Федеральноеагентство по образованию
Государственноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования
Тульскийгосударственный университет
Кафедрарадиоэлектроники
Устройствафункциональной электроники
Выполнила:Жуковская М.А.
гр.151371
Проверил:Миронов М.М.
2011г.
Содержание
Глава1. Физико-химические основы зарождения и роста новой фазы
1. Анализгомогенного и гетерогенного зарождения новой фазы
2. Влияниетехнологических факторов зарождения новой фазы на структуру пленок
3. Ростпленок. Эпитаксия
4. Химическийрост эпитаксиальных пленок
Глава2. Физико-химические основы поверхностных процессов
1. Термодинамикаповерхностных процессов
2. Адсорбционныепроцессы на поверхности твердых тел
3. Факторы,влияющие на адгезию
4. Процессыочистки, промывки и пропитки поверхности
5. Электрофизическиехарактеристики соприкасающихся поверхностей и границ раздела слоев
Глава1. Физико-химические основы зарождения и роста новой фазы
1.Анализ гомогенного и гетерогенного зарождения новой фазы
Пленкиметаллов, диэлектриков и полупроводников, осажденные на различные поверхности,используют в электронной аппаратуре как функциональные элементы резисторов,конденсаторов, транзисторов, ИМС, ПП, а также различных приборов наакустических поверхностных волнах и магнитных доменах, с зарядовой связью и др.Кроме того, пленки применяют при изготовлении покрытий, обеспечивающих высокиепотребительские (эстетические) качества РЭА.
Механизмпроцессов зарождения и роста пленок во многом определяет их кристаллическуюструктуру, а следовательно, и электрофизические, физико-химические,механические и эстетические свойства. Поскольку большинство ТП производства РЭАсвязано с осаждением или растворением пленок, необходимо рассмотретьфизико-химические основы процессов зарождения и роста пленок новой фазы.
Пленкикак элементы РЭА создаются на поверхности подложек при взаимодействии этихповерхностей с потоком частиц осаждаемых веществ. Результатом такоговзаимодействия является появление новой фазы на поверхности подложки (пластины,детали, платы).
Потокичастиц могут иметь различный характер: молекулярные или ионные направленныепучки, потоки газовой и жидкой сред, движущиеся по законам газо- игидродинамики, а также диффузионные потоки частиц. Процессы зарождения новойфазы могут протекать на границах различных фаз: жидкость — твердое тело, газ(пар) – твердое тело, твердое тело — твердое тело, композиционные пасты —твердое тело, жидкость — пар (газ).
Молекулярныйпучок формируется, например, при испарении вещества. Этот пучок, достигаяповерхности конденсации (подложки), имеющей температуру значительно нижетемпературы испарения, конденсируется на ней, образуя пленку. Если температураконденсации (подложки) ниже температуры плавления вещества, то сначалаобразуются зародыши твердой фазы, а затем и сама твердая пленка. Если температураконденсации близка к температуре плавления вещества или выше ее, то формируетсяжидкая пленка. Однако в любом случае исходным материалом для создания пленкиявляется поток частиц (молекул или атомов) от испарителя к подложке. Энергияэтих частиц практически равна энергии испарения вещества.
Внастоящее время существуют две теории гетерогенного образования зародышейконденсированной фазы: термодинамическая (макроскопическая) Гиббса — Фольмера икинетическая (микроскопическая) Френкеля — Родина. Первая исходит из условийтермодинамического равновесия в системе пар (газ) — зародыш — подложка, В нейиспользуются такие термодинамические понятия, Как свободная и Поверхностнаяэнергии, степень перенасыщения и др. Такой подход оправдан при небольшихперенасыщениях пара, когда критический зародыш состоит из большого числаатомов, а следовательно, к нему применимы термодинамические законы. Однако вомногих реальных процессах, когда степень перенасыщения велика (108—1040),критический зародыш оказывается состоящим из одного атома. Описыватьтермодинамическими уравнениями столь малые агрегаты нельзя. В таком случаевозможен лишь кинетический подход. Поэтому далее рассмотрены обе теориигетерогенного образования зародышей.
Еслипоток частиц J формируется за счетобразования ионной плазмы при катодном или другом каком-либо способераспыления, то этот поток имеет сложный состав (включая нейтральные атомы, ионыи электроны в различных пропорциях). Так как энергии этих частиц могутотличаться друг от друга, то и характер их взаимодействия с поверхностьюподложки будет различным, что скажется на механизме зарождения и роста пленок.
Прихимическом осаждении пленок (например, из газовой фазы) характер взаимодействиячастиц с поверхностью еще более усложняется. Процесс протекает в несколькостадий:
1)адсорбция взаимодействующих молекул на этой поверхности;
2)диффузия молекул;
3)химическая реакция исходных компонентов с появлением молекул осаждаемоговещества;
4)адсорбция этих молекул и выделение их в отдельную фазу на поверхности;
5)десорбция летучих продуктов реакции. Аналогичная картина наблюдается и приэлектрохимическом осаждении пленок из электролитов.
Прирассмотрении механизма зарождения и роста пленок будем исходить из двухпредпосылок: наличия потока Jвещества, направленного к поверхности осаждения, и теоретически чистойповерхности.
Процессобразования зародышей заключается в возникновении и росте агрегатов молекул врезультате последовательных бимолекулярных реакций по схеме/> /> /> /> /> /> /> />
где
/> -агрегаты состоящие из iмолекул (атомов),
/>
Агрегат,содержащий i=iкрмолекул, рассматривается как зародыш критического размера, который в общемслучае растет или уменьшается. Другие механизмы образования зародышей(например, одновременного столкновения iкрмолекул или нескольких агрегатов размерами меньше критического) считаютсявероятными только для потока, имеющего высокую плотность (например, дляимпульсных процессов испарения).
Образованиесферического зародыша новой фазы, содержащего iкрмолекул, сопровождается некоторым изменением свободной энергии ДGi,связанным с появлением определенной поверхности Sпиобъема новой фазы V. Вотсутствие полей и зарядов этот процесс можно описать уравнениями:
/>/>
где r—радиус сферического зародыша, уS—поверхностная энергия, ДGV—изменение свободной энергии при конденсации, практически равное энергиииспарения, рпер— давление перенасыщенного пара, рравн —равновесное давление пара, соответствующее температуре конденсации Т; N↓иN ↑—число молекул, движущихся к поверхности конденсации и испаряющихся с нее.
Следовательно,уравнение (3.2) можно представить в виде
/>/>
/>/>Зависимость ДGi= f(r)для различных температур поверхности конденсации показана на рис. 3.1. Каквидно из рисунка, свободная энергия ДGiрастет с увеличением rдозначения, а затем быстро убывает. Агрегаты радиусом rrкр —стабильными зародышами новой фазы. Последним соответствует уменьшение свободнойэнергии.
/>Определивмаксимум функции (3.5) из условия, найдем радиус rкр:
/>
Подставивзначение rкрв (3.5),
/>/>
/>
Соотношения(3.6) и (3.7) были впервые получены Дж. У. Гиббсом.
Дляразличных веществ rкр=1ч50 нм.
Разделивобъем критического зародыша на молекулярный Vm,получимчисло молекул
/>/>
Изрис. 3.1 видно, что уравнение (3.5) справедливо в диапазоне температур от Т1до Т4. Вне этого диапазона теорию Гиббса — Фольмераиспользовать нельзя.
Скоростьобразования зародыша
/>/>
гдеSп.кр—площадьповерхности критического зародыша; щ — частота столкновений молекул с этойповерхностью; ni—число молекул на единице этой поверхности, т. е. равновесная поверхностнаяконцентрация молекул.
Поизотерме Вант-Гоффа
/>
гдеn∑—число молекул в паре.
Согласноуравнению Герца — Кнудсена частота столкновений
/>/>
гдеак — коэффициент конденсации; ри рк — давлениянасыщенных паров при температурах испарения и конденсации (т. е. испарителя иподложки). Следовательно, скорость образования зародышей
/>/>
Уравнение(3.12) не учитывает ряда факторов. Например, не всякое столкновение молекулы сагрегатом ведет к ее конденсации и внедрению в агрегат. Поэтому выражение(3.12) следует умножить на равновесный фактор Z,учитывающий,какая доля из ударяющихся о поверхность молекул конденсируется. Обычно
/>/>
Такимобразом,
/>/>
Всевыкладки относятся к гомогенному образованию зародышей, которое редкореализуется на практике.
Модель гетерогенногообразования зародышей отличается от гомогенной тем, что вводится геометрическийфактор, определяемый межфазовыми взаимодействиями в системе подложка — зародыш—пар или подложка — зародыш — жидкость. Если свойства зародыша изотропны, тообразуется куполообразный зародыш, если анизотропны —другие конфигурациизародышей (рис. 3.2).
/>
/>
Геометрический факторвводится в уравнение (3.5) в виде функций поверхности соприкосновения зародышас соответствующими фазами и объема зародыша fs(ц)и fv (ц), зависящих от контактногоугла ц (для жидкостей — угла смачивания):
/>
Эти функции описываютгеометрическую конфигурацию зародыша. Значение ц определяется при равновесииповерхностных энергий:
Гдеупл-пар, ук-пр, ук-пар —удельные межфазовыеповерхностные энергии поверхностей раздела пластина — пар, конденсат — пластинаи конденсат —пар.
/>
/>
/>
/>
Длякуполообразного зародыша
/>/>
гдеfsпл(ц)—функция поверхности соприкосновения зародыша с пластиной; fsпар(ц) —функция поверхности соприкосновения зародыша с паровой фазой.
Свободнуюэнергию образования критического зародыша найдем из условия максимума уравнения(3.15):
/>/>
Где
/>/>
функцияконтактного угла f(ц) длякуполообразного зародыша (рис. 3.3) характеризует взаимодействие конденсата спластиной. При ц→0 f(ц)→0,ДGкр→0и образование зародышей облегчается. При ц→1800f(ц)→1,ДGкррастет до максимума и образование зародышей затрудняется (случай гомогенногозарождения новой фазы). Следовательно, уравнение (3.2) является предельнымслучаем образования зародышей, когда оно протекает с максимальной трудностью.Таким образом, свободная энергия гетерогенного меньше свободной энергиигомогенного образования зародышей. Кроме того, механизм гомогенного игетерогенного образования зародышей (рис. 3.4) различен. При гомогенномобразовании рост происходит только за счет реакции поверхности зародыша спаровой фазой (механизм х3), при гетерогенном — за счетповерхностной диффузии (механизм х2), т. е. х2>>х3.При очень низких температурах пластины х3>х2.
Скоростьгомогенного образования зародышей в случае прямого осаждения из пара
/>/>
гдеnадс— концентрация молекул, адсорбированных на поверхности; ДGк.п— свободная энергия конденсации из пара.
Скоростьобразования зародышей при преобладании поверхностной диффузии
/>/>
гдеа — длина скачка диффундирующей молекулы к поверхности зародыша; j— величина, обратная числу возможных направлений скачков; v—частота поверхностных колебаний; ДGп.д— свободная энергия активации поверхностной диффузии; частота скачковдиффундирующей молекулы.
/>
Притемпературах пластины, позволяющих реализовать оба механизма образованиязародышей, скорость образования зародышей равна сумме скоростей х2 их3:
/>
Дляобычных условий осаждения пленок уравнение (3.22) удобно представить в виде
/>/>
гдеК — константа, учитывающая размер критического зародыша и другие геометрическиепараметры; N —общее число частиц,участвующих в процессе образования зародышей.
Как видно из выражения(3.23), скорость образования зародышей существенно зависит от энергетическиххарактеристик процесса, а следовательно, от условий осаждения. На рис. 3.5показана логарифмическая зависимость скорости образования зародышей от скоростиконденсации, характеризуемой степенью перенасыщения N↓/N↑.
Рост критических(докритических) зародышей за счет поверхностной диффузии возможен только вслучае, когда температура пластины достаточно высока (kT>>ДGп.д).При низких температурах диффузия атомов по поверхности мала и адсорбированныеатомы можно считать локализованными. В этом случае рост зародыша происходит засчет прямого добавления атомов из пара (механизм х3). Скоростьобразования зародышей определяют по (3.20).
2.Влияние технологических факторов зарождения новой фазы на структуру пленок
Изуравнений (3.6) и (3.23) следует, что размеры критического зародыша rкр,его свободная энергия (энергетический барьер) ДGкри скорость образования зародыша х3 зависят от значений поверхностнойэнергии, контактного угла, температуры, степени перенасыщения (скоростиконденсации), энергии активации поверхностной диффузии. Эти характеристикимогут рассматриваться как технологические параметры ТП и исходных материалов,поэтому проанализируем их влияние на стадии образования зародышей иформирования первых (моноатомных) слоев.
Пленка,образованная при высоком энергетическом барьере, должна состоять из зародышей,имеющих большой критический радиус и низкую скорость зарождения (малое числозародышей), т. е. состоять из нескольких крупных агрегатов. Пленка,образованная при низком энергетическом барьере, должна состоять из зародышей,имеющих малый критический радиус и высокую скорость зарождения (большое числозародышей), т. е. состоять из большого числа мелких агрегатов. Такая пленкастановится сплошной при относительно малом значении средней толщины, посколькузародыши уже на ранних стадиях осаждения соприкасаются и срастаются. Крометого, структура такой пленки более мелкодисперсная, чем у пленки с большим rкри малым х3. Это, в свою очередь, будет сказываться на электрическихсвойствах полученных слоев. Таким образом, анализ влияния технологическихпараметров на rкр,ДGкр,х3 может в первом приближении дать ответ на характер их взаимнойзависимости и связь с электронными свойствами полученных слоев.
Сопоставлениеприведенных данных указывает на существенную зависимость rкрот природы осаждаемого материала и особенно от такого его свойства, как давлениенасыщенного пара, связанного с теплотой испарения. Поскольку теплота испаренияпрямо пропорциональна точке кипения (согласно правилу Трутона), можнозаключить, что материалы с высокой температурой кипения обладают большимзначением ДGV.Следовательно,размеры критических зародышей должны уменьшаться с повышением температурыкипения вещества пленки. Поэтому у металлов с высокой температурой кипения (W,Мо, Rе, Та, Ni,Cr и др.) даже очень малые зародышиявляются стабильными. У металлов с невысокой температурой кипения (Zn,Cd, Ag,Au, Cuи др.) зародыши должны достичь значительной величины, прежде чем статьстабильными. С увеличением размеров их устойчивость повышается.
Присрастании агрегатов между ними формируются границы зерен. Таким образом, размерзерен образующейся пленки определяется величиной критических и(сверхкритических) зародышей. В свою очередь, как подчеркивалось ранее,структура пленки влияет на ее электрофизические свойства. Окончательные размерызерен зависят и от режимов последующей обработки пленки, например ее отжига приопределенных температуре, времени, давлении и т. п. Исследования тонких пленокпоказали, что материалы пластины и испаряемого вещества, а также условияосаждения влияют на структуру пленок.
Из приведенныхсоотношений следует, что размеры критических зародышей резко снижаются, еслиматериал пластины имеет большое сродство с осаждаемым веществом, т. е. малыйугол ц. Например, если в качестве материала пластины служит металл, длякоторого уS=1,5 Дж/м2, ц→0, то при осаждении алюминия rкрможет иметь значение, близкое к нулю, что указывает на отсутствиеэнергетического барьера при зарождении пленки даже у металлов с высокимдавлением насыщенного пара. Поэтому образование сплошных пленок можетпроисходить при нанесении на металлическую или полупроводниковую пластину даженескольких моноатомных слоев осаждаемого металла. Такое явление часто используетсяв технологии РЭА для создания адгезионных подслоев при получении пленок изматериалов, имеющих малое сродство с пластиной (плохую адгезию к пластине). Приэтом сначала на пластину напыляют какой-либо материал с малым рк ихорошей адгезией к пластине (ц→0), например Сrили W, затем на него —основной металл (А1, Сu,Аu и т. п.), который будетосуществлять ту или иную заданную электрическую функцию.
Влияние температурыпластины на размеры критического зародыша определяетсязависимостью, полученной в результате дифференцирования выражения (3.6) потемпературе:
/>/>
Согласно среднимзначениям величин, входящих в (3.24) для металлов, уS=1 Дж/м2, ∂ДGv/∂T≈ДSисп≈8,8∙106Дж/(м3∙К);дуS /дТ≈5∙10-4Дж/(м2∙К)при | ДGv|
/>/>
что имеет местопрактически во всех случаях, когда существует энергетический барьер образованиязародышей.
/>
/>
Следовательно,увеличение температуры пластины ведет к росту rкри сохранению островковой структуры и для более высоких значений средней толщиныпленки. На рис. 3.6 приведена зависимость среднего расстояния dмеждуагрегатами (плотности агрегатов) от температуры пластины при термическомиспарении и катодном распылении. Угол наклона кривых 1 и 2 позволяет определитьДGп.д.
ПродифференцировавДGкрпо температуре, найдем
/>/>
Посколькускорость образования зародышей х3 экспоненциально связана с ДGкр[см. уравнение (3.23)], скорость возникновения агрегатов критических исверхкритических размеров быстро убывает с ростом температуры. В этом случаедля создания сплошной пленки потребуется более продолжительное время.
Влияниескорости осаждения пленки (степени перенасыщения) на размеры критическихзародышей (rкр)и ДGкробусловлено зависимостью этой скорости от значения ДGv[см. (3.3) и (3.4)]. При увеличении N↓илирпер (ри—pк)возрастает ДGv.Поскольку поверхностные энергии пластины и границы раздела не зависят от N↓,
/>/>
Следовательно,рост скорости осаждения пленки приводит к уменьшению размеров зародышей иувеличению скорости их возникновения. Поскольку зависимость ДGv= f (N↓)являетсялогарифмической, влияние скорости осаждения пленки на значения rкри ДGкрсказывается очень сильно.
Повышениескорости осаждения при реальных условиях может привести и к увеличению размеровкритических зародышей, т. е. зависимость rкр= f(N↓)являетсяболее сложной, чем описываемая теорией Гиббса — Фольмера.
Влияниеповерхностной диффузии на размеры критического зародышааналитически определить нельзя. Однако скорость образования критическихзародышей должна зависеть от способности адсорбированных атомов диффундироватьи сталкиваться друг с другом. Согласно уравнению (3.23) эта скоростьуменьшается экспоненциально с увеличением энергии активации поверхностнойдиффузии. Если энергия активации велика, то диффузия протекает медленно изародыши растут только за счет столкновения их с атомами паровой фазы. Энергиюактивации диффузии часто принимают равной 1/4 энергии активации десорбции вгазовую фазу, т. е.
/>
Энергиясвязи осаждаемых атомов с пластиной ДGадс,как показано ранее, влияет на значения rкри ДGкр.Поэтому для неоднородных поверхностей пластин, где ДGадсзаметно изменяется от участка к участку, на различных участках пластинызначения rкри ДGкрразличны, что сказывается на однородности осаждаемой пленки. Вот почему втехнологии РЭА необходимо иметь подложки с однородной и чистой поверхностью.
Энергияадсорбции для некоторых металлов имеет следующие значения:
/>
3.Рост пленок. Эпитаксия
В радиоэлектроникеиспользуются пленки, реальная толщина которых во многих случаях больше, чемвысота купола критических и сверхкритических зародышей. Поэтому необходиморассмотреть не только образование, но и развитие (рост) пленки после того, какона стала сплошной, т. е. после исчезновения островковой структуры. При этомследует определить:
1) степень влияниямеханизма образования зародышей на дальнейшую структуру пленки, а также навозникновение границ зерен, дефектов структуры: упаковки, двойниковых структур,вакансий, дислокаций и др.;
2) зависимостьизменения или повторения образовавшейся структуры от механизма роста пленок иразличных параметров состояния;
3) способы влияния наизменение структуры пленки с целью улучшения ее электрофизических свойств.
Осаждениемонокристаллических пленок на монокристаллические пластины называют эпитаксией.В понимании механизма роста пленок эпитаксия играет большую роль.
Эпитаксиальнаяпленка когерентна со структурой пластины, т. с. повторяет эту структуру. Такаяпленка может «наследовать» или «залечивать» дефекты пластины в зависимости отусловий осаждения и ее обработки.
Послетого как получен первый сплошной слой пленки, следующий слой формируетсянезависимо от структуры пластины. Рост отдельного агрегата на атомарном уровнеможет быть как эпитаксиальным, так и неэпитаксиальным. Для анализа механизмароста пленки воспользуемся моделью образования куполообразного зародыша,описанной в п.1.
Согласноуравнению (3.18) свободная энергия образования критического зародыша
/>
Приосаждении пленки на предыдущий слой того же материала можно принять ц = 0.Тогда f(ц) =0 и ДGкр= 0. Следовательно, энергетический барьер отсутствует. Поэтому конденсирующиесяатомы на поверхности пленки непосредственно встраиваются в структуру растущегослоя. В этом случае классическая модель образования зародышей макроскопическихразмеров не применима к образованию микроскопических (например, двухатомных илитрехатомных) агрегатов. После возникновения на пластине сплошной пленки ее ростследует рассматривать с позиций роста кристаллов. Поверхность кристалла никогдане бывает идеально гладкой. На ней всегда имеются различные выступы, ямки,островки и другие неоднородности структуры (рис. 3.7). Механизм роста пленкивключает в себя адсорбцию атомов из паровой фазы (преимущественно на граняхкристалла), поверхностную диффузию к ступеньке, взаимодействие со ступенькой,диффузию вдоль ступеньки и достраивание ступеньки. В зависимости от того, какоеположение занимает адсорбированный атом на поверхности кристалла, число атомов,окружающих его, различно. Поэтому различна и энергия связи его с поверхностьюкристалла, а следовательно, и энергия активации поверхностной диффузии.
Условияравновесия, которые существуют между различными положениями атомов (рис. 3.7),таковы:
/>/>
гдепi1,пi2,пi3,пi4—равновесные концентрации атомов соответствующего типа; рМе—давлениепара осаждаемого компонента; х1, х2,…, х10 —скорости движения атомов.
Скоростих5— х10, влияющие на рост пленки, можно найти следующимобразом:
/>
/>
гдеb — длина ступеньки на единицуплощади; v≈1013с-1 —частота колебаний атомов, находящихся на поверхности пленки; ДG1→5,ДG5→1 —свободные энергии диффузии атомов при переходе из положения 1 в положение 5 иобратно; Рн — вероятность данного направления движения атомов при ихмиграции по поверхности пленки (для плотно упакованных кристаллов Рн=1/6);Ко, Ki—число позиций атомов на единичной поверхности и длине ступеньки.
/>
/>
Таким образом, анализроста пленки сводится к выявлению преобладающей стадии роста в тех или иныхзадаваемых условиях. Для случая, когда преобладает скорость поверхностнойдиффузии х6, аскоростью диффузии вдоль ступеньки х4 можно пренебречь, уравнениедиффузии для адсорбированных атомов примет вид
/>/>
ГдеDS — коэффициентповерхностной диффузии; х — координата движения частицы.
Выражение(3.30) является кинетическим уравнением роста пленок.
Анализроста монокристаллических (эпитаксиальных) пленок позволяет выявить кромепервичных дефектов структуры, вызванных условиями зарождения, и вторичныедефекты, появляющиеся в процессе роста,— дислокационные петли, дефекты упаковкии точечные дефекты. Часто встречающимися дефектами в пленках являютсядислокации. Концентрация дефектов условно характеризуется плотностьюдислокации,измеряемой их числом на 1 см2. Эта величина в эпитаксиальных пленкахметаллов достигает нередко значений 1010—1011 см-2.В полупроводниковых эпитаксиальных пленках, используемых в производстве ИМС,плотность дислокаций составляет 10—104 см-2.
Причиныпоявления дислокаций различны. Пленки формируются в процессе осаждения. Ранееосажденные слои могут покрываться последующими до того, как будет достигнутотермическое равновесие с предыдущим слоем. При этом в слой может попадатьбольшое число вакансий. Процесс усугубляется, если температура пластин низкая.В этом случае тепловой энергии (конденсации) может не хватить для того, чтобыобеспечить миграцию атомов по поверхности. Поэтому атомы будут оставаться в техместах, куда они попали при соударении с поверхностью. Поскольку ихраспределение носит случайный характер, они будут вносить разупорядоченность вструктуру осаждаемой пленки. Степень разупорядоченности зависит от наличияпримесей в пленке и на ее поверхности, а также от неоднородных поверхностных свойствпредыдущего слоя, низкой температуры конденсации и т. п.
4.Химический рост эпитаксиальных пленок
В предыдущих параграфахбыли рассмотрены процессы образования и роста пленок при испарении иконденсации согласно термодинамической теории Гиббса — Фольмера, справедливойдля степени перенасыщения, не превышающей 108. При испарениитугоплавких металлов (W,Mo, Re,V) степень перенасыщения достигаетзначений 1030—1040; размеры критических зародышей,рассчитанные по уравнению (3.6), соответствуют размерам одного атома и меньше,что противоречит физическому смыслу. Аналогичная ситуация возникает и приосаждении слоев химическими способами из газовой фазы, где степеньперенасыщения составляет 1020—1040. В этом случаеединственно приемлемой теорией для анализа роста пленок является кинетическаятеория Френкеля — Родина.
/>
Пока не существуетдостаточно разработанной теории образования и роста эпитаксиальных слоев.Излагаемая теория Френкеля— Родина устанавливает лишь ряд важныхзакономерностей, часто подтверждаемых экспериментально.
В1924г. советский ученый Я. И. Френкель ввел понятие двумерного пара (газа). Всоответствии с этим понятием атомы, попавшие на поверхность твердого тела изобъема паровой или газовой фазы, адсорбируются этой поверхностью и удерживаютсяна ней в течение времени:
/>/>
гдеф0= 10-13 с —время, соответствующее дебаевской частоте; ДGадс— свободная энергия адсорбции атома; Т — температура поверхности.
Частицыдвумерного пара, мигрируя по поверхности, сталкиваются друг с другом, образуяагрегаты из двух, трех и т. д. атомов. Простейшим агрегатом является двойник (i= 2), показанный на рис. 3.8, a,с энергией межатомной связи Е11 и энергией связи с поверхностью 2E12.Посколькудвухатомные агрегаты вдвое сильнее связаны с поверхностью, чем одиночные атомы,они и менее подвижны. Для испарения двойника нужна энергия 2E12,аодного атома Е12. При осаждении металлов и полупроводников надиэлектрические пластины Е11>Е12; процесс испарениядвойника менее вероятен, чем одного атома, что соответствует образованиюзародыша конденсированной фазы. При увеличении агрегата (i=3, 4,..., п) вероятность образования зародышей увеличивается.
Приочень большом перенасыщении газовой фазы критический зародыш может состоять изодного атома. Поэтому, когда возникает агрегат из двух атомов, более вероятно,что он будет расти, а. не распадаться. Снижение перенасыщения приводит к тому,что вероятность присоединения к одному атому другого становится равнавероятности распада агрегата. В таком случае стабильными станут конфигурации сдвумя связями на атом. При дальнейшем, снижении перенасыщения стабильнымистановятся агрегаты из трех, четырех и т. д. атомов (рис. 3.8, а—г). Стабильнымиобразованиями являются треугольник и квадрат. В первом случае зародыш имееториентацию , во втором — . Таким образом, степеньперенасыщения должна сказываться на ориентации стабильных зародышей.
Зависимостьскорости хKобразования зародышей (конденсации) из потока Iчастиц, попадающих на пластину, от температуры пластины Т может быть описанаследующими уравнениями:
/>/>
гдепадс — число единичных адсорбированных атомов; v— частота колебания адсорбированного атома; ДGi,ДGi+1— свободныеэнергии образования зародыша в результате межатомного взаимодействия (аналог ДGк.ппри эпитаксии).
Посколькуi невелико,можно методом проб и ошибок установить, какое значение i(1,2, 3,...) отвечает экспериментальным данным.
Процессыобразования эпитаксиальных слоев во многом определяют характер их роста и,следовательно, степень кристаллического совершенства полученной структуры. Призначительной разориентации отдельных зародышей слой будет иметь большое числодефектов и может стать неприемлемым для изготовления ИМС.
Наибольшеераспространение в промышленной практике получили процессы эпитаксииполупроводников из газовой фазы с помощью химических реакций.
Развитие методовэпитаксии, особенно гетероэпитаксии (выращивания пленки одного материала наподложке другого), позволяет получать приборы с такими высокими электрическимихарактеристиками, которые трудно реализовать другими технологическими методами.
Глава2. Физико-химические основы поверхностных процессов
1.Термодинамика поверхностных процессов
Свойстваповерхности раздела отдельных слоев структуры или конструкции функциональныхузлов, состоящих из металлов, диэлектриков, полупроводников, композиционныхматериалов, важны при формировании практически всех элементов и компонентовРЭА. Они зависят от сложных комплексных характеристик поверхностей раздела наатомарном и субатомарном уровнях, а также взаимодействия этих поверхностей сполями (электрическими, электромагнитными) и излучениями (электромагнитными,оптическими, атомными и субатомными). Изменение характеристик поверхностираздела под действием внешних и внутренних факторов приводит к необратимымизменениям параметров качества изделий РЭА. Характеристики поверхностных иприповерхностных слоев влияют на все эксплуатационные параметры РЭА.
Знанияфизико-химических свойств поверхностей твердых тел хотя и расширились в последнеедесятилетие, однако еще недостаточны для установления количественныхвзаимосвязей параметров качества изделий и технологических факторов. Этивзаимосвязи важны для выбора оптимальных технологических решений при обработке,эксплуатации и сохранения свойств поверхностных и приповерхностных слоев в РЭА.
Любоетехнологическое воздействие среды на материал или изделие, как правило,начинается с взаимодействия частиц этой среды с поверхностью материала(изделия). Для большинства ТП производства РЭА необходимо знать механизм такоговзаимодействия не только при формировании (зарождении, росте, травлении), но ипри эксплуатации слоев. Это требует от технологов тщательного изучения явленийи процессов, которые могут протекать на поверхности при различных условиях(технологических факторах).
Термодинамикаповерхностных явлений рассматривает состояния поверхностных атомов,отличающихся от состояния атомов, расположенных во внутренних слоях вещества.Причиной этого различия является неодинаковое взаимодействие атомов твердоготела с окружающими частицами. Поэтому свойства поверхностного слоя веществаотличаются от свойств его внутренних слоев. Следовательно, необходимо различатьповерхностные и объемные свойства вещества. Чем больше отношение площадиповерхности твердого тела к его объему, тем сильнее сказывается влияниеповерхностных свойств на общие. Поверхностные свойства веществ проявляются налюбой поверхности раздела фаз: твердое тело — газ, твердое тело — твердое тело,жидкость — пар, жидкость — жидкость.
Термодинамическиепараметры поверхности определяются природой материала и его физическимсостоянием, которое характеризуется полной поверхностной энергией. Часть этойэнергии, равная максимальной полезной работе, затрачиваемой на созданиеповерхности, является удельной поверхностной энергией Гиббса и называется поверхностнымнатяжением уS.
Значенияповерхностного натяжения для жидких материалов определить экспериментальнолегко (представлены в справочниках), а для твердых — трудно.
Длябольшинства расчетов уSдлятвердых тел принимаются на 5—8% больше этих же значений для жидких.
Идеальная(чистая) поверхность встречается редко. На практике приходится иметь дело среальной поверхностью, т. е. поверхностью твердого тела, покрытой пленкой(толщиной 100—1000 нм) оксидов, гидратов, жиров и других веществ, которая ктому же не является атомно гладкой, В микроэлектронных изделиях большинствоэксплуатационных свойств реализуется в приповерхностных слоях. Состояниеповерхности влияет на электрофизические параметры приповерхностных слоев,вызывая адсорбцию заряженных частиц, появление рекомбинационных центров идругих дефектов. Часто надежная работа радиоэлектронного устройства зависит оттого, насколько хорошо подготовлена (обработана) и насколько надежно защищенаего поверхность от вредных внешних воздействий. Для того чтобы понятьфизико-химические свойства поверхности, рассмотрим основные термодинамические ифизические аспекты поверхностных явлений.
Поверхностноенатяжение уSвлияет на значение суммарной свободной энергии системы ДGтолько в том случае, когда оно соизмеримо с другими составляющими уравнения.При термодинамическом анализе поверхностных явлений определяются значимость уSвуравнении, возможности еенахождения, зависимость уSоттаких параметров состояния, как температура, давление, концентрация компонентовсистемы, или от технологических факторов (чистоты, шероховатости поверхности ит. п.).
Приповышении температуры происходит расширение тел и ослабление сил взаимногопритяжения как в толще, так и на поверхности материала. Это приводит к тому,что поверхностное натяжение уменьшается с увеличением температуры материала.Зависимость поверхностного натяжения от температуры в большинстве случаевлинейна.
Вэтих условиях поверхности раздела фаз не существует. В конденсированномсостоянии (жидком или твердом) вещество не может находиться выше температуры Ткр.Такую температуру называют критической. На практике часто пользуются этимпараметром, например, для полного удаления влаги из какого-либотехнологического агрегата или с поверхности изделий производят их термическуюобработку при температуре, близкой к критической температуре воды (475°С). Вбольшинстве случаев достаточной является температура 300°С, особенно если сушкапроводится в вакууме.
Припостоянных температуре и давлении самопроизвольно протекают такие процессы, длякоторых характерно уменьшение свободной энергии, т. е. ДGS
Дляжидкости поверхностное натяжение уSминимально при шарообразной форме. Для кристаллических тел наименьшее значение ДGSдостигается при определенных соотношениях размеров граней кристалла, посколькуповерхностные энергии различных граней различны. Конфигурация кристалла,которой соответствует минимум ДGS,наиболееустойчива (принцип Гиббса — Кюри).
Важнымвыводом термодинамического анализа поверхностных процессов является то, что приувеличении площади поверхности, т. е. при повышении дисперсности (степениизмельчения) вещества, его пористости, разрыхленное™ внутренней структуры истепени ее упорядоченности, изменяются физико-химические и эксплуатационныесвойства материалов, а следовательно, и изделий, изготовленных из них.Например, у мелкодисперсных материалов увеличивается способность к переходу изодной фазы в другую при любом процессе (увеличиваются летучесть, растворимость,химическая активность и т. п.). Материал более активен в аморфном состоянии,чем в кристаллическом; в поликристаллическом, чем в монокристаллическом. Напрактике это свойство материалов используется широко, например, для эмульсийгалогенидов серебра, применяемых в фотолитографии, степень дисперсности определяетсветочувствительность материала; при создании изделий из композиционных пастэнергия сцепления частиц в значительной мере зависит от степени их дисперсностии т. п.
Привзаимодействии поверхностей твердой и жидкой фаз наблюдается явление,называемое смачиванием. Степень смачивания характеризуется видом и степеньюискривления поверхности жидкости в месте соприкосновения трех фаз: твердой,жидкой, паровой (газообразной). Такое искривление называют мениском.
Степеньсмачивания определяет форму капли жидкости на стенки сосуда твердой поверхности.Мерой смачивания обычно служит контактный угол (угол смачивания) ср междусмачиваемой поверхностью и поверхностью жидкости по периметру смачивания (рис.4.1, а).
/>
Если соприкасаются двеповерхности твердого тела, т. е. судить о смачивании невозможно, то вводитсяаналогичное смачиванию понятие адгезии как явления и меры взаимодействия двух(более) поверхностей твердых тел. Адгезия измеряется силой отрыва однойповерхности от другой.
Смачивание,адгезия и капиллярные явления играют существенную роль при промывке и сушкеизделий и полуфабрикатов (замедляют движение жидкостей и газов из пор итрещин), а также в пропитке, осаждении слоев, лужении, пайке и сварке изделий.Кроме того, эти явления могут влиять на эксплуатационную надежность такихмногослойных тонкопленочных изделий, как интегральные микроэлектронныеустройства.
2.Адсорбционные процессы на поверхности твердых тел
Еслиэнергия взаимодействия поверхностей двух конденсированных фаз (например, жидкойи твердой) определяется силами адгезии веществ, то энергия взаимодействияповерхности тела с газовой фазой или разбавленным раствором вызываетконцентрирование одного из веществ (компонентов) на поверхности и вприповерхностном слое. Такое явление называется адсорбцией. Вещество, наповерхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, аадсорбируемое вещество — адсорбагом. Процесс отделения от поверхности ранееадсорбированного вещества называют десорбцией.
Различаютдва вида адсорбции: физическую и химическую (хемосорбцию). При физическойадсорбции энергия взаимодействия между адсорбатом и поверхностью не стользначительна, чтобы изменить физико-химическую природу адсорбата, аследовательно, и его свойства. При хемосорбции образуется химическая связьмежду поверхностью и адсорбируемым веществом.
Физическаяадсорбция протекает быстро, особенно при понижении температуры поверхности.Хемосорбция при низких температурах протекает медленно, но при повышениитемпературы ее скорость быстро растет подобно скорости химических реакций.Энергия физической адсорбции соизмерима с теплотой конденсации (испарения). Дляорганических растворителей она составляет 8— 15 кДж/моль, для металлов —10—40кДж/моль. Энергия хемосорбции сравнима с теплотой химических реакций (50— 400кДж/моль).
Количественнуюхарактеристику адсорбции можно получить из уравнения
/>/>
гдеGG—свободная энергия Гиббса; S— энтропия системы; k— числокомпонентов системы; мi—химический потенциал i-roкомпонента; Сi— концентрация i-roкомпонента.
ПриТ = const, p= const в условиях равновесия (dGg= 0)
/>/>
Адгезия различныхпленок к подложкам позволяет обеспечивать получение качественных и надежныхфункциональных устройств, пассивирующих слоев и декоративных покрытий РЭА.Поэтому необходимо проанализировать факторы, стимулирующие и подавляющиеадгезию. Решать эту проблему без учета природы конкретных материалов подложки ипленки не представляется возможным, так как характер взаимодействияадгезируемых материалов зависит не только от параметров состояния (температуры,состава, давления), но и от природы взаимодействующих веществ.
Пограничныеслои пленки и подложки могут образовывать и химические связи, которыепрактически не поддаются расчету, а могут лишь качественно оцениваться исходяиз химических свойств взаимодействующих поверхностей. Ориентиром в такихоценках может служить сродство осаждаемого (наносимого) на поверхность подложкивещества пленки к веществу подложки или какому-либо компоненту этого вещества.Например, при осаждении металлической пленки на поверхность подложки,изготовленной из оксидов тех или иных элементов (Si02,A1203, Zr02)или их композиций, важным фактором для адгезии является сродство осаждаемогометалла к кислороду и возможность образования химических (типа химических)связей Me—О. Очевидно, что адгезияпленки при возникновении химической связи на границе раздела значительнобольше, чем при чисто физической связи. Если при физической адгезии энергияотрыва пленки от подложки приблизительно равна теплоте сублимации, то прихимической адгезии (хемоадгезии) эта энергия должна быть соизмерима с энергией диссоциациисвязи Me—О, которая, какправило, на порядок больше теплоты сублимации (сотни, десятки кДж/моль). Таким образом,при прочих равных условиях металл, имеющий большее сродство к кислороду, имеетлучшую адгезию к материалу из оксидов, причем повышение температуры в этомслучае увеличивает адгезию в отличие от физической адгезии, при которойповышение температуры приводит к уменьшению силы адгезии.
/>
/>
Силаадгезии по всей поверхности подложки одинакова, если поверхность однородна, т.е. ее рельеф и чистота постоянны. На молекулярном (атомном) уровне практическилюбая поверхность неоднородна. На практике используют различные эмпирическиекритерии однородности и чистоты поверхности, пригодные для оценки технологии ееобработки.
Шероховатость(степень неоднородности рельефа) поверхности влияет на силу адгезии. Можнопривести множество примеров адгезии частиц пленки на неоднородных поверхностях(рис. 4.8, а, б) и только один пример на идеально гладкой поверхности (рис.4.8,в). Поэтому понятно стремление технологов добиться как можно более гладкихповерхностей для обеспечения максимальной адгезии.
Такойже вывод можно сделать и относительно чистоты поверхности. Из анализа рис. 4.8можно понять, как могут зарождаться и исчезать поры, трещины и другие «слабые»места на границе раздела пленок и подложек. При малых размерах частицы пленкимогут «грунтовать» поверхность, обеспечивая хорошую адгезию последующих слоев.Для получения хорошей адгезии слабо адгезирующего материала промежуточные слоиформируют из веществ, имеющих хорошую адгезию к подложке и материалу пленки.Такие вещества, обеспечивающие высокую адгезию, называют адгезивами.
Дляоценки шероховатости поверхности используют классы чистоты (обработки)поверхности. В табл. 4.1 приведены параметры, характеризующие шероховатостьповерхности (см. рис. 4.8, а).
/>
Физическая (пыль, вода,жиры) и химическая (оксиды, карбиды, нитриды) чистота поверхности могут влиятьна адгезию вещества как в положительную (увеличения), так и отрицательную(уменьшения) сторону в зависимости от физико-химических свойств загрязняющегоматериала. В большинстве случаев пыль, вода и жиры, создавая неровности и порына границе раздела пленки и подложки, снижают адгезию пленки. Если осаждаемаяпленка лучше адгезирует с оксидами (нитридами, карбидами и т. п.), то такиезагрязнения способствуют увеличению адгезии. Загрязнения поверхности могутрассматриваться с физико-химической точки зрения как источник промежуточныхсил, по-разному влияющих на адгезию пленок и покрытий. В любом случаефизико-химическая неоднородность поверхности приводит к нестабильным значениям адгезии.
4.Процессы очистки, промывки и пропитки поверхности
Принанесении различных жидких материалов на поверхность твердых тел происходит ихсмачивание, определяемое силами сцепления жидкости и поверхности твердого тела.Хорошее смачивание необходимо в процессах, в которых осуществляетсявзаимодействие жидкой среды с поверхностью (нанесение фотоэмульсий, жидкихкрасителей, травление, лужение, панка, очистка химическими растворителями,пропитка и т. п.).
Стабильныерезультаты при смачивании поверхности жидкостью можно получить только приналичии достаточно чистой поверхности твердого тела. Поэтому тщательная очисткаповерхности жидкими растворами характерна для ТП, связанных с нанесением пленокили паст (нанесение покрытий, пропитка, осаждение пленок и т. п.).
Основныевиды загрязнения поверхности (жиры, пыль, припои, оксиды, соли) можно удалить спомощью жидких растворителей. Для интенсификации процессов растворения применяютсягидродинамическая (отмывка щетками и сильной струей растворителя) игидроакустическая (отмывка с помощью акустических волн, распространяющихся врастворителе) обработки.
Посвоей физико-химической природе растворители делятся на неорганические (вода,соли, кислоты, щелочи), органические (ацетон, четыреххлористый углерод, бензини др.), смешанные (спиртовые растворы, водные растворы органических кислот), атакже расплавы металлов и солей (ртуть, олово, галлий, припои и др.). Неорганическиерастворители, как правило, гидрофильны. По своей природе они относятся к классуэлектролитов, хорошо растворяют оксиды, соли и другие полярные соединения.
Органическиерастворители являются гидрофобными и относятся к классунеэлектролитов. Они хорошо растворяют примеси органического происхождения(неполярные или слабополярные вещества), например жиры, минеральные масла.
Смешанныерастворители состоят из смесей растворителей обоих типов.
Расплавы металлов исолей используютсякак растворители при повышенных температурах ТП.
Покаеще не известен растворитель, который мог бы очищать поверхность от всехзагрязнений. Поэтому используются многостадийные методы очистки поверхностей врастворах разного типа. Очистка растворителями интенсифицируется с помощьюнагрева или применения ультразвука. При нагревании снижаются вязкость иповерхностное натяжение растворителя, что облегчает проникновение его в зазорыи поры для удаления загрязнений. Те же функции выполняет ультразвук частотой40—700 кГц.
Перемешиваниерастворителя увеличивает массопередачу растворенного вещества от поверхности вглубь раствора, обеспечивая приток раствора, менее загрязненного примесью, кповерхности.
В табл. 4.2 приведеныфизико-химические свойства основных растворителей, используемых для очисткиповерхностен изделий, а в табл. 4.3 дан перечень растворяемых в нихзагрязняющих веществ.
На обрабатываемыхповерхностях деталей присутствуют жиры и минеральные масла, нерастворимые вводе. Удалить их с поверхности можно лишь органическими растворителями илищелочными растворами. Под действием щелочи жиры омыляются, образуя растворимыев воде соли жирных кислот (мыла) и глицерин, согласно взаимодействию стеарина седким натром.
Дляудаления загрязнений могут использоваться различные механические игидродинамические приспособления: щетки, полотна, сильные водяные струи и т. п.
Приподготовке поверхностей деталей или узлов к нанесению жидких эмульсий(смачивание), пропитке с целью герметизации и изоляции и т. п. необходимообеспечить максимальную адгезию этих материалов с подложкой. Тщательная очисткаповерхности недостаточна для обеспечения надежной адгезии. Следует повысить ифизико-химическую активность поверхности, что достигается ее химическимтравлением. Травитель должен очищать поверхность, удаляя с нее вредные длядальнейших ТП вещества.
Большинствоизделий и деталей РЭА выполняется из различных веществ или материалов. Поэтомутравильные растворы имеют селективный характер, т. е. способны растворить одинматериал, не затрагивая другие. Составы травителей подбираются экспериментальнов зависимости от свойств поверхности, которые необходимо получить, заданнойскорости травления, удобства работы с травителем и его хранения, токсичности,горючести, стоимости и т. п.
Хорошиеадгезионные свойства поверхности позволяют обеспечить высокое качество ТПпропитки изделий РЭА. Целью пропитки как ТП производства РЭЛ являетсяувеличение влаго- и термостойкости изделий, а также улучшение их механических иэлектрических свойств (ликвидация вибраций в катушках индуктивности и трансформаторах,снижение токов утечки, исключение явлений ионизации, улучшение теплоотвода и т.п.).
При пропиткепропитывающий материал должен проникнуть во все щели, вытесняя из них воздух, ихорошо смочить обрабатываемую поверхность. Это возможно только при достаточно высокойадгезии материала с поверхностью обрабатываемого изделия или детали, т. е. прималой вязкости пропитывающего материала; достаточно чистой поверхностиобработки и удалении воздуха из щелей за счет разрежения.
Этообеспечивается выбором маловязких пропитывающих жидкостей и их нагреваниемнепосредственно перед пропиткой; тщательной очисткой и травлением поверхностейописанными методами; применением вакуумной пропитки или пропитки под давлением.
/>
Пропитка,как и любое другое покрытие поверхностей, осуществляется в несколько стадий. Приэтом образуется многослойная покрывающая структура, предохраняющая поверхностьот воздействия различных внешних факторов за счет несовпадения рельефа трещин ипорв соприкасающихся слоях (рис. 4.11).
Хемоадгезияпо аналогии с хемосорбцией повышает адгезию покрытия за счет образования химическихсвязей, особенно сильно проявляющихся при наличии на поверхности и в покрытиигидроксильных или фенольных групп (рис. 4.12).
/>
/>
Частодля снижения вязкости пропитывающие термореактивные смолы разбавляютрастворителями, которые затем удаляются при отверждении. Однако удалениерастворителей при отверждении может привести к появлению новых пор и трещин.Кроме того, большинство растворителей являются химически активными веществами,способными растворять материалы конструктивных элементов изделия (эмалиобмоточных проводов, пленки и т. п.). Поэтому с физико-химической итехнологической точек зрения лучше подбирать такие составы для пропитки,которые можно использовать без растворителей, например на основе эпоксидныхполиэфирных и полиуретановых смол.
Еслитребуется получить малую вязкость пропитывающего материала при низкихтемпературах, следует использовать полиэфирные смолы. Достоинствами таких смолявляются их доступность и низкая стоимость. Если необходима высокаяэластичность пропитывающего материала после отверждения, то нужно применятьполиуретановые смолы.
Впропитывающие составы обычно вводятся смесительные отвердители, ускоряющиепроцесс отверждения и упрочняющие эти составы. Кроме того, такие смеси могутиспользоваться для заливки изделий. В качестве отвердителей применяютсяполиангидриды типа полиазилена.
Смешиваяпропитывающие вещества различных составов и смолы, можно получить имеющиеширокий диапазон твердости материалы. Для пропитки деталей и узловСВЧ-аппаратуры выпускаются специальные составы с малыми потерями и вязкостью от0,01до 20 Па∙с.
Такимобразом, основными параметрами, определяющими качественное протекание процессовпропитки и заливки, являются:
—температура и давление процесса, степень чистоты и структура поверхности,обеспечивающие наилучшее взаимодействие поверхности с пропитывающим(заливочным) материалом;
—температура, состав, вязкость, электрофизические и механические свойствапропитывающего (заливочного) материала;
—скорость пропитки (заливки), т. е. скорость затвердевания (отверждения)пропитывающих составов и особенно деградация эксплуатационных характеристикэтих материалов по границам раздела (взаимодействующим поверхностям) вовремени.
Определение областейоптимальных значений этих параметров и эксплуатационных характеристик качестваизделия является основной проблемой при физико-химических исследованиях ианализе ТП пропитки и заливки в производстве РЭА
5. Электрофизическиехарактеристики соприкасающихся поверхностей и границ раздела слоев
Многолетнийопыт производства РЭА на базе кремниевых ИМС показал, что для решения проблемстабильности качества изделий требуется изучение свойств поверхностииспользуемых материалов, а также методов ее подготовки и защиты. Задачастановится особенно актуальной в связи с тем, что наиболее перспективнымитипами РЭА признаны те, которые базируются на полевых приборах (МДП БИС иприборы с барьером Шоттки). Создание же качественных и стабильных приборовэтого типа невозможно без знания, свойств поверхностей раздела слоев,образующих их структуры, и умения контролировать эти свойства.
Засчет усовершенствования классических методов исследования поверхности(эллипсометрии, электронной микроскопии, оптоэлектронной микроскопии и др.) ииспользования их для контроля поверхностных свойств рабочих структур приборов играниц разделов слоев в последнее десятилетие получены новые данные о свойствахповерхностей и границ раздела. При этом влияние поверхностных свойств напараметры приборов для различных материалов различно.
Помере совершенствования конструкций ИМС создаются все более тонкие слоиполупроводников, диэлектриков и металлов, что увеличивает влияние характеристикповерхности па свойства прибора; при субмикронных толщинах слоев это влияниестановится доминирующим. Целью всякого ТП обработки поверхностей в таких важныхэлементах РЭА, как ИМС, является получение определенных (заданных)электрофизических свойств этих поверхностей с наименьшими затратами. Ксожалению, взаимосвязь между электрофизическими параметрами состоянияповерхности и технологическими факторами ее обработки ещё мало изучена.Рассмотрим те электрофизические характеристики поверхности и физико-химическиефакторы, которые влияют на параметры качества микроэлектронных устройств.Большинство рабочих характеристик таких устройств основано на свойствахсоприкасающихся поверхностей и границ раздела слоев в системах металл —полупроводник, полупроводник — диэлектрик, металл — диэлектрик — полупроводники т. п.
Дляизучения влияния свойств поверхностей на электрические характеристики указанныхсистем исследовались различные сочетания материалов слоев и способов обработкиповерхностей. Было показано, что характер обработки поверхностей влияет напроцессы генерации и рекомбинации носителей заряда, что выражается в изменениивида вольт-амперных, вольт-фарадных и других характеристик структур ИМС.
Характервзаимосвязи физико-технологических факторов обработки поверхности,электрических свойств границ между слоями является сложным. В последние годыметоды исследования поверхности были усовершенствованы, с их помощью можнообнаружить моноатомные пленки и отдельные атомы примесных элементов, т. е.идентифицировать как структуру, так и состав поверхности с очень большойточностью. Тем не менее проблема установления количественных связей междуэлектрофизическими свойствами поверхности (границ раздела) и технологическимифакторами ее обработки остается нерешенной. Во время обработки поверхностипроисходят сложные взаимодействия физического и химического характера наатомном уровне газообразных, жидких и твердых частиц, что изменяет концентрациюповерхностных состояний, определяющих электрические свойства поверхностейраздела между слоями в структурах твердотельных радиоэлектронныхустройств (ИМС, ПАВ, ПЗС и др.).
Поэтому вопросыполучения в ТП заданного состояния поверхности чрезвычайно важны для всейтехнологии РЭА. В большинстве случаев в реальном производстве, основанном наиспользовании многократной обработки поверхности, непрерывно оценивают характеризменения поверхностных свойств изделий или полуфабрикатов в зависимости отизменений методов или режимов обработки. По электрофизическим критериямкачества поверхности осуществляют поиск оптимальных способов и режимовобработки, оптимальных конструкций технологических установок. Особеннотщательно обрабатывают поверхности тех деталей, на которых будут формироватьсярабочие структуры электронных устройств. Важное значение качество поверхности(ее электрофизические свойства) имеет в таких физико-химических технологическихпроцессах как: осаждение диэлектрических и металлических слоев из паровой,газовой и жидких фаз, процессов окисления, эпитаксии, диффузии и др.