Παρουσίαση 7. PDF

Μικροηλεκτρονική τεχνολογία Διάλεξη 7ο Πλάσμα- Sputtering Διδάσκων: Δρ. Γεωργακόπουλος Τηλέμαχος [email protected] [email protected]...

Μικροηλεκτρονική τεχνολογία Διάλεξη 7ο Πλάσμα- Sputtering Διδάσκων: Δρ. Γεωργακόπουλος Τηλέμαχος [email protected] [email protected] Πλάσμα Πλάσμα είναι ένα ιονισμένο αέριο που αποτελείτε από θετικά και αρνητικά φορτισμένα σωματίδια (ιόντα, ηλεκτρόνια, αρνητικά ιόντα), ουδέτερα σωματίδια (μόρια, ελεύθερες ρίζες, διεγερμένα ουδέτερα σωματίδια και φωτόνια. Ο βαθμός ιονισμού ποικίλλει. Το πλάσμα αποτελεί την τέταρτη και πλέον διαδεδομένη κατάσταση της ύλης στο σύμπαν (99%). Για την μετάβαση από τη μια κατάσταση της ύλης σε μια άλλη απαιτείται ενέργεια περίπου 10-2 eV/σωματίδιο. Ενώ για τη μετάβαση σε κατάσταση πλάσματος απαιτείται ενέργεια περίπου από 1-30eV/σωματίδιο Είναι γνωστό ότι η μετάβαση από στερεά σε υγρά και από υγρά σε αέρια γίνεται με θέρμανση. Για να έρθει ένα αέριο σε κατάσταση πλάσματος συνήθως παρέχεται ηλεκτρική ενέργεια. Τύποι πλάσματος Το πλάσμα κατηγοριοποιείται με βάση δυο μεγέθη: την πυκνότητα των ηλεκτρονίων και τη θερμοκρασία των ηλεκτρονίων Εφαρμογές της διεργασία πλάσματος Εναπόθεση υλικών (Plasma enhanced CVD, sputtering) Εγχάραξη υλικών (Plasma Etching) Τροποποίηση επιφανειών (Plasma surface modification) Τομείς εφαρμογής:  Μικροκηλεκτρονική  Βιουλικά  Ιατρική-Βιοιατρική  Προστασία περιβάλλοντος  Μεταβολή επιφανειακών ιδιοτήτων  Προστασία υλικών  Διεργασίες Πλάσματος Το πλάσμα που χρησιμοποιείται στην εναπόθεση και την επεξεργασία υλικών είναι μια αυτοσυντηρούμενη ηλεκτρική εκκένωση ανάμεσα σε δυο ηλεκτρόδια, την κάθοδο και την άνοδο. Καλείται επίσης εκκένωση λάμψης ( Glow discharge) εξ’ αιτίας της ακτινοβολίας που εκπέμπει. Εκκενώσεις dc, rf, microwave, χαμηλής πίεσης, ατμοσφαιρικής πίεσης Rf χωρίζονται σε χωρική σύζευξη (capacitively couple ή capacitive) και επαγωγική σύζευξη (inductively (363) Direct Current (DC) Glow Discharge (2D Animation) – YouTube couple ή inductive), PECVD Working | Plasma Chemical Vapor Deposition system with preheating | Vacuum Furnace (youtube.com) Το πλάσμα στο εργαστήριο/βιομηχανία Όταν ένα αέριο βρεθεί εντός ηλεκτρικού πεδίου τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο αέριο επιταχύνονται κερδίζοντας συνεχώς ενέργεια. Όταν τα ηλεκτρόνια κερδίσουν αρκετή ενέργεια ιονίζουν το αέριο παράγοντας επιπλέον ηλεκτρόνια. Η αυτοσυντηρούμενη εκκένωση αποκαθίσταται όταν ο ρυθμός ιονισμού του αερίου και άρα ο ρυθμός παραγωγής φορτίων αντισταθμίζεται από τις απώλειες τους στα τοιχώματα. Νόμος του Paschen Ο νομος του Paschen είναι μια εξίσωση που δίνει την τάση διάσπασης δηλαδή την τάση που απαιτείται για την έναρξη μιας εκκένωσης ή ηλεκτρικού τόξου, μεταξύ δύο ηλεκτροδίων σε ένα αέριο ως συνάρτηση της πίεσης και του μήκους του διακένου. Λίγες συγκρούσεις Πολλές κρούσεις Μικρή παραγωγή δευτερογενών Αυτοτελής Μικρή ελεύθερη διαδρομή Δεν αποκτούν αρκετή ενέργεια ώστε να προκαλούν ιονισμό Μη ελαστική Κρούση ηλεκτρονίων Ιοντισμός-Διασπαστικός ιονισμός 𝑒 − + 𝐴𝑟 → 𝐴𝑟 + + 2𝑒 − 𝑒 − +𝑆𝑖𝐻4 → 𝑆𝑖𝐻3+ + 𝐻 + 2𝑒 − Διέγερση 𝑒 − + 𝐴𝑟 → 𝐴𝑟 ∗ + 𝑒 − 𝑒 − + 𝑆𝑖𝐻4 → 𝑆𝑖Η ∗ + 3𝐻 + 𝑒 − 𝑆𝑖Η ∗ → 𝑆𝑖Η + ℎ𝑣 (εκπέμπει φως) 𝑒 − + 𝑂2 → 𝑂2∗ Διάσπαση 𝑒 − + 𝑆𝑖𝐻4 → 𝑆𝑖Η3 + 𝐻 + 𝑒 − 𝑒 − + 𝐶𝐹4 → 𝐶𝐹3∗ + 𝐹 ∗ + 𝑒 − Επανασύνδεση-διασπαστική επανασύνδεση 𝑒 − + 𝑆𝐹6 → 𝑆𝐹6 − 𝑒 − + 𝑆𝐹6 → 𝑆𝐹5− + 𝐹 Διάσπαση-Ιονισμός 𝑒 − + C𝐹4 → 2𝑒 − + 𝐶𝐹3+ + 𝐹 + Διάσπαση –προσάρτηση 𝑒 − + 𝑁2 → 𝑁 + + 𝑁 − + 𝑒 − Μεταφορά φορτίου Α + Β+ → A+ + B CVD με την βοήθεια πλάσματος Οξείδια του πυριτίου Νιτρίδια του πυριτίου Καρβίδια του πυριτίου Υδρογονωμένο πυρίτιο (TFTs, sensors, φωτοβολταικά) PECVD –το παράδειγμα των λεπτών υμενίων Si Ως πρόδρομη ένωση χρησιμοποιείται το σιλάνιο (SiH4) σε μίγματα του με υδρογόνο, προσθήκη διβοράνης (B2H6) ή φωσφίνης (PH5) για την παραγωγή εμπλουτισμένων υλικών (Πρόσθεση διβοράνης προκαλεί μεγάλη αύξηση του ρυθμού ενώ αντίθετα πρόσθεση φωσφίνης ή αρσίνης προκαλεί ταχεία μείωση του ρυθμού εναπόθεσης). Βιομηχανικά: χωρητικά συζευγμένες εκκενώσεις με πίεση μερικών torr Θερμοκρασία υποστρώματος 200 oC. Η πίεση λειτουργίας αλλά και η σύσταση του μίγματος καθορίζουν τόσο τον ρυθμό εναπόθεσης όσο και τις φυσικοχημικές ιδιότητες των υμενίων (κρυσταλλικότητα, κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό κλπ). Το υλικό είναι μικροκρυσταλλικό ή άμορφο Εκκενώσεις SiH4- H2 SiH4 , H2 Anios Cations Neutrals SiHx-,H- SiHx+,H2+ H+ SiHx H SinHm Dust Film growth Crystallinity Ion Bombardment Substrate Εκκενώσεις SiH4- H2 Αέρια φάση Η συνολική πίεση θα καθορίσει τη σύσταση της αέριας φάσης. Όσο υψηλότερη είναι η πίεση τόσο ενισχύονται οι δευτερογενείς αντιδράσεις. Σε υψηλές πιέσεις σχηματίζεται σκόνη στην αέρια φάση. Εκκενώσεις SiH4- H2 Επιφάνεια Οι διεργασίες στην επιφάνεια είναι όμοιες με αυτές στο thermal CVD δηλαδή προσρόφηση, διάχυση, ενσωμάτωση ή εκρόφηση. Τα είδη των ριζών αλλά και ο ρυθμός με τον οποίο αυτές φτάνουν στην επιφάνεια καθορίζουν τον ρυθμό τον ρυθμό εναπόθεσης και την κρυσταλλικότητας. Πολύ δραστικές ρίζες SiH2, SiH και Si προσδένονται άμεσα στην επιφάνεια οδηγώντας συνήθως σε άμορφα υλικά με πολλές ατέλειες. Αν στην επιφάνεια φτάσει η SiH3 , ο ρυθμός είναι μικρότερος ωστόσο επιτυγχάνονται κρυσταλλικά υλικά. Το Η που φτάνει στην επιφάνεια δεσμεύει ένα άτομο Η από το υμένιο δίνοντας ενέργεια, γεγονός που ευνοεί την κρυσταλλικότητα (δίνει ενέργεια στην επιφάνεια χωρίς ωστόσο να θερμαίνεται το υπόστρωμα). Υδρογονωμένο πυρίτιο Αναπαράσταση των φάσεων επώασης και κρυσταλλοποίησης του Si-H ως συνάρτηση του λόγου αραίωσης με υδρογόνου. Υδρογονωμένο πυρίτιο μεταξύ άμορφής και πολυκρυσταλλικής κατάστασης. Ο σχηματισμός των κρυσταλλιτών ξεκινά με μια φάση πυρηνοποίησης μετά από μία άμορφη φάση επώασης (incubation phase). (υψηλός ρυθμός εναπόθεσης) Κατά την εναπόθεση, η ανάπτυξη των κρυσταλλιτών συνεχίζεται (crystallization phase) μέχρι το ποσοστό κρυσταλλικής φάσης να φτάσει σε μια τιμή κορεσμού. Η φάση πυρηνοποίησης και επώασης εξαρτάται πολύ από τις συνθήκες εναπόθεσης. Η κρυσταλλική ανάπτυξη ενισχύεται από την παρουσία ατομικού υδρογόνου το οποίο αλληλοεπιδρά με την επιφάνεια στην οποία εναποτίθεται το λεπτό υμένιο. Χαρακτηρίστηκα ιδιότητες Στις χωρικά συζευγμένες εκκενώσεις ο ρυθμός εναπόθεσης και η κρυσταλλικότητα του υλικού δεν μεταβάλλονται συναρτήσει των παραμέτρων της διεργασίας με τον ίδιο τρόπο. Υψηλός ρυθμός εναπόθεσης οδηγεί σε άμορφα υλικά. Τεχνικές χαρακτηρισμού: Φασματοσκοπία Raman, Φασματοσκοπία απορρόφησης υπερήθρου FTIR, ελλειψομετρία, μικροσκοπία, περίθλαση ακτίνων X, Ηλεκτρικός χαρακτηρισμός του υλικού. Sputtering O βομβαρδισμός ιόντων μπορεί να δημιουργήσει μια σειρά από συγκρούσεις μεταξύ των ατόμων του στόχου, οδηγώντας πιθανώς σε εκτοπισμό ορισμένων από αυτά τα άτομα. Μπορεί να γίνει εναπόθεση υλικού. Μπορεί να γίνει εγχάραξη. Sputtering WHAT IS SPUTTERING? - (주)연진에스텍 (yeonjin.com) Sputtering Sputtering Κατά τον βομβαρδισμό του στόχου με ιόντα, λαμβάνουν χώρα οι εξής διαδικασίες: Απελευθέρωση ουδετέρων ατόμων Ουδετεροποίηση και οπισθοσκεδαση των προσπιπτοντων ιόντων (backscattered particles) Εκπομπή ακτίνων X Παραγωγή γένεση Φωτονίων (photon generation) Εκπομπή δευτεροετών ηλεκτρονίων (secondary electron emission) Διασκορπισμός των ατόμων αερίου που βρίσκονται στην επιφάνεια του στόχου Sputtering Στο βομβαρδισμένο στόχο μπορούν να συμβούν τα ακόλουθα φαινόμενα: Αμορφοποίηση στόχου Εμφύτευση του ιόντος Ενώσεις στοιχείων Δημιουργία διαδοχικών κρούσεων Τοπική θέρμανση Σημειακές ατέλειες Χρησιμότητα sputtering Χρησιμοποιείται:  Καθαρισμό επιφανειών  Εναπόθεση υμενίων Τεχνικές sputtering πήγες Ιόντων  Παραγωγή ημιαγωγών  Φωτοβολταικές διατάξεις.  Υλικά με υψηλό σημείο τήξης όπως κεραμικά Τεχνικές Sputtering DC sputtering Αδρανές αέριο τοποθετείται στο θάλαμο και με την υψηλή τάση δημιουργείται πλάσμα (ιόντα, ηλεκτρόνια, άτομα) λόγω ιοντισμού των ιόντων αερίου. Στην κάθοδο έχουμε τον στόχος (υλικό προς εναπόθεση.) Στην άνοδο το υπόστρωμα προς εναπόθεση. Τα θετικά ιόντα κατευθύνονται προς το αρνητικά πολωμένο ηλεκτρόδιο. DC sputtering Στην άνοδο το υπόστρωμα προς εναπόθεση. Τα θετικά ιόντα κατευθύνονται προς το αρνητικά πολωμένο ηλεκτρόδιο με μεγάλη ταχύτητα (ενέργεια). Προσπίπτουν και εξάγουν άτομα του στόχου τα οποία με την σειρά τους μπορούν να κινηθούν μέσα στο πλάσμα και να συμπυκνωθούν στην επιφάνεια του υποστρώματος. Αυτή η διαδικασία προϋποθέτει το υλικό του στόχου να είναι αγώγιμο. Για μη αγώγιμα υλικά χρησιμοποιείται RF Sputtering. RF Sputtering Για την εναπόθεση υλικών που δεν είναι αγώγιμα χρησιμοποιείται η τεχνική RF Sputtering. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα εφαρμόζεται μια εναλλασσόμενη τάση στα ηλεκτρόδια. Σε συχνότητα