Технология прямого

Вид материала

Документы

Содержание 4.5. Проектирование оборудования для имплантации ионов легких газов в подложки полупроводников большого диаметра 4.6. Особенности процесса сращивания пластин кремния с использованием данных о выделении паров воды SiOH:SiOH + (H SiOSI + H

Подобный материал:

• Реферат по дисциплине управление маркетингом на тему стратегии прямого маркетинга, 240.21kb.
• Технология прямого, 498.19kb.
• Технология прямого сращивания пластин кремния и технологические маршруты изготовления, 689.61kb.
• Н. Г. Осенний 2012 г. Расписание, 59.13kb.
• Московский Государственный Университет пищевых производств Ю. А. Косикова методические, 725.64kb.
• Прикладнаямеханика лекция, доц. Воложанинов С. С. 2/150, 47.06kb.
• Программа вступительного экзамена по специальности 05. 27. 06 «Технология и оборудование, 81.6kb.
• Отчет о результатах самообследования основной образовательной программы по специальностям:, 1627.98kb.
• Рабочая программа и методические указания к выполнению контрольной работы для заочной, 305.14kb.
• Программа преддипломной практики студентов специальности 1-36 01 01 «Технология машиностроения», 336.91kb.

4.5. Проектирование оборудования для имплантации ионов легких газов в подложки полупроводников большого диаметра

Производство структур КНИ (для специализированных ИС и микросенсоров), а также многослойных структур для элементов микроэлектромеханических систем является стратегической зада­чей для многих высокотехнологичных и наукоемких отраслей. Ключевой проблемой формирования структур КНИ методом газо­вого скалывания на отечественных предприятиях является разра­ботка и изготовление специализированного оборудования, отве­чающего ужесточающимся требованиям микроэлектронного про­изводства. Поэтому создание технологического высокопроизводи­тельного, надежного оборудования для имплантации ионов водо­рода в подложки большого диаметра является актуальной задачей. В настоящее время существует несколько направлений научных разработок на основе которых возможно создание специализиро­ванного оборудования для получения структур методом газового скалывания. Наиболее перспективные методы используют имплан­тацию ионов водорода (или ионов легких газов) с использованием имплантеров, а также внедрение ионов с использованием эффек­тивной системы Plasma Immersion Ion Implantation (PIII), позво­ляющей получать структуры КНИ низкой стоимости и с высокой производительностью.

На основе научных работ радиационно-ускорительного центра РУЦ МИФИ [42–52] и ИТЭФ проводятся работы по проектирова­нию и созданию макетного источника ионов водорода с энергиями 30 – 150 кэВ для имплантации протонов в подложки полупровод­ников большого диаметра (150 – 200 мм) с целью получения струк­тур КНИ большого диаметра. К источнику протонов предъявля­ются следующие основные требования:

- повышенное, близкое к 100%, содержание в пучке атомарных ионов водорода;

- стабильность энергии протонов не ниже ±2 % при среднем токе пучка до 1 мА;

- большой срок службы, высокая надежность и стабильность ра­боты, обеспечивающие конкурентоспособность имплантера по сравнению с известными аналогами;

- нечувствительность к продуктам крекинга масла;

- возможность формирования равномерного (не хуже ±5%) поля облучения на мишени диаметром до 100 – 150 мм.

Для выбора прототипа источника водородных ионов имплантера проведены работы по адаптации имеющихся у исполнителя инжек­торов ионов к поставленным задачам, включающим проектирова­ние, изготовление и макетные испытания следующих типов источ­ников: дуоплазмотрона, источника Пеннинга с холодным катодом, электронно-ионного источника плазменно-пучкового типа, ВЧ ин­жектора (рабочей частотой 36 МГц), СВЧ инжектора (рабочей час­тотой 2450 МГц).

На основе анализа полученных результатов определен прототип источника и выполнены необходимые конструктивные доработки, а также рассмотрен вопрос об использовании "электронного душа" для нейтрализации объемного заряда облучаемых пластин.

Для получения тонких слоев кремния заданной толщины необ­ходимо отработать методику (технологию) режимов имплантации ионов водорода (гелия) и последующей термообработки, контроля состояния облучаемых пластин. В распоряжении авторов имеется ускорительная техника, квалифицированный персонал, методики исследования дефектной структуры твердых тел методами атомно-силовой микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии, атомно-ионной микроскопии и позитронной и мюониевой спектро­скопии.

Исходя из необходимости получения радиационно-стойких ИС, целесообразно получать структуры КНИ с толщиной изолирован­ного монокристаллического слоя кремния в диапазоне от 0,1 до 1 мкм, изолирующего оксида от – 0,1 до 10 мкм. Состав изолятора – аморфный SiO₂; многокомпонентное стекло (например бариево-алюмо-силикатной системы BaO–Al₂O₃–SiO₂); SiO₂ – Si₃N₄, алюмо­нитридная керамика и т.д. Для аналоговых ИС толщина изолиро­ванного монокристаллического кремния должна составлять вели­чину от 1 до 30 мкм, толщина слоя изолированного монокристал­лического кремния от 1 до более 100 мкм необходима для элемен­тов микромеханических датчиков, таких как акселерометры и мик­ромеханические гироскопы. При этом технологические процессы получения исходных структур (КНИ) могут быть принципиально похожими.

4.6. Особенности процесса сращивания пластин кремния с использованием данных о выделении паров воды

Существует множество методов связывания монокристалличе­ских подложек. Это, в первую очередь, термокомпрессионный ме­тод связывания, осуществляемый при высоких температурах с при­ложением внешнего давления к соприкасающимся очищенным по­верхностям подложек. При создании специальных приборов и уст­ройств используются методы связывания через слои диоксида кремния, различных оксидов металлов, стеклообразных промежу­точных слоев и т.д. Особый интерес представляет метод сращива­ния стандартных пластин кремния с нанесенными слоями диоксида кремния посредством химических реакций между гидроксилиро­ванными и гидратированными поверхностями пластин [1–4]. Далее рассмотрены особенности метода сращивания стандартных пла­стин кремния во влажных условиях по данным о выделении паров воды [9–15].

Имеются значительные трудности получения структур КНИ по­средством технологического роста слоев кремния, например, на сапфире и диоксиде кремния, связанные с несоответствием посто­янных решеток применяемых материалов, в результате чего полу­чаются некачественные слои кремния. Выше отмечалось, что в по­следние годы появилась новая технология получения качественных слоев изолированного кремния, заключающаяся в сращивании двух стандартных пластин и последующем утончении одной из них до требуемой толщины слоя монокристаллического кремния. Процесс сращивания отличается сложностью и заключается во взаимодей­ствии двух гидратированных и гидроксилированных поверхностей SiO₂ [20,21]. Физико-химическая модель сращивания, предложен­ная в работе [21], включает три последовательные стадии (рис.4.3).






Рис.4.3. Физико-химическая модель сращивания стандартных пластин кремния


На первой стадии при соприкосновении двух гидратированных поверхностей образуются водородные связи между кислородом и водородными атомами адсорбированных молекул воды (четыре молекулы воды могут образовать водные кластеры (циклические тетрамеры)). Максимальная энергия связи, свойственная цикличе­ским тетрамерам, составляет величину примерно 10 ккал/моль в расчете на одну молекулу воды, что соответствует 0,43 эВ. Это в 3 раза больше, чем прочность связи для "гидроксиловой" воды в ди­мере, которая равна примерно 3 ккал/моль. Вследствие этого энер­гетически выгодно отделение водных кластеров от SiOH-групп с образованием новых SiOH – OHSi связей. При температурах выше 700 C кластеры воды распадаются. При этом единичные сила­нольные связи могут образовывать SiOSi связи с выделением моле­кул воды.

В работах [20,21] отмечается, что при комнатной температуре энергия связи двух осушенных гидратированных поверхностей пластин, обусловленная ОН связями молекул Н₂О, составляет ве­личину примерно 85 эрг/см². При температуре выше 300 С возни­кают Н-связи за счет ОН-групп поверхности SiO₂, а (Н₂О)₄ распа­дается и молекулы Н₂О диффундируют от места сращивания. Предполагается, что имеются две Н-связи на одно место сращива­ния; при этом получается структура, не имеющая места в воде, но возможная для поверхностных ОН-групп. Если взять как наиболее вероятную энергию связи в водном димере, то получим для проч­ности связи величину 2х6,1 ккал/моль, соответствующую поверх­ностной энергии сращивания 634 эрг/см² в случае, если все сила­нольные группы связаны друг с другом. В области очень высоких температур (вплоть до 800 С) идет дальнейшее удаление воды и образование связей SiOSi. Технология сращивания включает ста­дию осушки пластин при 50 С перед непосредственным сращива­нием. Это очень важная стадия, так как она позволяет избежать обильного образования пузырьков воды на поверхности сращива­ния. Отметим, что образующиеся пузырьки исчезают сами по себе за несколько недель при комнатной температуре или за более ко­роткое время при высоких температурах.

В рамках модели работы [21] проведенные эксперименты по предварительной осушке говорят о том, что нагревание пластин перед непосредственным сращиванием состоит в десорбции Н₂О с гидратированной (гидроксилированной) поверхности с освобожде­нием пространства для развития SiOSi связей при последующих стадиях отжига. Это может оказывать существенное влияние на прочность связывания пластин кремния.

Резюмируя, еще раз подчеркнем, что модель, предложенная в работах [20,21], состоит из трехстадийного процесса сращивания с участием молекул воды. На стадии I две подложки соединяются через кластеры воды и поверхностная энергия связи составляет ве­личину примерно 100 эрг/см². На стадии II уже Н-связи силаноль­ных групп связывают пластины, а на поверхности раздела присут­ствуют водные кластеры со средней плотностью (Н₂О)₄/13,35·Å². Максимальная энергия связи на стадии II равна 634 эрг/см². На ста­дии III энергия связи достигает величины 2·980 эрг/см², где 980 эрг/см² – поверхностная энергия связи кварца.

В работах [20,21] были проведены детальные эксперименталь­ные исследования поверхностной энергии связи в зависимости от времени отжига и температуры. Ниже, следуя модели [20,21], по­священной кинетическому анализу поверхностной энергии связи, развита модель сращивания, основанная на выделении паров воды. Выпишем основные реакции этой модели.


SiOH:(OH₂)₂:(OH₂)₂:OHSi SiOH:SiOH + (H₂O)₄ (4.2)


Левая и правая часть уравнения (4.2), соответствуют реакциям между стадиями сращивания I и II. Естественно, что


(Н₂О)₄  (Н₂О)₃ + Н₂О ^  (Н₂О)₂ + Н₂О ^  2 Н₂О ^ . (4.3)


Кроме того,


SiOH:SiOH SiOSI + H₂O ; (4.4)


SiOH:SiOH SiOSi + H₂O ^ . (4.5)


Это протекающие реакции между стадиями сращивания II и III, соответствующие процессу прямого связывания двух окисленных пластин кремния с гидроксильными группами на их поверхности (подложки А и В) (рис.4.4).

При нагревании двух таких соединенных пластин взаимодейст­вие двух противоположных ОН-групп приводит к образованию мо­лекул воды и силоксановых связей ≡Si–O–Si≡.










Рис.4.4. Схема процесса сращивания подложек A и B с гидроксильными группами на поверхности (а) и последующим образованием связи ≡Si–O–Si≡ (б)


В работе [5] показано, что сухая и влажно-окисленная пластины, соединенные в сухих условиях имеют несовершенную связь. С другой стороны, сухая и влажно-окисленная пластины, соединен­ные во влажных условиях связывание лучше. Таким образом, целе­сообразно проводить процесс сращивания подложек в условиях влажной атмосферы.

Энергия активации реакции (4.2) должна быть близкой к вели­чине энергии водородной связи, равной примерно 50 мэВ. Энергия активации реакции (4.5) должна лежать в пределах от 1,8 до 2,1 эВ, так как эта реакция подобна поверхностной реакции окисления кремния.


Естественно, что


d[SiOSi]/dt=d[H₂O]/dt= k₂(n_o-[SiOSi]) = k₂(n_o - [H₂O]) (4.6)


Здесь k₁ и k₂ – константы скоростей реакции, n_o – число мест сра­щивания. Кроме того, согласно (4.4)


d[H₂O]/dt = k₁ [SiOH:SiOH] = k₂ [H₂O] (4.7)


Решения уравнений (4.6) и (4.7), согласно [21], позволяют описать кинетику прочности связывания и кинетику газовыделения


W = (2х980 - W_B) [1 - exp(-k₂t)] + W_B, (4.8)


где 2·980 эрг/см² – энергия связи пластин кремния за счет SiOSi связей, а


W_B = 630 exp(-0,05 / k_B·Т) [эрг/см²]. (4.9)


Здесь k_B – постоянная Больцмана, Т – температура.

Нам удалось показать, что кинетика выделения паров воды во многом может описываться подобно уравнению (4.8) [24 - 26].


[H₂O](t) {[n_o-n_o exp(-0,05/k_B·T)] [1-exp(-k₂t)]} + n_o exp(-0,05/k_B·T) (4.10)


Из выражений (4.8) и (4.10) следует, что зависимости W и [H₂O](t) симбатны. Этот теоретический вывод подтверждается ка­чественным уровнем проведенных исследований сращивания стан­дартных пластин кремния различных марок. Следует, однако, от­метить, что при выводе выражения (4.10) мы пренебрегли возмож­ными процессами диссоциации воды на поверхности сращивания, поскольку этот вопрос нуждается в дальнейших эксперименталь­ных и теоретических исследованиях. Подчеркнем, что полученное выражение (4.10) может быть использовано в качестве алгоритма моделирования и оптимизации процесса сращивания пластин кремния [15–19].