Введение к работе
. Актуальность.
Современное развитие различных областей науки и техники и в первую очередь: физики и химии конденсированного состояния, физики полупроводников и диэлектриков, физики тонких пленок, катализа, твердотельной электроники, полупроводникового машиностроения в значительной степени зависит от успехов в изучении состава, структуры и свойств поверхностных слоев твердых тел и в разработке способов целенаправленного модифицирования этих слоев как путем обработки с помощью пучков различных частиц (электронов, ионов, фотонов, нейтральных атомов и молекул, химически активных радикалов и т.д.), воздействием температуры или электромагнитного поля, так и нанесением тонкопленочньгх слоев с различным составом и структурой. Особое значение эти проблемы приобретают в связи с развитием технологий микроэлектроники и наноэлектроники.
Среди способов воздействия на поверхностные слои различных материалов в последнее время все более широко используется низкотемпературная плазма, позволяющая реализовать изменение состава, структуры и свойств поверхностных слоев путем обработки ионами с различной энергией и химической активностью, а также нанесением тонких слоев широкого спектра материалов с необходимыми свойствами. Фундаментальные исследования ряда ведущих научных школ в области получения и исследования свойств плазмы (С.В.Дресвин, Л.С.Полак, Д.И.Словец-кий, В.Д.Русанов, Б.С.Данилин, Г.Ф.Ивановский и др.) позволили разработать общие основы теории и практики взаимодействия плазмы с различного рода материалами. Однако разнообразие аппаратурных решений и тем более использование плазменных процессов для производства конкретных изделий ставят перед исследователями все новые и новые задачи. К моменту постановки данной работы практически не были исследованы закономерности структурных, субструктурных и фазовых изменений при обработке поверхности кремния в ВЧ индукционном поле и низкотемпературной плазме. С другой стороны, в настоящее время достаточно хорошо разработаны методы анализа состава и структуры тонких поверхностных слоев твердых тел: электронная спектроскопия, ультрамягкая рентгеновская спектроскопия, элект-
ронография, оптическая спектроскопия и т.д. Это позволяет провести комплексное исследование эффектов обработки поверхности и приповерхностных слоев кремния и гетерогенных структур на его основе в ВЧ индукционном поле и низкотемпературной плазме.
Цель работы и задачи исследования.
Цель работы - разработка физико-химичесхих основ технологических процессов обработки поверхности кремния и гетерогенных структур на его основе в ВЧ индукционном поле и низкотемпературной плазме для твердотельной электроники.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- разработать методики целенаправленного управления струк-
' турой и составом поверхностных слоев различных материалов под
воздействием ВЧ индукционного поля и низкотемпературной плазмы;
определить особенности начальной фазы плавления кремния и разработать процесс управляемого профилирования поверхности периферии монокристаллов;
установить закономерности генерации дислокаций при термообработке монокристаллов кремния в условиях радиального распределения температуры и изучить их влияние на субструктуру, оптические и электрофизические свойства кремния;
определить границы применимости плазмохимических методов обработки кремния и гетерогенных структур с точки зрения изменения элементного и фазового состава обработанной поверхности, ее структуры и основных электрофизических характеристик;
разработать способы минимизации негативных эффектов плазменной обработки поверхности кремния и гетерогенных структур на его основе; v
разработать физические принципы повышения эффективности плазменных методов, основанные на эффекте каталитической активации процессов плазмохимического травления;
разработать физико-химические основы и методики для целенаправленного формирования различных покрытий в ВЧ индукционной плазме атмосферного давления;
исследовать электрофизические свойства сформированных пленочных гетерогенных структур;
- определить возможности применения сканирующей туннельной микроскопии для анализа влияния ионных пучков на морфологию и структуру поверхностных слоев кремния.
Объекты и методы исследования.
В качестве основного объекта исследования использовался монокристаллический кремний, как основной материал современной электронной техники, наиболее изученный по составу, структуре и свойствам поверхностных слоев. Это позволяло достаточно определенно и достоверно утверждать о результатах влияния ВЧ индукционного поля и низкотемпературной плазмы на параметры поверхностных слоев: дефектность, наличие различных химических соединений и их проявление в свойствах.
Разработанные методики модифицирования поверхности проверяли на различных объектах: монокристаллы кремния, соединения типа А3В5, кварц, пленки диэлектриков, полупроводников и металлов.
Для анализа состава, структуры и свойств модифицированной поверхности различных материалов, изменения состава плазмы в процессе обработки поверхности конденсированных гетерогенных структур использовали комплекс методик: масс-спектро-метрия, Оже-спектроскопия, электронография, измерение вольт-фарадных характеристик МДП-структур, оптическая спектроскопия и спектрофотометрия, металлография, ультрамягкая рентгеновская эмиссионная спектроскопия, сканирующая туннельная микроскопия и др.
Научная новизна.
Разработаны новые физико-химические принципы целенаправленного воздействия на поверхностные слои монокристаллов кремния, управления структурой и составом слоев различных материалов с использованием ВЧ индукционного поля и низкотемпературной плазмы; предложены новые модели взаимодействия химически активной газоразрядной плазмы с поверхностью кремния и гетерогенных структур, установлены границы применимости плазменных методов для технологий твердотельной электроники с точки зрения изменения структурного, элементного и фазового состава поверхностных слоев.
Разработан комплекс новых способов модифицирования поверхности с субмикронным разрешением материалов электрон-
ной техники с различными свойствами: полупроводников, диэлектриков, металлов с использованием низкотемпературной плазмы различного состава и давления.
При этом обнаружены и исследованы следующие эффекты:
ориентированного канального проплавлення в алмазопо-добных полупроводниках, нагретых в ВЧ индукционном поле до состояния предплавления, предложена физическая модель пере-, распределения поля на структурных дефектах кристалла;
каталитической активации плазмохимического и радикального травления кварца под пленками серебра, разработаны физико-химические основы негативного каталитического плазмохи-мическое травления.
Практическая ценность и реализация результатов.
Исследования по теме диссертации проводились в соответствии с координационным планом АН СССР по направлению 2.21 "Физико-химические основы полупроводникового материаловедения", по грантам важнейших НТП Миннауки РФ и Минобразования РФ: "Перспективные материалы" и "Университеты России - фундаментальные исследования" в рамках важнейших НИР в ВГУ, по темам НИОКР совместно с ФТИ им.А.Ф.Иоффе (г.Санкт-Петербург), з-д "Электровыпрямитель" (г.Саранск), НИИЭТ и НИИПМ, НПО "Электроника" (г.Воронеж), НИИ ТЭЗ (г.Таллинн).
Полученные результаты имеют научное и практическое значение:
разработаны физико-химические основы взаимодействия низкотемпературной плазмы с поверхностными слоями твердых тел различной природы с целью модификации их состава, структуры и свойств;
предложено 20 принципиально новых способов модифицирования структуры и поверхности монокристаллов кремния, кварца и гетерогенных структур в ВЧ индукционном поле и плазме инертных и химически активных газов, которые защищены авторскими свидетельствами СССР на изобретения, патентами РФ и частично использованы при разработке новых технологий и изделий микро- и силовой электроники на перечисленных выше предприятиях;
разработаны принципиально новые способы и технологические регламенты получения пленок Si02, SixC Nz, SixCyOz в
7 плазме атмосферного давления, использованные при изготовлении силовых полупроводниковых приборов;
- разработаны способы и технологические режимы повышения эффективности плазмохимических методов травления, основанные на эффекте каталитической активации процесса серебром, позволяющие получить аномально высокие скорости обработки изделий из кварца.
На защиту выносятся:
-
Комплекс разработанных методов целенаправленного управления структурой и составом поверхностных слоев различных материалов твердотельной электроники на основе воздействия ВЧ индукционного электромагнитного поля и низкотемпературной плазмы.
-
Кинетические закономерности процесса плавления, профилирования и кристаллизации монокристаллов кремния в ВЧ индукционном электромагнитном поле.
-
Закономерности взаимодействия химически активной газоразрядной плазмы низкого давления с поверхностью различных по природе материалов, аппаратурная и технологическая реализация процессов плазмохимического травления.
-
Способы повышения эффективности и снижения экологической вредности плазменных методов травления, основанные на каталитической активации процесса.
-
Технология получения пленок SiC, SiO„ Si С N , Si С О с помощью высокочастотной низкотемпературной плазмы атмосферного давления.
-
Эффект ориентированного канального плавления и формоизменения алмазоподобных полупроводников при нагреве в ВЧ индукционном поле.
-
Эффект "негативного" каталитического плазмохимического и радикального травления Si02.
Личный вклад автора в диссертационную работу.
Автор теоретически обосновал и сформулировал большинство основных научных положений, изложенных в работе; осуществил постановку и реализацию основных экспериментов по целенаправленной модификации поверхности монокремния и гетерогенных структур с использованием различных методов воздействия; провел основные исследования по кристаллоструктур-
ным изменениям, электрофизическим, оптическим свойствам, элементному и фазовому составу; проделал анализ и обобщил полученные результаты, часть которых была использована на предприятиях электронной и электротехнической промышленности.
Апробация работы.
Основные результаты работы были представлены на 35 региональных, республиканских, всесоюзных, международных конференциях, семинарах, симпозиумах, в частности, на:
Всесоюзном семинаре "Внедрение новых методов и материалов для производства силовых полупроводниковых приборов", Запорожье, 1974 г.
V Всесоюзной конференции "Повышение эффективности
силовых полупроводниковых приборов" Таллинн, 1975 г.
IV Всесоюзной конференции "Взаимодействие атомных частиц с твердым телом", Харьков, 1976 г.
III Всесоюзном совещании "Дефекты структуры в полупро
водниках", Новосибирск, 1978 г.
Всесоюзном семинаре "Применение новых технологических методов и оборудования в производстве силовых полупроводниковых приборов", Кдджи-Сай, 1982 г.
IV Всесоюзном симпозиуме по плазмохимии, Днепропетровск,
1984 г. , .
VI Республиканском семинаре "Разработка, производство и
применение инструментальных материалов", Запорожье, 1990 г.
Международной конференции по электротехническим материалам и компонентам (МКЭМК-95), Москва, 1995 г.
X International Conference for Physics (ICPS'95), Copenhagen, Denmark 1995 r.
II и III Всероссийской конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог, 1995 г., 1996 г.
Международном семинаре "Рентгеновские и электронные спектры химических соединений", Воронеж, 1996 г.
17th International Conference Х-Ray and Inner-Shell Processes, Hamburg, Germany, 1996 r.
I Всероссийской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния, Москва, 1996 г.
Конференции "Структура и свойства кристаллических и аморфных материалов", Нижний Новгород, 1996 г.
11th European Conference On Solid-State Transducers "Eurosensors-XI", Warsaw, Poland, 1997.
Всероссийской научно-технической конференции "Современная электротехнология в машиностроении", Тула, 1997 г.
I и II Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика", Москва, 1996 г., 1997 г.
III Всероссийской конференции по физике полупроводников ("Полупроводники-97"), Москва, 1997 г.
I и II Конференции "Реализация региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного региона", Воронеж, 1996 г., 1997 г.
Публикации.
Основное содержание работы опубликовано в 22 научных статьях в центральной печати, вышедших отдельными брошюрами и в журналах:
"Известия АН СССР, сер. Неорганические материалы", "Журнал технической физики", "Физика и химия обработки материалов", "Поверхность. Физика, химия, механика", "Электронная обработка материалов", "Перспективные материалы", "Электронная техника", "Известия вузов. Сер. Электроника".
Новизна разработанных технических решений подтверждается 15 авторскими свидетельствами СССР на изобретения и 5 патентами РФ.
Общее число публикаций по теме диссертации - 81.
Ссылки в тексте на цитируемую литературу имеют индекс
"Ц", ссылки на опубликованные работы автора приведены без
индекса. ' "
Похожие диссертации на Высокочастотная индукционная и плазменная обработка кремния и гетероструктур
