Διεργασίες πλάσματος PDF

Διεργασίες πλάσματος Εγχάραξη με πλάσμα Κόκκορης Γιώργος, [email protected], 2107723218 Διεργασίες πλάσματος 1 Διεργασίες κατασκευής στη μικροηλεκτρονική ▪ Λιθογραφία (lithography) ▪ Εγχάραξη ▪ Ξηρή (plasma or dry etching) ▪ Υγρή (wet etch...

Διεργασίες πλάσματος Εγχάραξη με πλάσμα Κόκκορης Γιώργος, [email protected], 2107723218 Διεργασίες πλάσματος 1 Διεργασίες κατασκευής στη μικροηλεκτρονική ▪ Λιθογραφία (lithography) ▪ Εγχάραξη ▪ Ξηρή (plasma or dry etching) ▪ Υγρή (wet etching) ▪ Απόθεση ▪ Φυσική απόθεση από ατμό (Physical vapor deposition, PVD) ▪ Χημική απόθεση από ατμό, Chemical vapor deposition (CVD, APCVD, LPCVD, PECVD) ▪ Εμφύτευση, Οξείδωση,... Διεργασίες πλάσματος 2 Δομές μικροηλεκτρονικής ▪ Παραδείγματα 500 nm 10μm αυλάκι Si, MOS transistor, Si, SiO2, οπή SiO2, οπή πυκνωτής poly-Si, TiSi2,.. επαφής μεταξύ διαφορετικών επιπέδων ενός ΟΚ ▪ Δομικά υλικά: Si, SiO2, πολυμερή (photoresists), Si3N4, Al, Cu, Ti, … Διεργασίες πλάσματος 3 Από τη μικροηλεκτρονική στη μικρο- και νανοτεχνολογία ▪ Διάχυση τεχνολογίας μικροηλεκτρονικής σε διαστημική, αυτοκινητοβιομηχανία, βιοχημεία, ιατρική,... ▪ Μικρο-ηλεκτρο-μηχανικά συστήματα (MEMS) ή μικροσυστήματα (MST) Σύστημα που συνδυάζει μικροσκοπικά στοιχεία ανίχνευσης, επεξεργασίας ή/και ενεργοποίησης κατασκευασμένα σε υπόστρωμα Si με τεχνικές αντίστοιχες αυτών που εφαρμόζονται στην κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Διεργασίες πλάσματος 4 Από τη μικροηλεκτρονική στη μικρο- και νανοτεχνολογία ▪ Εικόνες SEM από μικροσυστήματα 100 μm 50 μm μικροελατήριο μικροανεμιστήρας 200μm 150 μm μικρομεμβράνη τμήμα αισθητήρα γλυκόζης στο αίμα Διεργασίες πλάσματος 5 Εγχάραξη - χρήσεις ▪ Κατασκευή δομών – μεταφορά σχήματος Απόθεση και σχηματοποίηση διαδοχικών επίπεδων στρωμάτων ▪ Τροποποίηση επιφανειών ▪ Επιφάνεια PDMS μετά από εγχάραξη σε πλάσμα SF6 Διεργασίες πλάσματος 6 Κατασκευή δομών στη μικρο- και νανο-κλίμακα ▪ Μεταφορά σχήματος με λιθογραφία και εγχάραξη (top-down approach) Επίστρωση φωτοευαίσθητου πολυμερούς στο φιλμ SiO2 Έκθεση σε ακτινοβολία μέσω μάσκας Υγρή εμφάνιση (διάλυση των φωτισμένων περιοχών) Εγχάραξη SiO2 με πλάσμα Αφαίρεση πολυμερούς Διεργασίες πλάσματος 7 Εγχάραξη με πλάσμα (ξηρή) και υγρή ▪ ισοτροπία με πλάσμα (συνήθως ανισοτροπική) υγρή (συνήθως ισοτροπική) εγχάραξη αυλακιών Si με πλάσμα HBr με πλάσμα SF6 Μεγαλύτερη ευελιξία στη σχηματοποίηση με την εγχάραξη με πλάσμα ▪ επιλεκτικότητα (selectivity) πλεονεκτεί η υγρή Διεργασίες πλάσματος 8 Εγχάραξη με πλάσμα ▪ Πλάσμα ▪ σχεδόν ουδέτερο ηλεκτρικά αέριο που αποτελείται από φορτισμένα (θετικά και αρνητικά ιόντα, ηλεκτρόνια) και ουδέτερα συστατικά και εμφανίζει συλλογική συμπεριφορά ▪ ο όρος αποδίδεται στον Langmuir (1881-1957) και χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1928 στην εργασία “Oscillations in Ionized Gases”, Proc. Nat. Acad. Sci. 14, 628 (1928). Προήλθε από την ελληνική λέξη «πλάθω» ή από την αντιστοιχία των εκκενώσεων με το πλάσμα του αίματος Διεργασίες πλάσματος 9 Αντιδραστήρας πλάσματος Γιατί είναι διαφορετική η αντιμετώπιση μιας επίπεδης επιφάνειας από μία δομή ; Διεργασίες πλάσματος 10 Συνήθη συστήματα υπόστρωμα-εγχαράκτης υπόστρωμ Εγχάραξη με πλάσμα α Si Fluorine (SF6), fluorocarbon (CF4, C2F6, CHF3, C4F8…), Cl, Br chemistry SiO2 Fluorocarbon chemistry Al Chlorine chemistry Polymer, oxygen chemistry photoresist Πώς επιλέγουμε τη χημεία ? Διεργασίες πλάσματος 11 Αντιδραστήρας πλάσματος Γιατί είναι διαφορετική η αντιμετώπιση μιας επίπεδης επιφάνειας από μία δομή ; Διεργασίες πλάσματος 12 Επιφανειακές διεργασίες κατά την εγχάραξη Διεργασίες πλάσματος 13 Επιφανειακές διεργασίες κατά την εγχάραξη ▪ Σε εγχαρασσόμενη με πλάσμα επιφάνεια δεν συμβαίνει μια απλή ετερογενής αντίδραση ▪ Πολυπλοκότητα ▪ ενεργά σωματίδια που βομβαρδίζουν και ενεργοποιούν την επιφάνεια ▪ πλήθος συστατικών που εγχαράσσουν ή/και αποτίθενται στην επιφάνεια ▪ συνεργιστική δράση συστατικών ▪ αναπτυσσόμενη τραχύτητα της επιφάνειας ▪... Π.χ σε επιφάνεια Si που εγχαράσσεται με πλάσμα CF4 CF4, CF3, CF2, CF, F, CF3+, CF2+, CF+ φτάνουν στην επιφάνεια και συμμετέχουν στις επιφανειακές διεργασίες Διεργασίες πλάσματος 14 Επιφανειακές διεργασίες κατά την εγχάραξη ◼ Οι διεργασίες ◼ ρόφηση ◼ αντίδραση ◼ διάχυση στην επιφάνεια ◼ εκρόφηση ◼ Το ελέγχον (αργό) στάδιο ; Διεργασίες πλάσματος 15 Ρόφηση και εκρόφηση ◼ Ρόφηση ◼ Φυσική, εξώθερμη, |ΔΗ|=10-40kJ/mol, πολλά στρώματα, δυνάμεις Van der Waals ◼ Χημική, εξώθερμη, |ΔΗ|=40-1000kJ/mol, συνήθως ένα στρώμα, δυνάμεις ομοιοπολικών ή ιοντικών δεσμών ◼ Περιγραφή ρόφησης – εκρόφησης με ισόθερμες ◼ Ισόθερμη ρόφησης: διάγραμμα που περιγράφει το ποσό ενός ροφημένου είδους σε επιφάνεια (κλάσμα κάλυψης) συναρτήσει της πίεσης αυτού του είδους στην αέρια φάση σε ισορροπία και σταθερή θερμοκρασία ◼ Παραδείγματα ◼ Langmuir (χημική) ◼ Freundlich ◼ Temkin ◼ Branauer-Emmett-Teller, BET (φυσική) Διεργασίες πλάσματος 16 Ρόφηση και εκρόφηση – Ισόθερμη Langmuir ▪ Ιδανική χημική ρόφηση: ρόφηση μέχρι κορεσμού της επιφάνειας, οπότε και σταματά η ρόφηση ▪ Παραδοχές ▪ δεν μπορεί να ξεπεράσει το ένα στρώμα ▪ όλες οι θέσεις ρόφησης ισοδύναμες, δεν υπάρχει προτίμηση ρόφησης ▪ η δυνατότητα ρόφησης σε μία θέση δεν εξαρτάται από την κάλυψη των γειτονικών θέσεων ρόφησης Α(g) Α(g) Α(g) + S → SΑ(s) ρόφηση S SΑ(s) → Α(g) + S εκρόφηση S = surface Διεργασίες πλάσματος 17 Ρόφηση και εκρόφηση – Ισόθερμη Langmuir ▪ ισοζύγιο θέσεων ρόφησης Α(g) Α(g) Α(g) + S → SΑ(s), ka θΑ+θS =1 S SΑ(s) → Α(g) + S, kd dθ καθαρός ρυθμός κατανάλωσης θέσεων ρόφησης = σ A ka j A (1 θA ) kd θ A ρυθμός κάλυψης θέσεων ρόφησης – dt ρυθμός δημιουργίας θέσεων ρόφησης ▪ θA: κλάσμα κάλυψης επιφάνειας S από το Α [SA(s)] ▪ σ: πυκνότητα θέσεων ρόφησης στην επιφάνεια ▪ στη μόνιμη κατάσταση: Κj A ka θA ,Κ nA c pA 1 Κj A kd jA , nA 4 kT Διεργασίες πλάσματος 18 Αντιδράσεις στην επιφάνεια ▪ μηχανισμός Langmuir-Hinshelwood (όλα τα αντιδρώντα έχουν προσροφηθεί) A(g),B(g) A(g),B(g),AB(g) SA(s) + SB(s) → AB(g) + 2S S θΑ + θΒ + θS=1 Ρυθμός αντίδρασης, R = kθAθB S Α Β. Διεργασίες πλάσματος 19 Αντιδράσεις στην επιφάνεια ▪ μηχανισμός Eley-Rideal (δεν έχουν προσροφηθεί όλα τα αντιδρώντα) SA(s) + B(g) → AB(g) + S A(g),B(g) A(g),B(g),AB(g) Ρυθμός αντίδρασης, R = kjBθA S θΑ + θΒ + θS=1 S Α Β Διεργασίες πλάσματος 20 Αντιδράσεις με την επιφάνεια (μηχανισμοί εγχάραξης) ▪ καθαρά χημική αντίδραση (pure chemical etching) A(g) A(g),SA(g) SΑ(s) → SΑ(g) (+ S) , SA πτητικό είδος S θΑ + θS=1 Ρυθμός εγχάραξης, R = k(T)θA , k(T) = Αexp[-Ea/(kBT)] Ea ενέργεια ενεργοποίησης, T θερμοκρασία επιφάνειας, A προεκθετικός όρος, kB σταθερά Boltzmann S Α ▪ ισοτροπία ▪ υψηλή επιλεκτικότητα Διεργασίες πλάσματος 21 Αντιδράσεις με την επιφάνεια (μηχανισμοί εγχάραξης) ▪ καθαρά χημική αντίδραση (pure chemical etching) A(g) A(g),SA2(g) Α(g) + SΑ(s) → SΑ2(g) (+ S), SΑ2 πτητικό είδος S θΑ + θS=1 Ρυθμός εγχάραξης, R = k (T) jAθA, k(T) = A exp[-Ea/(kBT)] Ea ενέργεια ενεργοποίησης, T θερμοκρασία επιφάνειας, A προεκθετικός όρος, kB σταθερά Boltzmann S Α ▪ ισοτροπία ▪ υψηλή επιλεκτικότητα Διεργασίες πλάσματος 22 Αντιδράσεις με την επιφάνεια (μηχανισμοί εγχάραξης) ▪ «ιονοβολή» (physical sputtering) Ion(g) Ion(g),S(g) Ion(g) + S → S(g) [+ S + Ion(g)] , k θS=1 S Ρυθμός εγχάραξης, R = k(E)jIONθS ,θS κλάσμα «καθαρής» επιφάνειας, k(E) = k0(E0.5 – Eth0.5), E ενέργεια ιόντων S ιόν ▪ ανισοτροπία ▪ χαμηλή επιλεκτικότητα ▪ μπορεί να εγχαράξει πολλά υποστρώματα ▪ χαμηλός ρυθμός εγχάραξης. Διεργασίες πλάσματος 23 Αντιδράσεις με την επιφάνεια (μηχανισμοί εγχάραξης) ▪ εγχάραξη υποβοηθούμενη από ιόντα (ion-enhanced etching) Ion(g) + SA(s) → SA(g) [+ S + Ion(g)] Ρυθμός εγχάραξης, R = k(E)jIONθΑ , k(E) = k0(E0.5 – Eth0.5) S Α ιόν ▪ ανισοτροπία ▪ ο κυρίαρχος μηχανισμός σε αρκετά συστήματα Διεργασίες πλάσματος 24 Κατάστρωση ισοζυγίων θέσεων ρόφησης ▪ έστω δίκτυο αντιδράσεων Α(g) + S → SΑ(s), k1 B(g) + S → SB(s), k2 SΑ(s) → Α(g) + S, k-1 SB(s) → B(g) + S, k-2 SA(s) + B(g) → AB(g) + S, k3 Ion(g) + SA(s) → SA(g) (+ S), k4 SA(s) + SB(s) → AB(g) + 2S, k5 ▪ οι εξισώσεις dθA σ k1jAθS – k-1θA – k3jBθA - k4jΙΟΝθA – k5θAθB dt dθ σ Β k2jBθS – k-2θB – k5θAθB , θS = 1 - θB – θA dt ▪ ρυθμός εγχάραξης, R = k4jIONθA ▪ συντελεστής προσκόλλησης Α, Β σε καθαρή επιφάνεια: k1 , k2 ▪ φαινόμενος συντελεστής προσκόλλησης Α, Β στην επιφάνεια SE,A jA = k1jAθS - k-1θA , SE,B jB = k2jBθS - k-2θB + k3jBθA Διεργασίες πλάσματος 25 Ο φαινόμενος συντελεστής προσκόλλησης ▪ ο φαινόμενος συντελεστής προσκόλλησης (effective sticking coefficient) ενός συστατικού i στην επιφάνεια ορίζεται ως το πηλίκο ροή του i που καταναλώνεται στην επιφάνεια S E ,i = ροή του i που φτάνει στην επιφάνεια σωματίδιο i που φτάνει στην επιφάνεια σωματίδιο i που εκροφάται από την επιφάνεια 3-2 S E ,i = = 0.333 3 S E ,i  0 παραγωγή του i στην επιφάνεια Διεργασίες πλάσματος 26 Κατάστρωση ισοζυγίων θέσεων ρόφησης ▪ έστω δίκτυο αντιδράσεων Α(g) + S → SΑ(s), k1 B(g) + S → SB(s), k2 SΑ(s) → Α(g) + S, k-1 SB(s) → B(g) + S, k-2 SA(s) + B(g) → AB(g) + S, k3 Ion(g) + SA(s) → SA(g) (+ S), k4 SA(s) + SB(s) → AB(g) + 2S, k5 ▪ ισοζύγιο θέσεων ρόφησης για τα SA(s) , SΒ(s) ▪ αναζητούμε τις αντιδράσεις που συμμετέχει το SA(s) [SB(s)] ▪ στο δεξιό μέλος: «δημιουργία» ροφημένου SA(s) (G) ή «κατανάλωση» θέσης ρόφησης ▪ στο αριστερό μέλος: κατανάλωση ροφημένου SA(s) ή «απελευθέρωση» ή «δημιουργία» θέσης ρόφησης, (L) ▪ καθαρός ρυθμός δημιουργίας SA(s) ή «κατανάλωσης» θέσεων ρόφησης = G - L ▪ φαινόμενος συντελεστής προσκόλλησης του Α(g) [B(g)] ▪ αναζητούμε τις αντιδράσεις που συμμετέχει το A(g) [B(g)] ▪ στο δεξιό μέλος: «δημιουργία» A(g) (G) ▪ στο αριστερό μέλος: «κατανάλωση» A(g) (L) ▪ η ροή του Α(g) που φαίνεται ότι κολλά στην επιφάνεια είναι SE,A jA= L - G Διεργασίες πλάσματος 27 Το σπουδαίο διάγραμμα – η επίδραση των ιόντων στην εγχάραξη ▪ δημιουργία ενός «κατεστραμμέ- νου», αυξημένης δραστικότητας, στρώματος ▪ τα ιόντα προσφέρουν ενέργεια για χημική αντίδραση ή εκρόφηση καθαρά χημική υποβοηθούμενη ιονοβολή ▪ τα ιόντα εγχαράσσουν στρώμα αντίδραση από ιόντα εγχάραξη που «παρεμποδίζει» την εγχάραξη Μπορούμε να αντιμετωπίσουμε χωριστά κάθε μηχανισμό ; [J. W. Coburn and H. F. Winters, ”Ion and electron assisted gas-surface chemistry. An important effect in plasma etching”, J. Appl. Phys. 50, 3189 (1979)] John W. Coburn Διεργασίες πλάσματος 28