.	Как герметизируют корпуса лазерным излучением?
9.	Каковы особенности лазерной термической обработки?
10.	Как наносят маркировку с помощью лазерного луча?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Уважаемый читатель! Прочитав эту книгу, вы ознакомились
с основными технологическими процессами электронно-ионной
(элионной) обработки и представляете теперь, каков механизм
взаимодействия частиц и излучений с твердым телом.
Квалифицированный рабочий, занятый производством полу-
проводниковых приборов и интегральных микросхем, должен
хорошо знать физико-химические свойства используемых ма-
териалов, представлять, как протекают технологические процес-
сы, правильно обслуживать оборудование, отлично владеть сво-
ей основной профессией и хорошо — профессией смежников.
Производство изделий микроэлектроники постоянно разви-
вается и работать в нем может лишь тот, кто повышает свой тех-
нический уровень и совершенствует производственные навыки.
Только при этом условии можно плодотворно трудиться, при-
нося пользу обществу и получая удовлетворение от хорошо
выполненной работы.
В добрый путь!
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Грищенко А. Ф. Ионное легирование в микроэлектронике. М.,
1985.
Дью л и У. Лазерная технология и анализ материалов: Пер. с англ.
М„ 1986.
Ивановский Г. Ф., Петров В. И. Ионно-плазменная обра-
ботка материалов. М., 1986.
Лабунов В. А., ДаииловичН. И. Современные системы
ионной имплантации. - М.: ЦНИИ ’’Электроника”, 1982.
Моряков О. С. Устройство и наладка оборудования полупровод-
никового производства. М., 1989.
Плазменная технология в производстве СБИС: Пер. с англ, с
сокращ. / Под ред. Н. Айнспрука, Д. Брауна. М., 1987.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ..................................................
Глава первая. Особенности элиоиной обработки..............
§ 1.	Основные методы элиоиной обработки...............
§ 2.	Плазма и се свойства . . . .....................
Глава вторая. Плазмохимическое травление и осаждение . . .
§ 3.	Основные сведения................................
§ 4.	Плазмохимическое удаление фоторезиста............
§ 5.	Оборудование для плазмохимического удаления фото-
резиста ..............................................
§ 6.	Плазмохимическое травление и осаждение металлов,
их силицидов, нитрида и диоксида кремния..............
§ 7.	Реакторы установок плазмохимической обработки . . . .
Глава третья. Ионное ианесение пленок......................
§ 8.	Ионно-лучевое и ионно-термическое ианесение пленок
§ 9.	Нанесение пленок ионным распылением..............
§ 10.	Нанесение пленок магнетронным распылением.......
§ 11.	Оборудование для нанесения пленок магнетронным
распылением...........................................
Глава четвертая. Ионное внедрение..........................
§ 12.	Основные сведения об ионном внедрении...........
§ 13.	Основные сведения об оборудовании для ионного
внедрения ............................................
§ 14.	Установки ионного внедрения.....................
Глава пятая. Ионная и электронная обработка................
§ 15.	Литография......................................
§' 16	. Подгонка номиналов резисторов и конденсаторов ИМС .
§ 17.	Герметизация корпусов электронно-лучевой и микро-
плазменной сваркой....................................
Глава шестая. Молекулярио-лучевая эпитаксия................
§ 18.	Основные сведения...............................
§ 19.	Установки молекулярно-лучевой эпитаксии.........
Глава седьмая. Лазерная обработка..........................
§ 20.	Основные сведения...............................
§21.	Твердотельные и газовые лазеры..................
§22.	Эксимерные лазеры и лазеры на красителях........
§ 23.	Лазерные установки..............................
§24.	Подгонка сопротивления резисторов лазером.......
§25.	Разделение и сварка материалов лазером..........
§ 26.	Лазерно-стимулированное травление...............
§27.	Герметизация корпусов лазерной сваркой..........
§ 28.	Лазерная обработка при вспомогательных операциях . .
Заключение ................................................
Рекомендуемая литература...................................
3
5
5
7
И
И
17
19
24
26
30
30
34
38
41
52
52
53
64
71
71
75
77
82
82
85
92
92
96
104
108
111
115
119
123
125
127
127