нижние клапаны 5 обоих шлюзов опускаются (герметизация приемной камеры при этом осуществляется уплотнительными элементами верхних клапанов) и одна подложка соскальзывает на столик 11, а другая - в свободную ячейку кассеты 3. Герметизация полостей шлюзов 6, соединяющихся при закрытых клапанах с объемом приемной камеры 8, осуществляется с помощью гибких мембран 16.

Столик 11 с новой подложкой переводится в положение имплантации. Наличие подложки на столике контролируется фотодатчиком 9. После обработки всей партии подложек стойки 2 переводятся в вертикальное положение и производится смена кассет.

После проведения процесса имплантации необходим отжиг пластин, так как возможно образование радиационных дефектов из-за того, что не все внедренные атомы занимают электрически активную позицию. Наиболее эффективен импульсный отжиг, воздействующий только на приповерхностный легированный слой, например электронный, лазерный или галогенными лампами.

При эксплуатации установок ионной имплантации особое внимание должно быть уделено охране труда операторов. Чтобы обеспечить нормы радиационной безопасности, применяется встроенная рентгенозащита, изготовленная из листового свинца толщиной 6 мм и свинцовистой резины. Она может быть надежной при условии, что вторичные электроны, создающие рентгеновское излучение, не набирают энергии свыше 300 кэВ. Это может быть достигнуто путем разделения высоковольтной системы ускорения на несколько блоков. Кроме того, в ионопроводе необходимо разместить магнитные ловушки, отклоняющие вторичные электроны с оси ионопровода и не позволяющие им набирать высокую энергию.

5.2. оборудование для вакуумно-плазменного травления микроструктур

Методы жидкостного травления в силу их недостаточно высокой разрешающей способности не удовлетворяют требованиям БИС и СБИС. Наиболее эффективны методы так называемой сухой технологии, в основе которых лежит взаимодействие газоразрядной плазмы с твердым телом. Компонентами плазмы могут являться ионы, электрически нейтральные радикалы, обладающие высокой химической активностью, а также фотоны, реакционно-активные фрагменты молекул, электроны.

По физико-химическому принципу различают три метода травления: ионное, ионно-химическое и плазмохимическое. Ионное травление заключается в разрушении и удалении обрабатываемого материала за счет физического взаимодействия (бомбардировки) ускоренных ионов инертного газа с поверхностью полупроводниковой подложки. Энергия ионов составляет при этом 0,5 ... 10 кэВ. 80

Существует ионно-плазменное (при давлении в рабочей камере 0,1.. .10 Па) и ионно-лучевое (при давлении Ю-3. ..10~2 Па) травление.

Ионно-химический метод характеризуется сочетанием физического взаимодействия ускоренных ионов реакционно-активных газов (галогенов, кислорода и др.) с вызываемыми ими химическими реакциями на поверхности подложки. Различают реактивное ионно-плазменное (при давлении Ю-1. ..102 Па) и реактивное ионно-лучевое (при давлении Ю-2. ..Ю-1 Па) травление.

Плазмохимическое травление основывается на разрушении материала в результате химических реакций с помощью радикалов и ионов химически активных газов, образующихся в плазме газового разряда. При этом в результате химических реакций образуются летучие соединения, удаляемые из рабочей камеры вакуумными насосами. Давление в рабочей камере при плазмохимичес-ком травлении микроструктур ИС составляет 10. ..102 Па.

С помощью перечисленных методов травления можно обрабатывать практически любые материалы: металлы, кремний, окислы, нитриды, высокомолекулярные соединения (резисты) и т. д. Разрешающая способность ионного травления составляет 1...3 мкм, погрешность размеров при травлении микроструктур лежит в диапазоне 0,1...0,5 мкм. При физическом ионном распылении материалов практически отсутствует селективность травления, а при химическом взаимодействии скорости травления разных материалов могут иметь существенное различие. При плазмохимическом методе травления не возникают дефекты поверхностного слоя, тогда как бомбардировка ускоренными ионами может вызывать нарушения структуры поверхностного слоя обрабатываемой поверхности.

Все методы ионного травления реализуются на установках диодного, трехэлектродного, магнетронного типов, с автономным источником ионов и с высоким плазменным давлением. На рис. 5.8 изображены схемы установок ионного травления: диодной на постоянном токе (а) и высокочастотной (б), трехэлектродной (в), магнетронной (г), с автономным источником ионов (д) и с высоким плазменным давлением (е). От типа установки зависит скорость и равномерность травления.

Наиболее простым является метод диодного травления на постоянном токе (рис. 5.8,а). В вакуумной камере 8, откачиваемой через патрубок 7, с помощью натекателя 1 устанавливается давление рабочего газа (или инертного аргона, или активных 02, CF4, CF2C12) 1.. .100 Па. На плоский электрод 5 через герметичный токоввод 6 подается отрицательный потенциал UM=1...5 кВ. В пространстве между электродом-мишенью 5, на котором установлены обрабатываемые подложки 4, и заземленным корпусом камеры 8 возникает газовый разряд 2. Положительно заряженные ионы 3 рабочего газа устремляются к электроду-мишени 5 и бомбардируют расположенные на ней подложки. 6-628Г 81

Рис. 5.8. Методы ионного травления микроструктур

Простота конструкции диодной системы травления подкрепляется высокой равномерностью обработки по всей поверхности электрода-мишени 5 и возможностью, при переходе на ВЧ-напря-жение, которое подается на мишень, обработки как металлов, так и диэлектриков. При травлении непроводящих пленок необходимо постоянно компенсировать скапливающийся на мишени положительный заряд, что успешно выполняют отобранные из плазмы электроны 9 (рис. 5.8,6) в положительной полуволне ВЧ-напряжения на мишени. При частоте приложенного напряжения 82

в несколько мегагерц (обычно f = 13,56 МГц) легкие электроны успевают совершать перелет и к электроду-мишени, компенсируя на нем положительный потенциал, и к корпусу камеры - аноду, ионизируя поступающий в рабочий объем газ, тогда как тяжелые ионы, практически не меняя своего направления, постоянно бомбардируют мишень с подложками.

Для локализации плазмы и уменьшения потерь мощности используется экран 10. Высокочастотный токоввод, как правило, выполняется водоохлаждаемым 11. В диодных системах мишень выполняет двойную функцию: с одной стороны, она является источником поддержания разряда, а с другой - местом расположения подложек. Такое совмещение функций существенно снижает возможность управления процессом ионного травления, так как невозможно независимо регулировать энергию ионов, ионный ток и давление рабочего газа, проводить травление ионами низких энергий, прекращать травление без выключения разряда, контролировать и регулировать угол падения ионов на поверхность подложек.

Скорость ионного травления материалов в диодных системах ограничивается плотностью мощности ионного тока на мишени, которая должна быть меньше критической для используемой резис-тивной маски. Для повышения критической плотности мощности ионного тока подложку необходимо охлаждать. Обычно в диодных системах ионного травления максимальная плотность ионного тока на мишени составляет 1...5 мА/см2, и поэтому скорость травления невелика, менее 1 нм/с.

Трехэлектродная система ионного травления (рис. 5.8,е) состоит из трех независимо управляемых электродов: термокатода 12, анода 14 и мишени, на которой размещаются обрабатываемые образцы. После откачки рабочей камеры до давления Ю-4 Па термокатод 12 разогревается до температуры, при которой достигается высокая плотность тока термоэлектронной эмиссии. Затем в камеру напускается рабочий газ и подается напряжение между катодом 12 и анодом 14, что приводит к зажиганию газового разряда.

На мишень может подаваться как постоянное отрицательное напряжение при травлении проводящих образцов, так и ВЧ-напря-жение при травлении диэлектриков. В триодных системах процессы образования плазмы и травления разделены, что позволяет управлять энергией ионов с помощью изменения напряжения на мишени, однако нельзя регулировать угол падения ионов.

В трехэлектродных системах плотность ионного тока составляет 15.. .20 мА/см2, что позволяет получать скорости травления 5. ..10 нм/с. В триодных системах трудно получить однородную плазму из-за малого размера термокатода по сравнению с холодными катодами в диодных системах, что приводит к неравномерности обработки подложек. Кроме того, наличие накального термокатода ограничивает использование системы при травлении химически активными газами.

Для выравнивания неоднородности плазмы газового разряда, а следовательно, для повышения равномерности ионного травления подложек на поверхности мишени, а также для повышения эффективности ионизации при более низких, чем при диодном травлении, давлениях в трехэлектродных системах используются электромагнитные катушки 13. Создаваемое ими магнитное поле заставляет электроны двигаться по спиральным траекториям, увеличивая тем самым их пробег и, следовательно, вероятность столкновения с атомами или молекулами рабочего газа.

Реализуя в установках диодного и трехэлектродного типов метод плазмохимического травления, не удается достигнуть высокой точности обработки из-за возможности подтравливания в результате химической реакции материала под маской. Более точное ион-но-плазменное травление ионами инертных газов имеет низкую скорость распыления материалов и может вызывать дефекты бомбардируемой поверхности. Совместить высокую производительность и избирательность плазмохимических методов с направленным характером ионного травления можно в системе ионно-хими-ческого травления, например, с цилиндрической ВЧ магнетронной системой (рис. 5.8,г).

Подложки загружаются на цилиндрический электрод-мишень (барабан) 15, к которому подводится ВЧ-напряжение. Между барабаном 15 и заземленными стенками вакуумной камеры возникает разряд с большой плотностью плазмы и высокой однородностью благодаря действию магнитного поля, создаваемого электромагнитной системой. Эффект направленного травления достигается, во-первых, из-за низкого рабочего давления (0,1... ...0,3 Па), практически исключающего рассеяние ионов за счет столкновения с молекулами газов, во-вторых, вследствие увеличения степени ионизации рабочего газа в результате большого поглощения ВЧ-мощности плазмой, помещенной в магнитное поле. При этом травление активными ионами, ускоренными по направлению к подложке, преобладает над травлением нейтральными радикалами. Скорость травления возрастает с увеличением тока в магнитной катушке.

К барабану с подложками подводится мощность 4 кВт при частоте 5,28 МГц. Производительность установки подобного типа ( Трион ) составляет 150 подложек диаметром 100 мм в час при травлении Si02 толщиной 0,5 мкм. Магнитная система обеспечивает высокую равномерность травления - отклонение размеров не превышает ±5 %.

Системы с автономным источником ионов (АИИ) (рис. 5.8,<?) обладают следующими преимуществами: небольшое радиационное воздействие заряженных частиц и фотонов на обрабатываемые структуры в результате отделения рабочей камеры от источника ионов; значительно меньшее, чем в предыдущих методах, загрязнение подложек за счет устранения процессов обратной диффузии 84

и рассеяния, а также снижения отрицательного влияния остаточных газов при высоком вакууме в рабочей камере (менее Ю-3Па); возможность независимой регулировки угла падения, энергии и тока ионов, что позволяет контролировать и управлять профилем травления микроструктур; возможность наклона и вращения мишени с образцами, позволяющая повысить равномерность травления.

Установка с АИИ используется при травлении самых разных материалов. Ионизируемый инертный газ напускается через нате-катель в камеру ионного источника 16, в которой при давлении 0,1.. .1 Па между термокатодом и окружающим его цилиндрическим анодом 17 зажигается газовый разряд. Для увеличения эффективности ионизации на разрядный промежуток с помощью электромагнита накладывается аксиальное магнитное поле, которое заставляет электроны двигаться по циклоидным траекториям. Стенки анода находятся под высоким положительным потенциалом (до нескольких киловольт), что приводит к вытягиванию ионов и ускорению их системой из трех молибденовых сеток 18, обеспечивающих получение хорошо сколлимированного ионного пучка.

Из компенсатора объемного заряда 19, представляющего собой раскаленную вольфрамовую нить, в ионный пучок эмиттиру-ются электроны для нейтрализации заряда пучка, что позволяет проводить травление непроводящих материалов ускоренными нейтральными атомами 21. Плотность тока может достигать 5 мА/см2. С помощью поворотного столика 20, на котором размещены обрабатываемые подложки, можно регулировать угол падения ускоренных частиц.

По сравнению с другими системами ионного травления недостатком установок с АИИ является малое сечение ионных пучков. При стремлении к увеличению диаметра пучка возникает сложная задача обеспечения равномерной плотности ионного тока по всему сечению пучка. Существуют источники ионов типа Ион и Радикал , позволяющие получать ионный пучок диаметром 300 мм и больше.

Высокой надежностью, воспроизводимостью результатов, отсутствием дефектов структуры при травлении, возможностью удаления различных материалов, простотой управления характеризуется плазмохимический метод травления при повышенных (10... .. .100 Па) давлениях рабочего газа (рис. 5.8,е). В кварцевую трубу большого диаметра 27 помещается кассета 24 с подложками. В откачанную кварцевую трубу через специальное устройство 25 напускается рабочий газ. С помощью ВЧ-катушки 22 рабочий газ ионизируется, а с помощью перфорированной трубы 26, на которую подается небольшой потенциал, газовый разряд удерживается в зазоре между кварцевой и перфорированной трубами. Через отверстия в трубе 26 к подложкам проникают только незаряженные частицы - радикалы 23.