eng
Выпуск #4/2017
С.Конаков
Технология микрореакторного осаждения тонких пленок и наноструктур – новый подход к исследованию процесса химического осаждения из газовой фазы
Технология микрореакторного осаждения тонких пленок и наноструктур – новый подход к исследованию процесса химического осаждения из газовой фазы
Просмотры: 3878
В статье анализируется современное состояние развития метода химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ). Определена основная проблема технологии и анализируются ее фундаментальные причины. Показаны дефицит экспериментальной информации о результатах ХОГФ, а также несовершенство подходов к организации опытных исследований, что ведет к сложности оптимизации технологии получения тонких пленок с заданными физико-химическими параметрами. Для решения этой проблемы впервые предлагается использовать технологию микрореакторного ХОГФ. Сформулировано определение этого метода, описаны его основные свойства.
УДК 621.793
ВАК 05.27.06
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.75.4.76.82
УДК 621.793
ВАК 05.27.06
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.75.4.76.82
Теги: chemical vapor deposition microreactor thin films xимическое осаждение из газовой фазы μr cvd микрореактор мр хогф тонкие пленки
Химическое осаждение из газовой фазы (ХОГФ) или в зарубежной терминологии Chemical Vapor Deposition (CVD) является одной из базовых технологий современной микро- и наноэлектроники [1]. С ее помощью на подложках создаются металлические, полупроводниковые и изолирующие слои толщиной до сотен микрон [2]. Метод ХОГФ и его модификации составляют универсальную технологию получения тонких пленок, в том числе и с наноструктурой. Современный этап развития метода ХОГФ имеет следующие особенности:
• широкая номенклатура осаждаемых материалов. Число веществ, которые можно получить методом ХОГФ достигает нескольких сотен [2];
• неоднородность научных знаний. Существует большое число работ по исследованию соединений, используемых при производстве высокотехнологичных изделий (SiO2, Si3N4, TiO2, C, SiC, GaAs, Ni и др.). Другие вещества исследованы хуже, причем по осаждению некоторых материалов, например ZrB2, имеется чуть более десятка работ [3];
• сложность и недостаточная изученность физико-химических процессов, происходящих во время осаждения из газовой фазы. Процесс ХОГФ включает множество явлений на разных пространственных и временных масштабах, поэтому его детальное изучение очень трудоемко.
Перечисленные особенности приводят к тому, что разработка новых технологических процессов ХОГФ сталкивается с существенными практическими трудностями. Большинство из них можно свести к решению задачи оптимизации технологии для получения покрытий с заданными физико-химическими свойствами. На сегодняшнем этапе развития ХОГФ задача оптимизации наиболее часто встречается в научной и инженерной практике.
Основную проблему современной технологии ХОГФ можно сформулировать как отсутствие общей теоретически обоснованной модели технологического процесса, которая имела бы достаточную точность в описании имеющихся экспериментальных данных и была бы пригодна для решения задач оптимизации. В настоящий момент нет обобщенных подходов, которые позволили бы проводить оптимизацию технологического процесса ХОГФ по свойствам получаемых покрытий или другим параметрам.
ОБЪЕКТИВНЫЕ ПРИЧИНЫ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ
Для исследования причин существования проблемы сформулируем этапы построения задачи оптимизации технологии ХОГФ. На практике, на первом этапе формулируются требования к функциональным свойствам покрытия, причем рассматривается не единичный параметр, а целый набор свойств, поэтому в общем случае мы имеем задачу многопараметрической оптимизации. На втором этапе могут формулироваться требования к пленке на микроуровне, например, ограничения по составу, примесям, дефектам и др. На третьем этапе происходит выбор основной технологической схемы процесса ХОГФ, то есть выбор прекурсоров, способа инициации химической реакции, технологического оборудования. На основе этого определяется число важных технологических параметров и границы диапазона их изменений. Далее формулируется задача оптимизации – найти такое сочетание технологических параметров процесса ХОГФ, которое обеспечивало бы осаждение пленки с набором требуемых характеристик, отличающихся от заданных в пределах допуска.
Упростить задачу можно путем использования дискретного набора возможных значений аргументов, то есть рассматривая некоторый массив точек во всей области изменения технологических параметров. При этом каждая точка соответствует условиям проведения конкретного эксперимента по ХОГФ. Тогда возможно прямое решение задачи оптимизации, которое заключается в проведении экспериментов во всех точках рассматриваемой области изменения параметров, после чего по измеренным свойствам осажденной пленки выбираются значения, удовлетворяющие условиям задачи. Можно оценить число необходимых опытов, если в качестве основных технологических параметров рассматривать температуру подложки, давление, расход газа, химический состав газовой смеси (например, из двух независимых компонентов). Если каждый из этих пяти параметров может принимать только десять различных значений, то общее число необходимых для проведения экспериментов составит 105. При традиционном подходе к выполнению ХОГФ и рациональной затрате ресурсов провести такое число экспериментов невозможно. Отсюда следует вывод, что практическое решение задачи оптимизации процесса ХОГФ проводится при существенном дефиците экспериментальной информации. Эта ключевая характеристика современного состояния исследований, которая напрямую влияет на возможности оптимизации.
НОВЫЙ ПОДХОД К ПРОВЕДЕНИЮ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЦЕССА ХОГФ
Для коренного изменения сложившейся ситуации необходим новый подход, который позволил бы провести более 105 опытов при использовании рационального количества ресурсов. Такой подход должен удовлетворять следующим условиям:
• низкая стоимость одного эксперимента. Для этого следует минимизировать количество технологических материалов (газов прекурсоров, материала подложки);
• максимальная автоматизация процессов осаждения и исследования свойств полученных материалов. Автоматизация позволяет снизить трудозатраты на одну операцию (понизить ее стоимость).
Таким образом, новый процесс ХОГФ предполагает использование автоматической технологической линии, в которой осаждение тонкой пленки происходит с минимальными затратами газовых реагентов на маленькой площади подложки, как бы "точечно". При этом область осаждения должна смещаться относительно подложки с формированием массива таких "точек". Для анализа этого массива следует использовать технологическое оборудование, которое позволяет в автоматическом режиме выполнять сканирование и картографию подложки. Этот процесс является стандартным на предприятиях, производящих микроэлектронику. Таким образом, единственным недостающим компонентом, который пока не позволял реализовать описанную методику, является сам способ "точечного" осаждения.
ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОРЕАКТОРНОГО ОСАЖДЕНИЯ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
Для решения вопроса локального, "точечного" осаждения материалов разработана специализированная технология, которая называется микрореакторное химическое осаждение из газовой фазы (далее МР ХОГФ, или µR CVD в англоязычном обозначении). Введем два определения:
• микрореакторное химическое осаждение из газовой фазы (МР ХОГФ, µR CVD или ХОГФ в микрореакторе) – модификация метода ХОГФ, основной отличительной особенностью которой является проведение осаждения в локализованной области на поверхности подложки с характерными размерами от 1 мм и менее, что достигается за счет особого способа струйной подачи газовой фазы в область над подложкой;
• микрореактор для МР ХОГФ – устройство микросистемной техники, которое благодаря системе микроканалов обеспечивает особую конфигурацию выходной газовой струи для локализации области осаждения на подложке, располагаемой на расстоянии от единиц до сотен микрон от микрореактора.
Применение микрореактора позволяет проводить локальное, "точечное" осаждение материала на подложку. Соответственно, он является основным функциональным элементом технологической линии для проведения большого количества опытов по ХОГФ. В нее также входят система перемещения микрореактора относительно подложки, вакуумная и газовая системы.
ПРИНЦИП ЛОКАЛИЗАЦИИ ОБЛАСТИ ОСАЖДЕНИЯ В МИКРОРЕАКТОРЕ
Ключевой особенностью метода МР ХОГФ является локализация области осаждения. Физические причины этого явления можно проиллюстрировать на примере самой простой конструкции микрореактора с единичным микроканалом. В этой модели используется точечный источник газовой фазы, которая движется в плоском зазоре, образованном стенками микрореактора и подложкой, как показано на рис.1.
В процессе реакции осаждения пленки исходные компоненты газовой смеси расходуются, и их концентрация будет уменьшаться с удалением от источника. Соответствующее распределение концентрации реагентов над подложкой обуславливает распределение скорости осаждения. С использованием моделирования работы реактора в режиме идеального вытеснения, аналитическим путем можно получить кривую распределения скорости осаждения от расстояния до источника. Моделирование с применением численных методов решения задач механики вязкого реагирующего газа также показывает наличие локализации скорости осаждения. В работах [4, 5] приведены описания и результаты расчетов для некоторых процессов МР ХОГФ. На рис.2 представлен типичный график распределения скорости осаждения в микрореакторе.
Для оперативных численных оценок профиля осаждения можно использовать его полуширину, которая определяется на графике зависимости толщины осажденной пленки или скорости осаждения от радиуса (это прямые данные, получаемые при измерении на профилометре). Анализ физико-химических процессов, происходящих в микрореакторе, позволяет сформулировать основные факторы, от которых зависит распределение скорости осаждения:
• скорость поверхностной химической реакции;
• температура подложки;
• давление газа над подложкой;
• концентрации исходных компонентов в газовой смеси;
• скорость движения газа в зазоре между микрореактором и подложкой.
Даже обобщенный обзор показывает, что, рассматривая непосредственно измеряемую величину полуширины профиля осаждения, можно судить о скорости поверхностной химической реакции, ее зависимости от температуры, давления, концентрации исходных веществ, а также о влиянии диффузии на процесс осаждения. Естественно, при этом достигается и основная цель, для которой была предложена технология МР ХОГФ, – проведение большого числа экспериментов при рациональной затрате ресурсов.
Для численной оценки предположим, что в качестве подложки используются пластины стандартного диаметра 100 мм. Будем считать, что при применении МР ХОГФ можно проводить осаждение в области диаметром 100 мкм. Для исключения взаимного влияния соседних точек расположим их на расстоянии 1 мм друг от друга. Тогда на одной подложке можно расположить более 7 000 областей осаждения, соответствующих экспериментам с разными условиями. Для покрытия выборки из 105 опытов необходимо использовать всего 15 пластин – рациональное количество даже для лабораторного исследования.
Таким образом, предложенный подход к организации экспериментальных исследований процесса ХОГФ с применением микрореакторов позволяет эффективно проводить опыты с целью набора большого количества статистической информации. МР ХОГФ является сегодня единственным методом, который способен разрешить проблему дефицита экспериментальной информации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе определена основная проблема технологии ХОГФ на современном этапе ее развития – отсутствие общей теоретически обоснованной модели технологического процесса, которая обеспечивала бы достаточную точность описания имеющихся экспериментальных данных и была бы пригодна для решения задач оптимизации. Причиной данной проблемы является недостаток экспериментальной информации. Это объясняется большим количеством технологических параметров, которые должны быть включены в рассмотрение процесса, а также тем, что современные подходы к постановке экспериментов по ХОГФ не позволяют при использовании рационального количества ресурсов проводить систематическую экспериментальную работу, охватывающую все поле допустимых значений технологических параметров.
Предлагаемый метод МР ХОГФ отличается реализацией осаждения на малой площади подложки с минимальным расходом прекурсоров, что позволяет в автоматическом режиме проводить множество экспериментов (более 105). Непосредственная оценка результатов осаждения с применением стандартного аналитического оборудования позволяет получать информацию о физико-химических закономерностях исследуемого процесса ХОГФ. Опытные данные могут использоваться как для решения текущих задач, так и для обобщения при построении теоретически обоснованной модели технологического процесса ХОГФ. Практическая реализация МР ХОГФ будет способствовать развитию технологии ХОГФ и существенному расширению сферы ее практического применения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kern W. Thin film processes II. – Academic press, 2012. Т. 2.
2. Pierson H.O. Handbook of chemical vapor deposition: principles, technology and applications. – William Andrew, 1999.
3. Wang P et al. Polycrystalline ZrB2 coating prepared on graphite by chemical vapor deposition // Physica status solidi (b).
2016. Т. 253. № 8. С. 1590–1595.
4. Konakov S.A., Krzhizhanovskaya V.V. Modeling chemical vapor deposition of silicon dioxide in microreactors at atmospheric pressure // Journal of Physics: Conference Series // IOP Publishing, 2015. Т. 574. № 1. С. 012145.
5. Konakov S.A., Krzhizhanovskaya V.V. A novel three-jet microreactor for localized metal-organic chemical vapour deposition of gallium arsenide: design and simulation // Journal of Physics: Conference Series // IOP Publishing. 2016. Т. 741. № 1. С. 012018.
* Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого / Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University.
• широкая номенклатура осаждаемых материалов. Число веществ, которые можно получить методом ХОГФ достигает нескольких сотен [2];
• неоднородность научных знаний. Существует большое число работ по исследованию соединений, используемых при производстве высокотехнологичных изделий (SiO2, Si3N4, TiO2, C, SiC, GaAs, Ni и др.). Другие вещества исследованы хуже, причем по осаждению некоторых материалов, например ZrB2, имеется чуть более десятка работ [3];
• сложность и недостаточная изученность физико-химических процессов, происходящих во время осаждения из газовой фазы. Процесс ХОГФ включает множество явлений на разных пространственных и временных масштабах, поэтому его детальное изучение очень трудоемко.
Перечисленные особенности приводят к тому, что разработка новых технологических процессов ХОГФ сталкивается с существенными практическими трудностями. Большинство из них можно свести к решению задачи оптимизации технологии для получения покрытий с заданными физико-химическими свойствами. На сегодняшнем этапе развития ХОГФ задача оптимизации наиболее часто встречается в научной и инженерной практике.
Основную проблему современной технологии ХОГФ можно сформулировать как отсутствие общей теоретически обоснованной модели технологического процесса, которая имела бы достаточную точность в описании имеющихся экспериментальных данных и была бы пригодна для решения задач оптимизации. В настоящий момент нет обобщенных подходов, которые позволили бы проводить оптимизацию технологического процесса ХОГФ по свойствам получаемых покрытий или другим параметрам.
ОБЪЕКТИВНЫЕ ПРИЧИНЫ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ
Для исследования причин существования проблемы сформулируем этапы построения задачи оптимизации технологии ХОГФ. На практике, на первом этапе формулируются требования к функциональным свойствам покрытия, причем рассматривается не единичный параметр, а целый набор свойств, поэтому в общем случае мы имеем задачу многопараметрической оптимизации. На втором этапе могут формулироваться требования к пленке на микроуровне, например, ограничения по составу, примесям, дефектам и др. На третьем этапе происходит выбор основной технологической схемы процесса ХОГФ, то есть выбор прекурсоров, способа инициации химической реакции, технологического оборудования. На основе этого определяется число важных технологических параметров и границы диапазона их изменений. Далее формулируется задача оптимизации – найти такое сочетание технологических параметров процесса ХОГФ, которое обеспечивало бы осаждение пленки с набором требуемых характеристик, отличающихся от заданных в пределах допуска.
Упростить задачу можно путем использования дискретного набора возможных значений аргументов, то есть рассматривая некоторый массив точек во всей области изменения технологических параметров. При этом каждая точка соответствует условиям проведения конкретного эксперимента по ХОГФ. Тогда возможно прямое решение задачи оптимизации, которое заключается в проведении экспериментов во всех точках рассматриваемой области изменения параметров, после чего по измеренным свойствам осажденной пленки выбираются значения, удовлетворяющие условиям задачи. Можно оценить число необходимых опытов, если в качестве основных технологических параметров рассматривать температуру подложки, давление, расход газа, химический состав газовой смеси (например, из двух независимых компонентов). Если каждый из этих пяти параметров может принимать только десять различных значений, то общее число необходимых для проведения экспериментов составит 105. При традиционном подходе к выполнению ХОГФ и рациональной затрате ресурсов провести такое число экспериментов невозможно. Отсюда следует вывод, что практическое решение задачи оптимизации процесса ХОГФ проводится при существенном дефиците экспериментальной информации. Эта ключевая характеристика современного состояния исследований, которая напрямую влияет на возможности оптимизации.
НОВЫЙ ПОДХОД К ПРОВЕДЕНИЮ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЦЕССА ХОГФ
Для коренного изменения сложившейся ситуации необходим новый подход, который позволил бы провести более 105 опытов при использовании рационального количества ресурсов. Такой подход должен удовлетворять следующим условиям:
• низкая стоимость одного эксперимента. Для этого следует минимизировать количество технологических материалов (газов прекурсоров, материала подложки);
• максимальная автоматизация процессов осаждения и исследования свойств полученных материалов. Автоматизация позволяет снизить трудозатраты на одну операцию (понизить ее стоимость).
Таким образом, новый процесс ХОГФ предполагает использование автоматической технологической линии, в которой осаждение тонкой пленки происходит с минимальными затратами газовых реагентов на маленькой площади подложки, как бы "точечно". При этом область осаждения должна смещаться относительно подложки с формированием массива таких "точек". Для анализа этого массива следует использовать технологическое оборудование, которое позволяет в автоматическом режиме выполнять сканирование и картографию подложки. Этот процесс является стандартным на предприятиях, производящих микроэлектронику. Таким образом, единственным недостающим компонентом, который пока не позволял реализовать описанную методику, является сам способ "точечного" осаждения.
ТЕХНОЛОГИЯ МИКРОРЕАКТОРНОГО ОСАЖДЕНИЯ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
Для решения вопроса локального, "точечного" осаждения материалов разработана специализированная технология, которая называется микрореакторное химическое осаждение из газовой фазы (далее МР ХОГФ, или µR CVD в англоязычном обозначении). Введем два определения:
• микрореакторное химическое осаждение из газовой фазы (МР ХОГФ, µR CVD или ХОГФ в микрореакторе) – модификация метода ХОГФ, основной отличительной особенностью которой является проведение осаждения в локализованной области на поверхности подложки с характерными размерами от 1 мм и менее, что достигается за счет особого способа струйной подачи газовой фазы в область над подложкой;
• микрореактор для МР ХОГФ – устройство микросистемной техники, которое благодаря системе микроканалов обеспечивает особую конфигурацию выходной газовой струи для локализации области осаждения на подложке, располагаемой на расстоянии от единиц до сотен микрон от микрореактора.
Применение микрореактора позволяет проводить локальное, "точечное" осаждение материала на подложку. Соответственно, он является основным функциональным элементом технологической линии для проведения большого количества опытов по ХОГФ. В нее также входят система перемещения микрореактора относительно подложки, вакуумная и газовая системы.
ПРИНЦИП ЛОКАЛИЗАЦИИ ОБЛАСТИ ОСАЖДЕНИЯ В МИКРОРЕАКТОРЕ
Ключевой особенностью метода МР ХОГФ является локализация области осаждения. Физические причины этого явления можно проиллюстрировать на примере самой простой конструкции микрореактора с единичным микроканалом. В этой модели используется точечный источник газовой фазы, которая движется в плоском зазоре, образованном стенками микрореактора и подложкой, как показано на рис.1.
В процессе реакции осаждения пленки исходные компоненты газовой смеси расходуются, и их концентрация будет уменьшаться с удалением от источника. Соответствующее распределение концентрации реагентов над подложкой обуславливает распределение скорости осаждения. С использованием моделирования работы реактора в режиме идеального вытеснения, аналитическим путем можно получить кривую распределения скорости осаждения от расстояния до источника. Моделирование с применением численных методов решения задач механики вязкого реагирующего газа также показывает наличие локализации скорости осаждения. В работах [4, 5] приведены описания и результаты расчетов для некоторых процессов МР ХОГФ. На рис.2 представлен типичный график распределения скорости осаждения в микрореакторе.
Для оперативных численных оценок профиля осаждения можно использовать его полуширину, которая определяется на графике зависимости толщины осажденной пленки или скорости осаждения от радиуса (это прямые данные, получаемые при измерении на профилометре). Анализ физико-химических процессов, происходящих в микрореакторе, позволяет сформулировать основные факторы, от которых зависит распределение скорости осаждения:
• скорость поверхностной химической реакции;
• температура подложки;
• давление газа над подложкой;
• концентрации исходных компонентов в газовой смеси;
• скорость движения газа в зазоре между микрореактором и подложкой.
Даже обобщенный обзор показывает, что, рассматривая непосредственно измеряемую величину полуширины профиля осаждения, можно судить о скорости поверхностной химической реакции, ее зависимости от температуры, давления, концентрации исходных веществ, а также о влиянии диффузии на процесс осаждения. Естественно, при этом достигается и основная цель, для которой была предложена технология МР ХОГФ, – проведение большого числа экспериментов при рациональной затрате ресурсов.
Для численной оценки предположим, что в качестве подложки используются пластины стандартного диаметра 100 мм. Будем считать, что при применении МР ХОГФ можно проводить осаждение в области диаметром 100 мкм. Для исключения взаимного влияния соседних точек расположим их на расстоянии 1 мм друг от друга. Тогда на одной подложке можно расположить более 7 000 областей осаждения, соответствующих экспериментам с разными условиями. Для покрытия выборки из 105 опытов необходимо использовать всего 15 пластин – рациональное количество даже для лабораторного исследования.
Таким образом, предложенный подход к организации экспериментальных исследований процесса ХОГФ с применением микрореакторов позволяет эффективно проводить опыты с целью набора большого количества статистической информации. МР ХОГФ является сегодня единственным методом, который способен разрешить проблему дефицита экспериментальной информации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей работе определена основная проблема технологии ХОГФ на современном этапе ее развития – отсутствие общей теоретически обоснованной модели технологического процесса, которая обеспечивала бы достаточную точность описания имеющихся экспериментальных данных и была бы пригодна для решения задач оптимизации. Причиной данной проблемы является недостаток экспериментальной информации. Это объясняется большим количеством технологических параметров, которые должны быть включены в рассмотрение процесса, а также тем, что современные подходы к постановке экспериментов по ХОГФ не позволяют при использовании рационального количества ресурсов проводить систематическую экспериментальную работу, охватывающую все поле допустимых значений технологических параметров.
Предлагаемый метод МР ХОГФ отличается реализацией осаждения на малой площади подложки с минимальным расходом прекурсоров, что позволяет в автоматическом режиме проводить множество экспериментов (более 105). Непосредственная оценка результатов осаждения с применением стандартного аналитического оборудования позволяет получать информацию о физико-химических закономерностях исследуемого процесса ХОГФ. Опытные данные могут использоваться как для решения текущих задач, так и для обобщения при построении теоретически обоснованной модели технологического процесса ХОГФ. Практическая реализация МР ХОГФ будет способствовать развитию технологии ХОГФ и существенному расширению сферы ее практического применения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kern W. Thin film processes II. – Academic press, 2012. Т. 2.
2. Pierson H.O. Handbook of chemical vapor deposition: principles, technology and applications. – William Andrew, 1999.
3. Wang P et al. Polycrystalline ZrB2 coating prepared on graphite by chemical vapor deposition // Physica status solidi (b).
2016. Т. 253. № 8. С. 1590–1595.
4. Konakov S.A., Krzhizhanovskaya V.V. Modeling chemical vapor deposition of silicon dioxide in microreactors at atmospheric pressure // Journal of Physics: Conference Series // IOP Publishing, 2015. Т. 574. № 1. С. 012145.
5. Konakov S.A., Krzhizhanovskaya V.V. A novel three-jet microreactor for localized metal-organic chemical vapour deposition of gallium arsenide: design and simulation // Journal of Physics: Conference Series // IOP Publishing. 2016. Т. 741. № 1. С. 012018.
* Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого / Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University.
Отзывы читателей
