Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Модификация прибора, создающего высоко вольтный газовый разряд для решения задач очистки поверхности подложек 11
1.1 Анализ приборов, формирующих высоковольтный газовый разряд 12
1.2 Исследование механизмов формирования низкотемпературной плазмы высоковольтным газовым разрядом 16
1.3 Модификация конструкции высоковольтного газоразрядного прибора 22
Глава 2 Создание метода и прибора для трибомет рического контроля чистоты поверхности 33
2.1 Анализ методов контроля чистоты поверхности диэлектрических подложек 34
2.1.1 Метод спектроскопии многократно нарушенного полного внутреннего отражения 34
2.1.2 Метод измер ения контактной разности потенциалов 36
2.1.3 Методы контроля качества очистки по смачиваемости поверхности подложки 37
2.1.4 Трибометрический метод контроля 40
2.2 Модификация трибометрического прибора для измерения чистоты поверхности диэлектрических подложек 43
2.3 Исследование режимов работы и параметров трибометрического прибора контроля чистоты поверхности подложек диоксида кремния 54
2.4 Определение критерия оценки технологически чистой поверхности...64
2.5 Исследование процесса трибометрического воздействия подложки-зонда на структуру контролируемой поверхности 67
2.6 Методика контроля чистоты поверхности диэлектрических подложек трибометрическим методом 69
Глава 3 Разработка методики очистки поверхности диоксида кремния от органических загрязнений 72
3.1 Анализ методов очистки поверхности подложек 72
3.1.1 Химическая очистка 73
3.1.2 Лазерная очистка 75
3.1.3 Очистка с использованием низкотемпературной плазмы 76
3.2 Исследование механизмов формирования свойств поверхности 78
3.3 Анализ структуры молекулы органического загрязнения 83
3.4 Методика приготовления исходных образцов диоксида кремния с заданной степенью загрязнения 87
3.5 Исследование механизма очистки поверхности диоксида кремния в плазме высоковольтного газового разряда 93
3.6 Методика оценки остаточной концентрации органических загрязнений на поверхности диоксида кремния 97
3.7 Исследование зависимости остаточной концентрации органических загрязнений от физических факторов процесса очистки 101
3.8 Методика финишной очистки поверхности диоксида кремния в плазме высоковольтного газового разряда 107
Заключение 114
Список использованных источников 116
Приложение 136
- Исследование механизмов формирования низкотемпературной плазмы высоковольтным газовым разрядом
- Модификация трибометрического прибора для измерения чистоты поверхности диэлектрических подложек
- Исследование механизмов формирования свойств поверхности
- Исследование механизма очистки поверхности диоксида кремния в плазме высоковольтного газового разряда
Введение к работе
Диссертация посвящена созданию методов и приборов анализа степени чистоты поверхности диоксида кремния и ее повышения в плазме высоковольтного газового разряда.
Актуальность проблемы. Диоксид кремния - материал, широко используемый для создания элементов микроэлектроники и дифракционной оптики. Технология изготовления таких элементов требует высокой прецизионности параметров чистоты поверхности подложек, т.к. даже незначительное их отклонение способно привести к существенному искажению величины адгезии маскирующих слоев, появлению горизонтальной составляющей скорости травления микропрофиля.
Ионно-плазменная очистка поверхности подложек от органических загрязнений низкотемпературной плазмой высокочастотного (ВЧ), сверхвысокочастотного (СВЧ), магнетронного, тлеющего и др. типов разрядов, подробно рассмотренная в работах Орликовского А.А. (1985), Рябый В.А. (1986 г.), Данилина Б.С. (1987 г.), Kaufinan H.R. (1991 г.), Моисеева О.Ю. (2000 г.), Волкова А.В. (2002 г.), Фареника В.И. (2004 г.), Кагадея В.А. (2005 г.), Рязанцева С.С. (2006 г.), показала наличие проблем: обеспечения подавления неустойчивости плазмы; применения сложных систем при генерации широкоформатных потоков плазмы с равномерным распределением частиц по их сечению; удержания быстрых электронов в широкоапертурном полом катоде и генерации эмитирующей ионы плазмы в анодной полости. Перечисленные задачи решены Sittsworth J.A., Wendt А.Е. (1996 г.), Uedo Yoko, Muta Hiroshi, Kawai Yoshinobu (1999 г.), Korzec D., Werner R, Winter R. (1996 г.), путем увеличения конструктивной сложности и энергоемкости генераторов низкотемпературной плазмы. Однако это не позволило устранить общий для них недостаток - эффект загрузки. Таким образом, сохраняется потребность в приборе и методе формирования потоков плазмы с равномерным распределением частиц по их сечению и независимыми от обрабатываемой поверхности параметрами.
Анализ работ Вагнера И.В. (1972 г.), Комова А.Н. (1984 г.) показывает, что для финишной очистки поверхности подложек наиболее целесообразно использовать низкотемпературную плазму, получаемую высоковольтным газовым разрядом (ВГР). В данном случае с поверхностью подложки взаимодействуют только отрицательно заряженные частицы, плазма формируется в виде направленного потока за пределами электродов, что позволяет устранить эффект загрузки, упростить конструкцию и условия эксплуатации прибора. В процессе эксплуатации прибора обнаружено, что его конструкция не обеспечивает стабильности параметров высоковольтного разряда. Причиной
нестабильности являются электрический пробой в системах катод - анод, высоковольтные кабель и ввод электропитания.
С другой стороны, решение задачи получения технологически чистой поверхности связано с необходимостью использования методов и приборов экспресс-контроля чистоты поверхности подложек. В работах Перескоковой АЛ. (1979 г.), Полтавцева Ю.Г. (1990 г.), Волкова А.В. (1992 г.), Колпакова А.И. (1993 г.), Моисеева О.Ю. (2000 г.), Бородина С.А. (2006 г.) приведены описания приборов и методов, требующих применения в процессе измерения специальной технологической операции очистки поверхности зонда-индентора, а для калибровки параметров прибора - подложек с эталонным загрязнением поверхности. К недостаткам перечисленных методов следует отнести возможность проведения измерения только конкретного типа загрязнений на исследуемой поверхности, ее загрязнение в процессе контроля, нестабильность показаний приборов. Следовательно, существует проблема создания прибора и метода неразрушающего экспресс-контроля чистоты поверхности, не требующих специальных операций калибровки прибора и очистки поверхности зонда-индентора.
Таким образом, в отечественной и зарубежной литературе отсутствуют сведения о результатах теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих устранить проблему нестабильности параметров высоковольтного газоразрядного прибора (ВГП), механизмах взаимодействия частиц плазмы ВГР с поверхностью диэлектрических подложек, покрытой органическими загрязнениями; методах, приборах очистки и экспресс-контроля чистоты поверхности подложек, свободных от вышеперечисленных недостатков.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является создание методов анализа и формирования технологически чистой поверхности диоксида кремния на основе модификации приборов: формирующего высоковольтный газовый разряд и обеспечивающего неразрушающий экспресс-контроль чистоты поверхности подложек.
В соответствии с поставленной целью определены и основные задачи диссертации, а именно:
Создание модифицированного прибора, формирующего широкоапер-турный поток плазмы высоковольтным газовым разрядом для решения задач очистки поверхности диоксида кремния.
Создание метода и прибора, обеспечивающих неразрушающий экспресс-контроль чистоты поверхности подложек.
Разработка метода оценки концентрации органических загрязнений на поверхности диоксида кремния при их взаимодействии с частицами плазмы высоковольтного газового разряда (ПВГР).
Экспериментальное исследование зависимости поверхностной концентрации органических загрязнений от физических факторов процесса очистки в ПВГР.
Разработка метода финишной очистки поверхности диоксида кремния широкоапертурным потоком ПВГР.
Научная новизна. При выполнении настоящей диссертационной работы впервые:
Предложен метод оценки. чистоты поверхности подложки на основе связи концентрации органических загрязнений на поверхности диоксида кремния с параметрами работы высоковольтного газоразрядного прибора (ускоряющим напряжением, током разряда, длительностью процесса очистки).
Экспериментально исследованы зависимости остаточной концентрации органических загрязнений на поверхности диоксида кремния от физических факторов процесса очистки: ускоряющего напряжения 0,3 dJ^ кВ, тока разряда 0,2
Обнаружена связь коэффициентов трения скольжения и покоя для технологически чистой поверхности, на основе которой разработаны метод и прибор неразрушающего экспресс-контроля чистоты поверхности подложек.
Экспериментально исследованы механизмы трибометрического взаимодействия подложек диоксида кремния, определены рабочие диапазоны параметров прибора: угла между подложками 0=4-6, угла между исследуемой поверхностью и горизонтальной плоскостью се=30-60.
Практическая ценность результатов работы определяется следующим:
Предложен модифицированный прибор, обеспечивающий стабильность параметров высоковольтного газового разряда, за счет введения в его конструктивные узлы эффективных элементов защиты от высоковольтного пробоя: в систему анод-катод - фторопластовой прокладки с проточкой, проточки в изолятор катода, заливаемой диэлектрической жидкостью; высоковольтного кабеля с изолирующей оболочкой, стабилизирующими дисками, разделительными элементами, залитыми вакуумностойкой диэлектрической жидкостью.
Определены скорости травления органических загрязнений на поверхности диоксида кремния в ПВГР для соответствующих значений параметров технологического процесса.
Предложен метод формирования технологически чистой поверхности диоксида кремния в ПВГР: ускоряющее напряжение U=l,2 кВ; ток разряда 1=3 тА; длительность процесса очистки t=10 с.
Разработан трибометрический прибор неразрушающего экспресс-контроля чистоты поверхности подложек, использующий в качестве критерия оценки степени чистоты коэффициент трения скольжения;
Определен режим контроля чистоты поверхности, при котором для технологически чистой поверхности обеспечивается выполнение равенства Ц = МтР.п, позволяющее осуществлять калибровку прибора,
используя справочные значения Мтр.„ в качестве критерия
соответствия поверхности - эталонной. Практическая значимость результатов диссертационной работы подтверждается их внедрением в производство:
1. ОАО "Олимп", г. Светловодск, Кировоградская область, Украина
при изготовлении гибридных интегральных микросхем,
используемых в производстве цифровых станций тропосферной связи.
2. ФГУП НИИ "Экран", г. Самара при изготовлении пленочных
элементов гибридных интегральных микросхем, используемых в
производстве спецаппаратуры.
Модифицированный, высоковольтный газоразрядный прибор,
метод очистки поверхности диэлектрических подложек и трибомет
рический прибор экспресс-контроля их чистоты внедрены в
учебный процесс специальности 210201 "Проектирование и
технология радиоэлектронных средств" Самарского
государственного аэрокос-мического университета имени академика СП. Королева.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Метод оценки поверхностной концентрации органических загрязнений, удаляемых ПВГР.
Экспериментально установленные зависимости остаточной концентрации органических загрязнений на поверхности диоксида кремния от физических параметров процесса очистки: ускоряющего напряжения 0,3 <5 кВ, тока разряда 0,2
Метод очистки поверхности диоксида кремния в плазме высоковольтного газового разряда.
Модифицированный прибор, формирующий высоковольтный газовый разряд и обеспечивающий стабильность параметров плазмы в процессе очистки поверхности диоксида кремния.
Трибометрический метод неразрушающего экспресс-контроля чистоты поверхности подложек на основе связи коэффициентов трения скольжения и покоя для технологически чистой поверхности.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и
симпозиумах: "ТРИБОЛОГ-9М" с международным участием
"Направления развития методологии и средств испытания и диагностики
трибообъектов", Москва-Рыбинск-Ростов, 1992 г.; 11-ой Международной
научно-технической конференции "Актуальные проблемы
фундаментальных наук", г. Москва, 1994 г.; Международной научно-технической конференции "Перспективные технологии в средствах передачи информации", г. Владимир, 1995 г.; Научной конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем", Пенза, 1997 г.; П-м Международном симпозиуме "Аэрокосмические приборные технологии", Санкт-Петербург, 2002 г.; International conference "Micro- and nanoelectronics-2005", Moscow (Zvenigorod), 2005 г.; Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций", Самара 2006 г., 2007 г.; Всероссийской научно-технической конференции "Методы создания, исследования материалов, приборов и экономические аспекты микроэлектроники", Пенза, 2006 г.; VII, VIII международной научно-технической конференции "ABIA", Киев, 2006 г., 2007 г. Результаты работы докладывались на научных семинарах Института систем обработки изображений РАН, кафедр технической кибернетики и электронных систем и устройств СГАУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 8 статей, из них 8 - в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией, 7 тезисов докладов на научно-технических Международных и Всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах, 2 патента на изобретения.
Объем и структура диссертации.
Исследование механизмов формирования низкотемпературной плазмы высоковольтным газовым разрядом
Высоковольтный разряд в газе является аномальной разновидностью тлеющего разряда, т.к. в нем расстояние между катодом и анодом выполняют меньше темного астонового пространства тлеющего разряда, следовательно, ионизация атомов остаточного газа может происходить, только если в аноде выполнить отверстие. Присутствие сквозной полости в аноде приводит к неоднородному распределению электрического поля в системе катод-анод и за пределами электродной системы газоразрядного прибора. В результате этого формируются зоны с прямолинейными (рис. 1.4, поз.1) и криволинейными участками (рис. 1.4, поз.2) силовых линий [49,61].
Согласно [34] движение иона осуществляется строго по силовой линии электрического поля, в то время как электрон при ее изгибе срывается и переходит на прямолинейный участок соседней силовой линии. Поэтому траектории движения ионов и электронов на прямолинейных участках совпадают, а на криволинейных — не совпадают. Однако основное условие возникновения и самоподдержания высоковольтного разряда [62] требует: положительный ион, образуемый при взаимодействии электрона с атомом рабочего газа, должен прийти в точку вылета соответствующего ему электрона. Данное условие выполняется только в зоне с прямолинейным участком силовых линий и определяет лавинообразный механизм генерации потоков электронов и ионов. Иначе говоря, механизмы возникновения и самоподдержания ВГР описываются неравенством yQ l, где у и Q- среднее число электронов, выбиваемых одним положительным ионом с поверхности катода и число ионов, образуемых электроном на 1 см своего пути, соответственно [62]. Следует также отметить, что поскольку процессы ионизации протекают на расстоянии, превышающем размеры промежутка анод-катод, то образование потока плазмы происходит за его пределами. Причем в криволинейной зоне силовых линий поля плазмы не образуется, что позволяет сформировать поток плазмы с четкими границами, наблюдаемыми визуально (рис. 1.5).
Известно [34,55], что для высоковольтного разряда механизмами ионизации атомов рабочего газа положительными ионами (/? - процесс) и эмиссией электронов с поверхности катода - посредством поверхностной ионизацией оптическим излучением (S - процесс) можно пренебречь. Поэтому основными механизмами образования потоков отрицательно заряженных частиц в плазме высоковольтного разряда являются процессы объемной ионизации газа электронами (а - процесс) и эмиссии электронов из материала катода под действием положительных ионов (у - процесс).
Прекращение этих процессов в системе анод-катод вне области сквозного отверстия в аноде достигалось выбором расстояния между ними dT, причем dT Хе, где Хе - длина свободного пробега электрона. Численное значение dy задается величиной Хе при давлении Р = 12,ЗЗПа, соответствующем середине диапазона рабочих давлений, при которых может существовать ВГР 4,66...20 Па [55]. В этом случае dT равно 2,7 мм [63].
Возникновение газового разряда в области прямолинейных участков силовых линий поля приводит к фокусировке потока плазмы (см. рис. 1.1 а), что визуально наблюдается по соответствию геометрических размеров распыляемого ионами участка катода в виде ямок пирамидальной формы и формы отверстий ячеек сетки анода (рис. 1.6). Как видно из характера кривизны ямок (см. рис. 1.6 поз.1), максимальное распыление материала катода наблюдается в центре пятна, что соответствует максимальному сгущению силовых линий. По краям участка распыления видны области, покрытые пленкой загрязнений (поз. 2), находящихся также в царапинах [64,65], хорошо наблюдаемых на рис. 1.6 а,б (поз. 3). Взаимодействие поверхности катода, выполненного из алюминия, с атмосферой воздуха приводит к образованию оксидной пленки. Следовательно, в области пятен распыления образуется неоднородная структура, состоящая из участков поверхности катода с нарушенной кристаллической решеткой, покрытых оксидной пленкой и загрязнениями.
Данная структура является источником нестабильности параметров газового разряда, что хорошо подтверждается результатами исследований вольт-амперных характеристик (ВАХ) разряда и зависимости потенциала зажигания разряда от давления, представленных на рис. 1.7 а,б. Действительно, характер кривых 1, 2, 3 (см. рис 1.7 а) изменяется с уменьшением давления, наблюдается сдвиг ВАХ в область более высоких напряжений, что можно объясняется уменьшением концентрации частиц в потоке плазмы.
Модификация трибометрического прибора для измерения чистоты поверхности диэлектрических подложек
Для устранения недостатков, характерных прибору ИЧ-2, в настоящей работе предложено осуществить модификацию метода и прибора путем: -измерения не коэффициента трения покоя, а коэффициента трения скольжения; -замены специального зонда-индентора на идентичную контролируемой подложку-зонд; -замены электромагнитной силы притяжения якоря катушки индуктивности, воздействующей на зонд-индентор, на силу тяжести. Это значительно упростило как конструкцию устройства, так и процесс измерения чистоты поверхности подложек [83 ,84 ,85,86 ] и позволило исключить влияние на процесс измерения скорости скольжения подложки-зонда по исследуемой поверхности сил трения движущихся механических узлов прибора и, следовательно, уменьшить погрешность измерения концентрации загрязнений на поверхности подложек. Кроме этого сравнительный анализ атомных связей, возникающих при взаимодействии поверхностей зонда-индентора и подложки-зонда с исследуемой поверхностью показывает, что использование в качестве критерия чистоты поверхности коэффициента трения скольжения позволяет минимизировать величину давления оказываемого подложкой-зондом на контролируемую подложку в области их контакта, осуществляя измерение электронных связей непосредственно между атомами, загрязняющими данные поверхности (см. рис. 2.4 и рис. 2.6). Кроме того в последнем случае минимизируется когезионная составляющая трибометрического взаимодействия, возникающая за счет деформационных процессов микрорельефа взаимодействующих подложек, атомы которых связываются ковалентными связями, и увеличивается адгезионная составляющая, несущая информацию о загрязнениях, связанных с поверхностью, в основном, силами Ван-дер-Ваальса [80]. Измерение происходит на участке AjB (см. рис. 2.5) и погрешность, обусловленная величиной AF, устраняется.
Внешний вид разработанного прибора (трибометра), реализующего метод измерения коэффициента трения скольжения, представлен на рис. 2.7 [83\84 ].
Особенностью модифицированного метода является использование в качестве критерия чистоты поверхности подложек коэффициента трения скольжения двух подложек, прошедших операцию очистки в одинаковых условиях. Это устранило необходимость применения специальных технологий и материалов для формирования эталонной поверхности измерительного зонда [27]. Для обеспечения возможности использования одной из контролируемых подложек в качестве зонда в настоящей работе разработана конструкция подложкодержателеи, обеспечивающих контакт полированных поверхностей исследуемых подложек в точке. Схема расположения подложек в устройстве подложкодержателеи представлена на рис. 2.8. а,б.
Принцип измерения заключается в том, что подложку, на поверхности которой необходимо измерить концентрацию атомов и молекул загрязнений, помещают в подложкодержатель, имеющий с осью абсцисс некоторый угол а. Конкретная величина этого угла определяется суммой масс подложкодержателя подложки-зонда и подложки-зонда, задающих величину силы тяжести, определяющей процесс скольжения подложки-зонда. После этого подложку-зонд помещают в ее подложкодержатель, поверхность которого составляет с поверхностью исследуемой подложки угол (3=4-10 [85], обеспечивающий их взаимодействие в точке. Численные значения углов аир определялись угломером типа УН, предназначенным для измерения наружных и внутренних углов деталей с ценой деления, равной 2 мин. Систематические относительные погрешности составили Аа =0,11 % и Ар = 0,83%, соответственно. Конструктивные размеры подложкодержателя подложки-зонда определяются размерами контролируемых подложек.
В исходной позиции подложкодержатель подложки-зонда перемещается в самую высокую часть исследуемой поверхности и закрепляется с помощью фиксатора штанги. Далее осуществляется контакт рабочей поверхности подложки-зонда с исследуемой подложкой, т. е. образуется точка их трибометрического взаимодействия. В той же позиции происходит фиксация точки отсчета путем попадания луча света, формируемого светодиодом через отверстие в металлическом диске на поверхность фотодиода. Для формирования импульсов, измеряющих скорость скольжения подложки-зонда т в этом диске по окружности радиусом 160 мм, выполнены 10 отверстий диаметром 1 мм и на расстоянии 1 мм друг от друга. С целью уменьшения инструментальной систематической погрешности прямого измерения величины т контроль диаметра отверстий и расстояния между ними осуществлялся с помощью микрометра типа МК мод 102 (ГОСТ 6507-90) с ценой деления 0,01 мм. Относительные погрешности составили Ad = 1% и А/ = 1 %, соответственно. Кроме этого все конструктивные элементы, формирующие измерительные импульсы, закрыты светонепроницаемой крышкой и жестко закреплены: светодиод и фотодиод — на крышке; металлический диск — на штанге крепления подложкодержателя подложки-зонда.
Исследование механизмов формирования свойств поверхности
Свойства поверхности подложек определяются концентрацией адсорбируемых ею атомов и молекул. В связи с этим различают атомарно чистые и технологически чистые поверхности. В первом случае поверхность, не содержащую чужеродных атомов, получают в условиях сверхвысокого вакуума ионной бомбардировкой, высокотемпературным отжигом, раскалыванием монокристалла и др. [4,5,6]. Для атомарно чистой поверхности скорость травления микрорельефа одинакова по всей границе раздела маска-подложка и искажения геометрических параметров микроструктур после проведения процесса травления должны отсутствовать. Технологически чистой поверхностью называют поверхность, которая обладает определенным комплексом физико-химических свойств и содержит такое количество атомов адсорбата, которое не влияет как на рабочие характеристики, формируемых на ней приборов, так и на проведение последующих при изготовлении приборов технологических операций. Анализируя состав загрязнений на поверхности подложек, можно классифицировать их на следующие группы: 1. Поступающие на поверхность подложки из окружающей среды. 2. Формируемые при взаимодействии с технологическими инструментами и оседающие на поверхность в форме остатков кислот, щелочей, растворов и других технологических материалов. 3. Поступающие на поверхность подложки непосредственно в рабочей камере перед операцией травления, например, атомы органических молекул, присутствующих даже в высоковакуумной среде установок безмасляной откачки или пары вакуумного масла, распространяющиеся из системы откачки предварительного вакуума в установках типа УВН [2,132,133]. Некоторые из атомов и молекул 1 и 2 групп загрязнений способны осуществить хемосорбцию, т.е. создать прочную связь с атомами поверхности. Для удаления большинства загрязнений в настоящее время хорошо отработаны технологии «мокрого» и «сухого» травлений [4,5,6,10, 12,13,25,26,54,99]. Поэтому, например, при применении стандартной технологии химической отмывки их большая часть удаляется с поверхности подложки. Часть атомов и молекул загрязнений второй группы при финишной очистке требуют для их удаления применения в технологических процессах дорогостоящих плазмохимических и ионно-химических установок [7,25,26,35,36,37,40]. Третья группа загрязнений является наиболее трудноудалимой, т.к. формируется на поверхности подложки в виде мономолекулярных слоев непосредственно в процессе набора вакуума в рабочей камере. С точки зрения сложности удаления загрязнений наибольший интерес представляют вакуумные системы установок типа УВН-2М-1, широко применяемых в микроэлектронной промышленности. В них содержатся форвакуумный и диффузионный насосы с масляной откачкой. Основной вклад в этом случае вносят пары рабочей жидкости, потоки которых при использовании минерального масла ВМ-1 достигают 0,5 мкг/ч-см2 [2,132]. Поэтому в настоящей работе в качестве вещества, моделирующего органические загрязнения, использовалось вакуумное масло ВМ-1, свойства которого хорошо известны. Для выяснения механизма распределения молекул в таких потоках в процессе откачки объема рабочей камеры вакуумной установки исследуемые подложки помещались на карусель (позиции /, II, III, IV) (см. рис. 3.1). Величину адсорбции молекул вакуумного масла на поверхность исследуемых подложек регулировали изменением длительности процесса набора вакуума механическим насосом до давления 3,5 Па, а диффузионным - до 3,99-10"3 Па. Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 3.2, причем значения чистоты поверхности измерялись по методике, изложенной в работе [134 ]. Т. мин Из кривых 1, 2, 3, 4 видно, что для технологически чистых подложек, прошедших химическую очистку поверхности, характерен значительный рост степени загрязнения в диапазонах Т 5 мин (кривая 1,2), Т 5,4 мин (кривая 3) и Т 7 мин (кривая 4), обусловленный, по-видимому, адсорбцией атмосферных углеводородов, находящихся внутри вакуумной камеры и молекул вакуумного масла, поступающих за счет их обратного потока из механического и диффузионного насосов. Уменьшение показаний для кривых 2,3,4 в дальнейшем говорит о десорбции с поверхности подложки данных молекул. Неравномерность потоков молекул вакуумного масла из системы откачки определяет разную степень их воздействия на процесс загрязнения подложек в зависимости от расположения последних на карусели (поз. IJIJIIJV см. рис. 3.1,). Это следует из того, что подложки, расположенные на основании карусели 2, т.е. вне прямого воздействия обратных потоков вакуумного масла, за два часа вакуумной откачки загрязнялись в 1,6 раза меньше, чем на поверхности карусели. Следовательно, можно сделать вывод: основным загрязнением в рабочей камере установки УВН-2М-1 является продукт откачной системы - вакуумное масло. Подложки, находящиеся на позиции 7/ карусели и достигшие уровня загрязнения, соответствующего Т=5 мин, подвергались бомбардировке частицами потока ПВГР в режиме: ток разряда 1=1 ОмА; напряжение на электродах U= 1,2 кВ; время обработки t= 10 с (рис. 3.2, кривая 1). Характер изменения кривой 1 показывает, что бомбардировка поверхности подложки частицами плазмы осуществляет ее эффективную очистку от молекул вакуумного масла. Причем исследуемая поверхность при Т 5 мин загрязняется незначительно, не более чем на 3 %. Таким образом, анализ результатов исследований позволяет сделать следующие выводы: 1. Загрязнение поверхности подложек в рабочей камере вакуумной установки определяется распределением обратного потока вакуумного масла из системы вакуумных насосов. 2. Основное загрязнение происходит за первые 5 минут откачки механическим насосом; в дальнейшем происходит десорбция атомов и молекул органических загрязнений.
Исследование механизма очистки поверхности диоксида кремния в плазме высоковольтного газового разряда
Механизм очистки поверхности диоксида кремния в ПВГР определяется совокупностью свойств поверхности (ее составом и количеством загрязнений) и параметрами частиц плазмы. Перечисленные составляющие обуславливают наличие и скорость протекания физических и химических реакций при взаимодействии плазмы с поверхностью подложки. Состав и параметры частиц в свою очередь зависят от режимов работы ВГП, которые при проведении исследований изменялись в диапазонах: ускоряющее напряжение 0-5 кВ, ток разряда 0-10 мА, длительность облучения 5-180 секунд. Диапазоны изменения тока разряда и ускоряющего напряжения выбирались из условий обеспечения минимального нагрева подложки диоксида кремния и исключения дефектообразования на ее поверхности.
Согласно [55,56] в ПВГР в направлении облучаемой поверхности осуществляют движение только отрицательно заряженные частицы. Если рабочим газом является воздух, состоящий из 78% азота и 21% кислорода, то такими частицами будут отрицательные ионы кислорода и электроны. Положительные ионы азота двигаются в этом случае в направлении катода газоразрядного прибора, взаимодействуя с атомами остаточного газа и его поверхности. При высоких давлениях газа в рабочей камере на поверхности подложки всегда присутствует слой адсорбированных нейтральных молекул NO, N20, N02, образованных в результате взаимодействия ионов кислорода, азота [4,143 ] и молекул N2, 02. Из работы [34] известно, что заряженная частица, проходя расстояние от анода до поверхности подложки, теряет свою энергию при упругих и неупругих (акты ионизации) столкновениях с нейтральными атомами. Причем, основные потери энергии обусловлены именно неупругими столкновениями. Однако согласно данным работы [56] при ускоряющих напряжениях на электродах ВГП в диапазоне 0,5 U 1 кВ отрицательно заряженные ионы кислорода, несмотря на данные потери части своей энергии, достигают поверхности подложки с энергиями, достаточными для протекания процесса удаления загрязнений по механизму плазмохимического травления (ПХТ), описанного в работах [54,143]. Под действием ионной бомбардировки нейтральные молекулы NO, N20, N02, N2, 02 диссоциируют на поверхности подложки с образованием положительных ионов азота, начинающих свое движение по силовым линиям электрического поля в сторону катода, и радикалов кислорода, которые активно взаимодействуют со свободными поверхностными связями углеводородов молекул вакуумного масла. Окисление загрязнений на поверхности подложки носит цепной характер и протекает по следующей схеме [4]:
где R и і?-фрагменты и радикалы молекул органических загрязнений; R и R"-радикалы, производные от R, образующиеся в процессе разложения молекул загрязнений. В результате реакций подобного рода происходит разложение пленки органических загрязнений на отдельные фрагменты с небольшой молекулярной массой и последующее окисление этих фрагментов с образованием газообразных соединений СО, СО?, а также паров воды Н20.
При ускоряющих напряжениях свыше U 1 кВ энергия иона кислорода становится достаточной для физического распыления молекул вакуумного масла. При этом, наряду с распылением, так же как и в предыдущем случае, происходит удаление молекул вакуумного масла и за счет химических реакций, т. е. имеет место ионно-химическое травление (ИХТ) [56,144]. Однако следует отметить, что экспериментальные зависимости температуры подложки от режимов облучения потоком заряженных частиц (см. рис. 3.12) показывают, что даже в максимальных режимах: ток разряда 10 мА, ускоряющее напряжение 3 кВ, длительность облучения 50 секунд, температура подложки не превышает 360 К. Как следует из работы [4] при данной температуре и ниже энергии адсорбированных нейтральных молекул на поверхности недостаточно для термодесорбции. В то же время химические реакции данных соединений с молекулами вакуумного масла без дополнительной их активации не протекают.
Механизм ионно-химического травления загрязнений отличается тем, что нейтральные молекулы NO, N20, N02, N2, 02 являются источниками образования химически активных радикалов кислорода.
Таким образом, кроме механизма ИХТ, описанного в работах [56, 144], удаление загрязнений будет происходить за счет механизмов ионно-стимулированного радикального травления (ИСТ) и электронно-стимулированного радикального травления (ЭСТ). Тогда основными процессами взаимодействия низкотемпературной плазмы с поверхностью подложки, приводящими к удалению органических загрязнений являются: физическое распыление отрицательными ионами кислорода; химическое травление отрицательными ионами кислорода; химическое травление радикалами кислорода, образованными за счет диссоциации нейтральных молекул вследствие их ионной бомбардировки отрицательными ионами кислорода; химическое травление радикалами кислорода, образованными за счет диссоциации нейтральных молекул вследствие их электронного удара.
