Ion Beam Nedfall - Søknader og Fordeler ved Oxford Instruments Plasma Technology

Emner som dekkes

Oversikt

Dette notatet presenterer en gjennomgang av Ion Beam Technology. I denne gjennomgangen de viktigste programmene og fordelene ved å bruke Ion Beam teknologi for deponering prosesser i forhold til teknologi, slik som plasma eller fordampingen (PVD) vil bli presentert. Til å begynne med, vil en oversikt over hvordan en ion stråle genereres beskrives. Dette vil da bli etterfulgt av en presentasjon og diskusjon av noen fordelaktige anvendelser av ion stråle teknologi.

Hva er en Ion Beam Source?

Hovedsak er en ion stråle kilde en plasma kilde utstyrt med et sett av nett slik at en strøm av ioner som skal ekstraheres. Våre ion stråle kilde har følgende tre hoveddeler: utslipp kammer, rutenettene og nøytraliseringsmiddel.

Ioner er produsert i utslippet kammer ved å utsette en gass (vanligvis argon) til en RF-felt. Gassen blir matet inn i en kvarts eller alumina kammer med en RF-drevet spiral antenne rundt det. RF-feltet excites frie elektroner før de har nok energi til å bryte gass atomer inn ioner og elektroner, og dette er referert til som "induktiv kopling". Gassen er dermed ioniserte og plasma er etablert. Ende-til-ende RF spenning på antennen kan nå høye verdier. Effekten av denne spenningen på ioner kan være en elektrostatisk kraft som vil skape stor spenning ioner. Selv om denne effekten ville gjøre ion kilden lett å starte, vil disse ionene erodere ion kilden ved sputtering, skade det og skape forurensning i prosessen, og dette er referert til som "kapasitiv kopling".

Ion Beam Kilder fra Oxford Instruments

I Oxford ion kilden, er kapasitiv kobling undertrykkes ved å plassere en elektrostatisk skjold inne i kvarts kammeret slik at bare den RF magnetisk komponent for å overføre energi til gassen atomer. Den elektrostatiske skjold forhindrer det elektriske feltet, generert over spolen av RF-antenne, kommer inn i ion kilden. Det hjelper også å bryte opp noen sammenhengende drive belegg fra innskudd på innsiden av kvarts plasma tube som kan skjermen og redusere plasma generasjon effektiviteten av RF power.

Rister

Rollen til nett er i hovedsak å akselerere ioner med høy hastighet. Vanligvis er våre nett sett laget av to eller tre nett (se Figur 1a). Rutenettene har en bestemt hull mønster med mange åpninger, det er kombinasjonen av alle de individuelle beamlets som danner strålen. Inter-grid separasjon og grid krumning er også viktige avhengig av programmet som kreves, for eksempel avhengig av målet størrelsen å være freste eller deponering rate.

Våre ion kilde produserer en lav temperatur plasma med treg (kald) ioner (<1 EV) som kan ekstraheres fra ion kilden via nett med en veldefinert energi, og som ikke medfører noen vesentlige erosjon av rutenettet struktur.

Tatt i betraktning en tre rutenett system, gir en spesifikk anvendt potensial forskjellen eller spenningen over nett drivkraften for ioner. Den indre rutenett i kontakt med plasma, kalt "skjerm rutenett", er den som setter strålen spenning eller energi. Dette er satt til et positivt potensial i forhold til bakken. Når gjennom skjermen rutenett hull, er et negativt potensial i forhold til bakken og dermed langt mer negative i forhold til skjermen rutenett brukes til å akselerere ionene. Det totale potensialet Forskjellen representerer utvinning spenningen for strålen. Den tredje "decelerator" grid er vanligvis jordet og hjelper beam kollimasjon (reduserer divergens av strålen), undertrykker elektron back-streaming og reduserer redeposition av freste materiale tilbake på gasspedalen rutenett og inne kilden. Dette i sin tur øker tidsrommet mellom nedetid for grid rengjøring og også gjør nett rengjøringen enklere. Den endelige energi utvunnet ioner er lik den innstilte strålen energi (V _B) (se Figur 1b).

Figur 1. En tre rutenett beam dannelsen struktur

Neutralisers

Endelig er det tredje elementet som utgjør Oxford ion kilden en nøytraliseringsmiddel, som er utgangspunktet et elektron kilde som balanserer kostnad av ioner i strålen slik som å redusere plass-charge effekter forårsaker beam divergens gjennom gjensidig frastøting av ioner og i orden å hindre lading av det opplyste wafer eller mål. Vanligvis er flere elektroner avgis fra nøytraliseringsmiddel enn ioner fra kilden, men disse vanligvis ikke direkte kombinere med ion stream å danne nøytrale atomer. Beam divergens er en funksjon av mange parametere, er V _B (beam spenning), _B I (beam Current), V _A (akselerator spenning), _N I (nøytraliseringsmiddel nåværende), etc. og også påvirket av gass-spredning, avhengig av kammeret trykk, som er en grunn til å holde kammer trykket så lavt som mulig. Samspillet er komplekst og optimalisering er en prosess med å balansere de ulike parametrene til ønsket resultat er oppnådd.

Basic Dual Ion Beam Sputtering Chamber Set Up

Den grunnleggende DIBS (Dual Ion Beam Sputtering) kammer satt opp, se figur 2 nedenfor, består av en avsetning kilde som nøyaktig fokuserer en nøytralisert ion stråle mot et mål med minimal overhøringen for å unngå forurensning av innskudds filmer. Dette gjør at materialer som Au, Cr, Ti, Pt for metall spor, magnetiske materialer som Fe, Co, Ni, etc. eller dielektrika eksempel ₂ SiO, Al ₂ O _3, etc. som skal deponeres (listen er ikke -uttømmende).

Det omfatter også en assist / etch kilde som kan fylle ulike funksjoner: Den kan brukes til å etse (eller ion mill) i underlaget, det kan gi "hjelp" til avleiring prosessen ved å bombardere den deponere filmen med energiske ioner som kan forbedre eller modifisere filmen egenskapene eller støkiometri av fysiske og / eller kjemisk påvirkning, det kan også brukes som en lav-energi pre-clean av underlaget før deponering. Noen ganger er denne kilden brukes uten nett som en plasma kilde av "termisk" aktiveres radikaler for kjemisk modifisering av deponerer materialet samtidig minimere fysiske bombardement av underlaget.

Den Ionfab Verktøyet kan også leveres med kun en eller annen av de ovennevnte ion kilder, enten for deponering der assistere eller etch ikke er nødvendig for prosessen, eller som en etsning / fresing / overflate modifikasjon redskap der ingen deponering er nødvendig.

Figur 2. Skjematisk visning av en Ionfab system

Deponering av materialer ved hjelp Ion Beam Nedfall

Noen av de vanligste materialene deponeres er oksider som Al _{2 3} O, Ta ₂ O _5, SiO ₂ og TiO ₂ (vanligvis fra Al _{2 3} O, Ta, Si, SiO ₂ og Ti mål og med O ₂ lagt til prosess gass). Faktisk, kan O ₂ bli introdusert enten direkte inn i kammeret eller gjennom avsetning og / eller bistå kilde; dette gjør støkiometriske dielektrika å bli deponert enten fra en stochiometric dielektrikum mål, hvor oksygenmangel under sputtering erstattes, eller fra et metall mål i reaktiv modus der freste metall atomene er oksidert på et tidspunkt som kan være på målet, under transporten til underlaget eller på underlaget hvis en oksygen-bærende bistå beam eller plasma brukes. Den andre kilden kan også brukes for substrat pre-clean til, for eksempel oppnå bedre vedheft av filmene eller fjerne innfødte oksider, eller som en fysisk bistå under avsetning til ytterligere fortettes filmene.

Det samme kan gjøres for nitride deponering, f.eks Si ₃ N ₄ med en Si ₃ N ₄ målet og N ₂ i kammeret eller bistå kilde. Andre, mer "eksotiske", materialer, for eksempel ₂ MGF, ₃ LAF, ₂ Nb O _{5, 3} ZrO, Y _{2 3} O, tungolje ₂ YF ₃ osv., kan også være deponert av (reaktiv og / eller assistert) ion bjelke sputtering og listen inkluderer slikt materiale som VO _X som krever ekstremt presis kontroll over prosessen gass forholdstall for å tillate svært spesifikk termo-elektriske egenskaper skal oppnås for sensitive termografi applikasjoner.

Kontroll Egenskaper og Vekst av Films Bruk Tools fra Oxford Instruments

Våre verktøy gjør også at underlaget skal roteres og tilbøyelig forhold til frese flux retning noe som gir ytterligere "tuning" av film vekst / egenskaper samt skritt dekning kontroll for deponering på overflaten topologi. Nedfall priser vil være lavere enn fordampning, men dette tillater mye mer kontroll med en mye mer reproduserbar og forutsigbar avsetning sats slik at svært presis tykkelsen kontroll bare ved timing. Materialet er også freste og deponert i en mye lavere temperatur miljøet enn fordampingen. Selve underlaget Temperaturen kan dermed holdes svært lavt under prosesseringen bruker helium matet back-side kjøling evne.

Ion Beam Nedfall og lavtrykk Miljøer

Ion stråle deponering kjører i en mye lavere trykk miljø (i 10 ^-4 Torr utvalg eller lavere) enn standard magnetron sputtering, så noen frese gass (f.eks Ar) inkludering i filmen er mye mindre av et problem (som også er sant for fordampning). Middelverdien fri bane av ioner og freste materiale er derfor sterkt forhøyet, noe som også hemmer thermalisation av freste materiale også, noe som resulterer i innskudd atom kinetisk energier (vanligvis mellom 1 og 100 eV) mye høyere enn for eksempel i tilfelle av fordampet atomer ,.

Ion Beam Nedfall og Surface Pre-Clean og Film Stress kontroll

Siden substrat forberedelse og / eller film stress er som regel årsaken til problemene i heft for tykkere filmer, ion stråle deponering kan gi både overflaten pre-ren og film stresset kontroll ved den andre ion kilden. Videre ion stråle deponering ikke lider av problemet med "spytter" ofte sett i fordampning.

The Quality of Ion Beam Deponert Films

Det deponerte Filmen kvaliteter kan deles inn i optisk og mekanisk kategorier:
Optiske egenskaper av en tynn film er preget av følgende egenskaper:

• Transmisjon (assosiert med spredning verdier og homogenitet)
• Absorpsjon (assosiert med gjennomsiktighet egenskaper)
• Scatter (assosiert med overflateruhet og volum defekter)

Våre dedikerte ion stråle optisk coaters gi gode scatter tap resultater takket være glatte film deponering. Figur 3 nedenfor viser noen eksempler på enkle oksid lag av SiO ₂ og TiO ₂ på Si wafer. En overflateruhet av 0.22nm rms for Si ₃ N ₄ deponert på en Si wafer har også vært målt.