thin layer deposition -evaporation

22
שיטות אפיון וננו- פבריקציה דוח מסכם לניסוי נידוף מתכות- שכבות דקות האני גנאים533333435

Upload: george-smith

Post on 29-Nov-2014

144 views

Category:

Documents


10 download

TRANSCRIPT

Page 1: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

פבריקציה-שיטות אפיון וננו

לניסוי דוח מסכם

שכבות -מתכות נידוף

דקות

האני גנאים

533333435

Page 2: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

2

מבוא

לקווי . סיליקון( פיסה)על פני מצע ( במקרה זה כרום)ליצירת קווי מתכת דקים שיטה בניסוי זה נבחן

כלומר חיבור כל המעגל " )עולם החיצון"חיבור הפיסה ל, יצור מגעים אוהמים: מטרות ' מתכת אלו מס

יצירת מוליכים בין ההתקנים השונים הממומשים על , (הממומש על פני פיסת הסיליקון לרכיבים חיצוניים

ויצירת התקנים שונים על פני ( סיליקון ודיפוזיה-למתכת מוליכות גבוהה יותר מאשר לפולי)הפיסה

...ועוד, Schottkyדיודות , שערי טרנזיסטורים, קבלים, נגדים: הפיסה כגון

תהליך הנקרא – כל הפיסהחידה על פני שכבת מתכת דקה וא" לשקע"בכדי לקבל קווים אלו יש תחילה

הסרת המתכת מהאזורים בהם אין . לאחר מכן יש להסיר את שכבת המתכת מהאזורים הלא רצויים. נידוף

.Lift Offאיכול רטוב או : בה צורך תתבצע בעזרת אחת מהשיטות הבאות

מטרות הניסוי

.לימוד מערכת וואקום בסיסית .1

.E-Gunרת בעז( Cr) כרוםנידוף .2

.(נבצע בניסויים הבאים) והשוואה בין השיטות Lift Off-מימוש נגד מדויק בעזרת איכול רטוב ו .3

שכבות דקות המשמשות )היכרות יסודית עם שיטה המאפשרת בניית קבלים והתקנים חשמליים .4

(.או מוליך למחצה/כמוליך ו

רקע תאורתי

שכבת מתכת לנדףלצורך כך יש צורך . הקווי מתכת על פני הפיס/לקבלת אזורי שיטהבניסוי זה נבחן

.מנדפתהמתבצע במכונה הנקראת הנידוףבתהליך

מערכת הנידוף

כתוצאה מכך נבלמים , פוגעת בכורית מתכת( 4-8KeV)אלומת אלקטרוניים אנרגטיים : תמצית התהליך

פלט כורית ומאפשר לאטומי מתכת להיהמתכת שב והאנרגיה הקינטית הופכת לחום המתיך את' האלק

10 –לחץ נמוך מאוד )בחלל המנדפת סוררים תנאים (. המנדפת)לחלל מיכל הנידוף -7

torr ) המאפשרים

המהלך החופשי )בצידו השני של המיכל המצויהלאטומי המתכת לנוע בחופשיות עד לפיסת הסיליקון

בצורה של האטומים הפוגעים נקשרים לפיסת הסיליקון ( הממוצע של אטומי המתכת גדול מממדי המיכל

.ומצפים אותה( אטומי מתכת נוספים' אטום בודד נשקר לפיסה ומאגד סביבו מס" )גרעיני קשירה"

:גדלים רלוונטים' לתהליך הנידוף ניתן להגדיר מס

.אטומים ביחידת נפח כפונקציה של הלחץ' מס .1

ולקולה המהלך החופשי הממוצע של מ)"מרחק ממוצע בין התנגשויות בין אטומי המתכת החופשיים .2

(.MFP –" בין התנגשויות

.שטף אטומי המתכת על פני הפיסה .3

.קצב גידול השכבה .4

, כאשר מתייחסים לאוויר במיכל כגז אידיאלי: נפח כפונקציה של הלחץ ' האטומים ביח' נטפל תחילה במס

ה נפח וטמפרטור, עבור גז אידיאלי הקשר בין לחץ (.אידיאלי)חוק הבסיסי של הגזים ניתן להשתמש ב

:י "נתון ע

av BP V n R T N k T (1)

Page 3: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

3

:כאשר

P – לחץ במערכת.

V – נפח המערכת.

n – המולים של הגז במערכת' מס.

R – (. קבוע רידברג)קבוע הגזים 00.082057 22.4 @273liter atm liter atmd mol K mol

R K

T – המערכת' טמפ.

Nav - אבוגדרו' מס . 236.022 10 moleculesav mol

N

kB - קבוע בולטצמן . 231.3807 10 JB K

k

:י "נפח נתונה ע' צפיפות המולקולות ליח, מכאן

3/av

B

N PN molecules cm

V k T

(2)

מהלך החופשי של המולקולות "כלומר ב, של אטומי המתכת במיכל( התנועה)נטפל כעת ביכולת המעבר

:המוגדרת כ( λאו MFP: להלן " )בין התנגשויות

2

1

2MFP cm

N d

(3)

:כאשר

N – (2)י "צפיפות המולקולות כפי שהוגדרה ע.

d – קוטר המולקולה.

:ואז יתכנו שני משטרי זרימה של הגז במערכת Lי פרמטר "נגדיר מימד אופייני של המערכת ע

גז הזורם במערכת שממדיה גדולים מהמרחק ( :Fluid like/viscous)נוזלית /זרימה צמיגה .1

.MFP < L (λ<L): כלומר , הממוצע בין התנגשויות

גז הזורם במערכת שממדיה קטנים מהמרחק הממוצע (: Molecular flow)זרימה מולקולרית .2

MFP > L (λ>L.): כלומר , בין התנגשויות

וזאת על מנת להבטיח מעבר ישיר של אטומי המתכת ( זרימה מולקולרית) 2נדרוש לעבוד תחת תנאי

((3)-ו (2)-נגזר ישירות מ. )וךבלחץ נמקיום תנאי זה דורש עבודה . מהמקור למצע

10 –הלחץ הנדרש במקרה שלנו הנו מסדר גודל של-7

torr . הדרכים להשגת לחץ נמוך זה יפורטו

...בהמשך

:נטפל בשטף האטומים הפוגע במשטח, כעת

:לכן ניתן להגדיר מהירות ממוצעת כ , Boltzmanהתפלגות התפלגות המהירויות של המולקולות הנה

88[ sec]Bk TR T

v cmM m

(4)

:כאשר

M – מסה מולקולרית.

m – בודד( אטום)מסת מולקולה.

:י"ניתן ע( ממדים 3-ב)הקשר בין המהירות הממוצעת לאנרגיה הכוללת , כמו כן2 31

2 2 Bm v k T (5)

Page 4: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

4

:בהגדרת המהירות ובנוסחת הגזים יניב את הביטוי הבא , שימוש בקשר זה

2

3

n mP v

(6)

:זמן הוא' שטף האטומים הפוגעים ביחידת שטח של הפיסה ביח

4 2 B

n v P

m k T

(7.a)

22

2

. .

20

2

. .

3.51 10 ...4 sec

2.63 10sec

Torr

A M U K

Pa

A M U K

Pn v molecules

cmM T

P molecules

cmM T

(7.b)

-ניתן להגדיר את זמן היצירה של שכבה מונו, תחת ההנחה שכל אטום הפוגע בפני הפיסה נקשר אליה

:אטומית

secsNt

(8)

:כאשר

Ns – צפיפות מולקולרית ליחידת שטח.

Electron Gun Systemבמערכת נידוף מסוג ( G)הפרמטר האחרון בו נטפל הנו קצב גידול השכבה

(E-Gun: )

הנמצא בסירה מקוררת מים כפי שניתן לראות ( במקרה שלנו כרום)מערכת הנידוף כוללת חומר מקור

.1באיור

. E-Gunסכמת – 1איור

Page 5: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

5

כרוםפוגעת ב 4-8KeVמואצת על ידי שדה מגנטי באנרגיה של , קרן אלקטרונים נפלטת מסליל חם

.אטומים אלו פוגעים בפיסות ומצפים אותן. וגורמת לפליטת אטומי מתכת לחלל המנדפת

.2ל מנת לחשב את קצב גידול השכבה נשתמש במודל המוצג באיור ע

. (r0עבור פיסה על מעגל ברדיוס ) חישוב קצב הגידול – 2איור

:עבור מקור נקודתי כתלות בזוית הפיזור הינו מהצורהקצב הפיזור

0 2sec

mG Cos cm

r

(9)

:כאשר

secgm - קצב הפליטה של מקור המתכת.

3cmg - פות מקור המתכתצפי.

cmr - ממקור המתכת( פיסה)מרחק המטרה.

:הוא ( 2מאיור של המטרה ת הנטייה תוך התחשבות בזוי) קצב גידול השכבה, ועל כן

2sec

mG Cos Cos cm

r

(10)

זיק מצעים במחכדי להגיע לקצב גידול אחיד ולאפשר בו זמנית נידוף מספר רב של מצעים משתמשים

:במקרה זה מתקיים. r0כאשר כל המצעים והמקור נמצאים על שטח הפנים של מעגל ברדיוס פלניטרי

0

2rCos Cos

r (11)

: ללא תלות במיקום הפיסהומתקבל קצב גידול אחיד

2

0

sec4

mG cm

r

(12)

Page 6: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

6

הצללהי ועל כן יכול ליצור בעייה של יש לשים לב לעובדה כי המקור המנדף הוא בקרוב נקודת

(Shadowing )( משטחי פוטורזיסט לדוגמה)אזורים גבוהים יותר על פני הפיסה , כלומר, על פני הפיסה

הסיבוב מתבצע . י סבוב הפיסה תוך כדי התהליך"בעייה זו ניתן לפתרון ע. יצרו צל על אזורים נמוכים

.המחזיק הפלניטריי "ע

. בעיית ההצללה –איור

מערכות שאיבה ויצירת ואקום

:מערכות שאיבה מוגדרות על ידי מספר פרמטרים

.קצב העברת מסה ליחידת זמן: Q –ספיקה

.קצב העברת נפח ליחידת זמן: S –מהירות שאיבה

.P –לחץ

:הקשר בין גדלים אלו הנו

secAtm litterQ P S (13)

:הצינור או השסתום באופן הבא מוליכותה על ידי הגדרת הטיפול בצנרת נעש

sec

1 2

litterQ

CP P

(14)

:כאשר

P1 ו-P2 מייצגים את מפל הלחצים על הצינור(ΔP.)

:מניב מוליכות שקולה באופן הבא בטורחיבור צינורות 1

1 2

1 1SC

C C

(15)

:ולה מניב מוליכות שק במקבילחיבור צינורות

1 2PC C C (16)

Page 7: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

7

:שלבי התהליך

I. נידוף מתכת רצויה בעובי נדרש על פני כל הפיסה.

II. על פני כל הפיסה ( 'פר: להלן )שיטוח פוטורזיסט.

III. ופיתוחו( ' הפר להשאירכאשר באזורים בהם נרצה מתכת יש ) דרך מסכה ' חשיפת הפר.

יש . על פני האזורים בהם נדרוש ציפוי הפיסה במתכת' לאחר תהליך זה נקבל פר

מעל ' לא מוסר לחלוטין הפר', לשים לב כי עקב האדהזיה החזקה בין המתכת לפר

.כן דרוש שלב נוסף,אזורי המתכת המיותרים

IV. י שימוש בפלסמה "ע' איכול שאריות הפר( Plasma Etching)

V. (.שומר על האזורים הנדרשים מפני המאכל' הפר)איכול המתכת

VI. שהגן על המתכת' הסרת הפר.

פיסה

מתכת

פוטורזיסט

Page 8: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

8

מכשור

מנדפת

VST Evaporator“ מ אנחנו נשתמש במערכת"לקבלת שכבות מתכתיות על פני השטח של המל

model TFDS-462B " . (השער' ניתן לראותה בעמ ) המודל נועד לשימוש גם במכוני מחקר וגם

כדי להגיע ללחץ של. פשטות ההפעלה ומהירות השאיבה הגבוהה: יתרונות המערכת הם. בתעשייה

10-7

torr נראה גרף של שינוי לחץ בתא ואקום כתלות בזמן 5באיור .(בלבד)שעה אחת כות צריך לחכ

6כת נראה באיור מבנה סכמתי של המער. המתחילת השאיב

שינוי הלחץ בתא הנידוף כפונקציה של הזמן – 5איור

.

Page 9: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

9

.הנידוף העיקריים במערכת והשסתומיםמבנה סכמתי של מיקום המשאבות – 6איור

:כאשר

(.vacuum chamber)תא ואקום .1

.וגניתמשאבה קרי .2

.משאבה מכנית .3

מד לחץ .4

מד לחץ .5

שסתום ראשי .6

שסתום הורקה .7

שסתום שאיבה .8

.לתא ואקום רשסתום אוורו .9

.נדון כעת בכל אלמנט בסכמה

לקרן אלקטרונים המשמשת ( תותח)על המגש הוצב מקור . נמצא מגש תא הואקוםבחלק התחתון של

" פיסות מחזיק"בחלק העליון נמצא (. כורית)קטנה של חומר טהור להתזת אטומי החומר המנודף מפיסה

אלמנט זה מאפשר להניע את הפיסות בתא בזמן הנידוף במטרה לקבל ציפוי אחיד על פניהן . לנידוף

כמו כן קיימת אפשרות . 7ניתן לראות באיור פלניטרימחזיק פיסות (. פתרון הולם לבעיית ההצללה)

.פר את האדהזיה בין השכבה המנודפת לפיסהלחמם את חלל התא במטרה לש

.מחזיק פלניטרי – 7איור

36

9

8

72

1

4

5

36

9

8

72

1

4

5

Page 10: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

10

יה שמבוססת על בוכנה גלילית אקצנטרית הסובבת בתוך צילינדר בעל היא משאבת רוטצמשאבה מכנית

הבוכנה שואבת תוך סיבובה את הגזים מהכניסה ובהמשך דרכה מוציאה . שני פתחים לכניסה ויציאה

(8איור ) .מהיציאה אותם

משאבת רוטציה – 8איור

:תפקידי משאבה זו הם

10שאיבה של תא הואקום מלחץ אטמוספרי עד ללחץ של .1-3

torr ( שסתום שאיבהבמקרה זה –

.(סגור – שסתום הורקהסגור ו –שסתום ראשי , פתוח

סגור –שסתום ראשי , סגור – שאיבהשסתום במקרה זה ) המשאבה הקריוגניתרגנרציה של .2

.(פתוח – שסתום הורקהו

10 -מתחילה לעבוד כאשר הלחץ בתא הואקום מגיע לקריוגנית משאבה -2

-10-3

torr . נמדד )ברגע זה

עשוייה המשאבה הקריוגנית. שסתום ראשיופותחים שסתום שאיבהסוגרים את ( (5)מד לחץ י "ע

15-20 'פהנמצא בטמ, ממשטח מצופה בפחמן פעיל0K (באמצעות הליום נוזלי רקירו .) משטחים גדולים

מבנה המשאבה מוצג . י כך מורידות את הלחץ בו"של פחמן סופחים מולקולות המגיעות מחלל התא וע

.9באיור

Page 11: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

11

שסתום )סגור בזמן שאיבת התא ופתוח אחרי שתהליך הנידוף הסתיים –שסתום אוורור לתא ואקום

על מנת לאפשר , וזאת במטרה להעלות לחץ בתא עד לחץ אטמוספרי( יםסגור שסתום שאיבהו ראשי

.למשתמש לפתוח את התא לביצוע טעינה וריקה של פיסות

משאבה קריוגנית – 9איור

:המערכת מבפנים

Cryogenic Pump Turbo Molecular PumpCryogenic Pump Turbo Molecular Pump

Page 12: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

12

:התהליךתיאור -המנדפת VST evaporator model TFDS-462B

בת וואקום גבוה במיוחדמותאמת לנידוף מתכות שונות בסבי.

אקדח אלקטרונים -הנידוף מתבצע בשני אופנים(E-gun) ,מקור תרמי.

אלומניום , כרום, כסף, זהב, טיטניום -כוריות עם מתכות שונות/לאקדח אלקטרונים יש ששה תאים

.וסליקא

"הסירה התרמית"- Thermal boat זהב ונחושת, מתאימה עבור גרמניום.

קירור מתחת ל -"ילר'צ"ובמיוחד קירור מחזיק הדוגמא מתבצע בעזרת הקירור של המערכתC180

.

חימום המתכת מתבצע בששה שלבים שלאחרם מגיע שלב שביעי של קירור כפי שמוצג בסכימה

-:הבאה

ד לשם מניעת אפקט ההצללה "סל 20מחזיק הדוגמא מתחיל להסתובב במהירות של , לפני הקיבוע

.יפול זה מביא לאחידות מקסימלית של הסובסטרטט. שהוסבר קודם לכן

בתוך המכונה ממוקם קריסטל שתפקידו לנטר את העובי של שכבת הסובסטרט המתקבלת בנידוף

.המתכת

המערכת עוברת קירור, בסוף התהליך ולאחר קבלת העובי הרצוי.

Page 13: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

13

אלקטרונים תותח/נידוף תרמי לעומת נידוף באקדח

Thermal evaporating E-gun evaporating

ממוקמת בצד הימני הרחק " הסירה התרמית" .ממחזיק הדוגמא

הכורית עם המתכת נמצאת הישר במרכז .מתחת למחזיק הדוגמא

.תהליך הנידוף הינו אורתוגונאלי .תהליך הנידוף אינו אורתוגונאלי

.הכורית עשויה מפחמן יסודי .הסירה התרמית עשויה טונגסטן

.c00111הכורית יציבה תרמית עד .c00111 הסירה יציבה עד

בנקודה מסוימת כן ישנה אינטראקציה בין .הסירה למתכת

לא צפויה ריאקציה בין הכורית המתאימה .למתכת המנודפת

:תוכנת המערכת היא מאפשרת שליטה בפרמטרים של הניסוי כגון עובי , התוכנה הינה מאוד ידידותית ופשוטה להפעלה

.סוג המתכת ומאפשרת בקרה לתהליך הכולל, אופן הנידוף, השכבה

Page 14: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

14

מהלך הניסוי

.הסבר על פעולת המנדפת .1

.SiO2נידוף שכבת כרום על גבי פיסה .2

, כגון שערים חשמליים( עובי השכבה המנודפת/תלוי בכיוון)ציפייה לקבלת התקנים חשמליים .3

.נגדים וקבלים

.(2' מצורף הסבר מעמיק בנספח מס)יוצרו ים שלקבל C-Vמדידת אופיין קיימת אפשרות ל . 4

אפיון חשמלי של שכבת תחמוצתמטענים חשמליים . י מתח השער"נשלט מצב פני השטח במוליך למחצה ע MOSתקני הב

או בשכבת התחמוצת עצמה משפיעים על פוטנציאל פני השטח Si-SiO2הנמצאים בפני המשטח

מדידת קיבול כפונקציה של ) CVבעזרת מדידת . ועקב כך על תכונות ההתקנים, במוליך למחצה

לחשב את ריכוז הסייגים , ניתן בין היתר ללמוד על המצאות והשפעת מטענים בתחמוצת (מתח השער

התוצאות . ועוד, (אם ידוע שטח האלקטרודה)לחשב את עובי התחמוצת , (בהנחה שהוא אחיד)במצע

: העיקריות בהן נשתמש

CqN

4C =

q N

kT

VQ

C

kT

qln

N

n

min,HF

0 Si

F

s,FB

2

0 Si

FB MS

ss

ox

F

i

– ε 0, קבוע בולצמן – k, טמפרטורה – T, ריכוז הסיגים במצע – N, מטען האלקטרון– q: רכאש

ריכוז נושאי מטען בחומר – ni, סיליקוןמקדם דיאלקטרי של – si ε, מקדם דיאלקטרי של הריק

מטענים בפני – Qss, של המתכת על הסיליקון( פוטנציאל)פונקצית העבודה – Φms, אינטרינסי

.פוטנציאל רמת פרמי – ΦF, קיבול התחמוצת – Cox, תחמוצת-בת מעבר סיליקוןהשטח בשכ

נדרשת לנו אלקטרודת מתכת מכיוון שסיליקון ותחמוצת יש בידנו MOS -כדי ליצור את קבל ה

י הנחת אלקטרודת מתכת על גבי התחמוצת וכך "את שכבת המתכת אנו מקבלים ע. לאחר החמצון

.מתקבל קבל

:ת בפסקה הבאה שצוטטה מהספרכפי שניתן לראו

Introduction to microelectromechanical systems engineering

Nadim Maluf,Kirt Williamsמאת

Page 15: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

15

ועל כן סיליקון אוקסיד וכולי, הרבה מתכות אינרטיות כגון זהב אנין מפגינות תכונות אדהזיה כלפי סיליקון

שתפקידה לקשר את כגון טיטניום מגשרת ל מנדפים תחילה שכבה דקה"רטים הנעל הסובסט ןלשם נידופ

.המתכת האינרטית לסובסטרט

Page 16: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

16

מדריך למשתמש - 1נספח

Page 17: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

17

CVמדידת : 2נספח

Page 18: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

18

Page 19: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

19

Page 20: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

20

Page 21: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

21

Page 22: Thin Layer Deposition -EVAPORATION

22

רשימת מקורות

1. D. Burkman, “Optimizing the Cleaning Procedure for Silicon Wafers Prior to High

Temperature Operations, Semicond. Int., 4, 103, (1981).

2. Physics and Technology of Semiconductor Devices, A.S. Grove, Wiley, New York,

1967.

3. B.E. Deal, and A.S Grove, “General Relationships for the Thermal Oxidation of

Silicon”, J. Appl. Phys., 36, 3770, (1965).

4. VLSI Technology, S.M. Sze, McCraw-Hill International, 1983.

5. VLSI Fabrication Principles, Silicon and Gallium Arsenide, S.K. Ghandhi, Wiley, New

York, 1983.

6. Introduction to Microelectronic Fabrication, R.C. Jaeger Modular on Solid State Devices

Vol. V., Prentice Hall 2nd Edition 2002.

7. The Science and Engineering of Microelectronics Fabrication, S. A. Campbell, Oxford

University Press Inc.1996.

8. Silicon VLSI Technology Fundamentals, Practice and Modeling, J. D. Plummer, M. D.

Deal, P. B. Griffin, Prentice Hall, Inc, 2000.,

9. Silicon Processing for the VLSI Era Vol. 1, 2, 3, 4, S. Wolf, Lattice Press 2000.

10. http://sites.google.com/site/hujinanocfab/facilities-and-equipment/vst-e-user-s-manual