WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

В первой главе на основании литературных данных представлены варианты применения тонких слоев нитрида кремния в конструкциях недеформируемых и деформируемых многоуровневых исполнительных элементов устройств нано- и микросистемной техники, выполненных по технологии поверхностной микрообработки с применением полиимидных «жертвенных» слоев. Применение этой технологии является одним из наиболее перспективных направлений развития промышленного производства таких устройств, поскольку позволяет уменьшить их массогабаритные характеристики, расширить функциональные возможности, увеличить степень интеграции, быстродействия, а также снизить себестоимость.

Представлены технологические процессы изготовления исполнительных элементов устройств нано- и микросистемной техники на основе нитрида кремния с применением полиимидных «жертвенных» слоев. Рассмотрены наиболее распространенные методы получения полиимидных покрытий, применяемых в качестве таких слоев, а также основные методы получения тонких слоев нитрида кремния и требования, предъявляемые к ним при формировании на поверхности полиимида. Определены основные ограничения и известные эффекты при травлении полиимидных «жертвенных» слоев с использованием нитрида кремния в качестве функционального слоя. Рассмотрены структура и основные свойства химически осаждаемых слоев нитрида кремния, и показано, что они варьируются в широких пределах в зависимости от метода и режимов осаждения, а также от природы подложки. Установлено отсутствие систематических данных, относящихся к характеристикам слоев нитрида кремния, осажденных на поверхности полиимидных «жертвенных» слоев.

На основе обзора литературы показано, что для разработки эффективной технологии изготовления исполнительных элементов устройств микро- и наносистемной техники на основе функциональных слоев нитрида кремния наиболее важным и актуальным является установление закономерностей формирования структуры и свойств таких слоев, осаждаемых низкотемпературным плазмохимическим методом на поверхность полиимидных «жертвенных» слоев, и процессов плазменного травления полиимидных слоев из зазоров между функциональным слоем и подложкой.

Во второй главе дано описание объектов и методов исследования закономерностей формирования структуры и свойств слоев нитрида кремния, осаждаемых методом СВЧ–плазменного стимулирования в условиях электронно–циклотронного резонанса из смеси реакционных газов (моносилана и азота) на полиимидных покрытиях и на других поверхностях, а также эффектов модификации поверхности полиимидных покрытий плазмохимическими обработками в различных средах и их влияния на структуру и свойства слоев нитрида кремния в объеме и на межфазной границе с полиимидным покрытием. Представлены и проанализированы результаты проведенных комплексных исследований этих закономерностей и эффектов.

Объектами исследования служили слои нитрида кремния, осажденные на поверхности различных подложек.

Подложками для осаждения слоев нитрида кремния служили полиимидные свободные пленки и покрытия на пластинах монокристаллического кремния марки КДБ-4,5 диаметром 76 и 102 мм. Для сравнения нитрид кремния осаждали также непосредственно на поверхность кремниевых пластин, на алюминиевые покрытия и на поверхность кристаллов KBr, применяемых в методе ИК-спектроскопии.

Полиимидные покрытия получали методом центрифугирования растворов различной концентрации в диметилацетамиде полиамидокислоты на основе пиромеллитового диангидрида и оксидианилина. Полиамидокислоту подвергали двухстадийной термоимидизации: сушке с частичной имидизацией при температуре 373 – 393 К и окончательной имидизации при температуре 558 К. Толщину полиимидных покрытий варьировали в интервале от 0,2 до 5 мкм. Свободные полиимидные пленки получали отделением сформированных полиимидных покрытий от кремниевых подложек с помощью опорного кольца.

Слои нитрида кремния осаждали на полиимидные покрытия, пленки и другие подложки в установке низкотемпературного плазмохимического осаждения из газовой фазы с применением СВЧ – плазменного стимулирования в условиях электронно-циклотронного резонанса, разработанной в ИПТМ РАН г. Черноголовки. Для осаждения применяли газовую смесь моносилана SiH4 и аргона Ar ( в соотношении 25/75 об. %, соответственно) с азотом. Осаждение проводили в диапазоне объемных соотношений SiH4/N2 от 0,3 до 1,06. Мощность СВЧ - излучения выбирали таким образом, чтобы температура в реакторе в процессе осаждения не превышала 373 К. Толщину слоев нитрида кремния варьировали от 2 до 500 нм.

Модификацию поверхности полиимидных покрытий плазмохимической обработкой проводили в высокочастотной плазме тлеющего разряда при частоте 13,56 МГц в реакторе установки объемного типа «Тесhnics-500» с применением в качестве плазмообразующих газов кислорода, аргона, азота и воздуха. Мощность разряда составляла 300 Вт, давление 5,88х104 Па.

Экспериментальные исследования проводили с использованием современных физико-химических методов:

- ИК-спектроскопии, Ожэ-электронной спектроскопии, электронной спектроскопии для химического анализа и pH-метриии - для определения состава и структуры слоев нитрида кремния и полиимидных покрытий;

-оптической микроскопии, методов определения параметров шероховатости поверхностей при помощи профилографа и сканирующего зондового микроскопа, методов проекционного и микроинтерференционного определения углов смачивания различными жидкостями твердых поверхностей, термодинамических расчетных методов определения свободной поверхностной энергии Дана-Кейбла-Фаукса и Гуда-Ван Осса, методов расчета термодинамической работы адгезии в отсутствии и присутствии жидкости на границе раздела - для оценки свойств слоев нитрида кремния и полиимидных покрытий.

Для определения модуля упругости слоев нитрида кремния использовали как «локальный» метод с помощью сканирующего зондового микроскопа «Наноскан», так и специально разработанный «глобальный» метод, основанный на определении кривых «нагрузка – деформация» при помощи разрывной машины Instron модели TT-D для трехслойных структур «нитрид кремния - полиимид – нитрид кремния» и расчете с использованием правила смеси.

Проведенные исследования влияния объемного соотношения реакционных газов моносилан/азот на химический состав слоев нитрида кремния показали, что при всех исследованных соотношениях в составе слоев присутствуют связи Si–N, Si–O–Si, Si–H и N–H. Увеличение содержания моносилана в смеси реакционных газов приводит к снижению содержания связей Si–N в составе осаждаемых слоев и замещением их неполярными связями Si–Si. Кроме того, водород в составе осаждаемых слоев переходит из состояния химически связанного с азотом к кремнию. При этом установлено, что изменение объемного соотношения моносилан/азот от 0,3 до 1,06 и, соответственно, химического состава слоев нитрида кремния не оказывает существенного влияния на величину их «локального» и «глобального» модуля упругости вследствие аморфной структуры и повышенной пористости.

Исследования влияния полиимидного покрытия на химический состав слоев нитрида кремния, осажденных при заданном режиме на его поверхности, проведенные с помощью методов Ожэ-электронной спектроскопии, показали, что атомные концентрации кислорода и азота в нитриде кремния вблизи границы раздела с полиимидом возрастают по сравнению с объемом примерно на 10 и 4%, соответственно. Возрастание концентрации кислорода и азота в слоях нитрида кремния на границе раздела с полиимидом обусловлено адсорбционными эффектами или химической прививкой кислород- и азотсодержащих компонентов к активным центрам на поверхности полиимида на начальных стадиях процесса осаждения. Эти предположения подтверждены анализом полос поглощения ИК-спектров слоев нитрида кремния, осажденных на поверхность полиимидной пленки. При осаждении слоев нитрида кремния на поверхности монокристаллического кремния таких эффектов не наблюдается. В объеме состав слоев нитрида кремния, осажденных на поверхности и полиимида, и монокристаллического кремния, одинаков.

Исследованиями влияния природы подложки (полиимидного и алюминиевого покрытий на монокристаллическом кремнии и поверхности самого кремния) на параметры шероховатости осажденных слоев нитрида кремния установлено, что наименьшей шероховатостью обладают слои, осажденные на поверхности полиимида. Повышенная шероховатость слоев нитрида кремния на свободной поверхности монокристаллического кремния и на алюминиевом покрытии обусловлена повышенным агрегированием структурных единиц осаждаемого слоя нитрида кремния.

Исследования влияния дополнительной высокочастотной плазмохимической обработки в среде различных плазмообразующих газов полиимидных покрытий и пленок, проводимой перед осаждением на них слоев нитрида кремния, на состав и свойства поверхности полиимида, показали, что такая обработка в среде воздуха, азота и аргона приводит увеличению его свободной поверхностной энергии за счет электронно-донорной компоненты. При этом предельное значение свободной поверхностной энергии при обработке в среде воздуха и аргона составляет примерно 77,5 мДж/м2 и устанавливается за 2–3 с такой обработки. При обработке в среде азота ее предельное значение достигается через 30–40 с. При этом величина электронно-донорной компоненты на 3–4 мДж/м2 выше, а дисперсионная составляющая на 6–7 мДж/м2 ниже, чем при обработке полиимидных слоев в среде аргона и воздуха. Установлено, что высокочастотная плазмохимическая обработка в среде воздуха приводит к образованию на поверхности полиимида карбоксильных групп. Их концентрация максимальна после трех секунд с начала обработки и составляет примерно 1,3х10-15 моль/см2. При увеличении длительности обработки концентрация карбоксильных групп на поверхности полиимидных слоев падает и через 900 с составляет 0,2х10-15 моль/см2, что связано с их травлением в кислородсодержащей плазме.

Исследованиями влияния обработки в высокочастотной плазме воздуха полиимидного покрытия, на энергетические характеристики поверхности осажденного на него слоя нитрида кремния установлено, что такое влияние зависит от толщины слоя в интервале толщин от 2 нм до10 нм. При уменьшении толщины слоя нитрида кремния в этом интервале его свободная поверхностная энергия увеличивается от значений, характерных для толстых слоев нитрида кремния, осажденных при таком же режиме (порядка 50 мДж/м2), до предельных значений, характерных для полиимида, обработанного в высокочастотной плазме воздуха (примерно 75–77 мДж/м2). Это объясняется тем, что для толщин слоев нитрида кремния меньше 4 нм основной вклад в поверхностную энергию вносит поверхность полиимида вследствие островкового характера слоя нитрида кремния. При толщине больше 4 нм слои нитрида кремния становятся сплошными, и изменение их свободной поверхностной энергии обусловлено влиянием поверхности полиимида на структуру и свойства нитрида кремния в объеме на толщину до 10 нм.

При изменении соотношения реакционных газов SiH4/N2 от 0,3 до 1,06 свободная поверхностная энергия слоев нитрида кремния толщиной больше 10 нм уменьшается в 25 раз за счет полярной составляющей (от 27,1 до 1,3 мДж/м2). Дисперсионная составляющая при этом остается постоянной и составляет около 42 мДж/м2.

Исследованиями влияния соотношения реакционных газов при осаждении слоев нитрида кремния на поверхности полиимида на расчетную работу адгезии нитрида кремния к полиимиду установлено, что при отсутствии воды на межфазной границе термодинамическая работа адгезии при увеличении соотношения SiH4/N2 от 0,3 до 1,06 уменьшается в 1,5 раза. При наличии воды на межфазной границе наблюдается обратная картина: термодинамическая работа адгезии при увеличении соотношения SiH4/N2 растет, достигая предельных значений при соотношении, равном 0,7. Предварительная плазмохимическая обработка поверхности полиимида при заданном режиме осаждения нитрида кремния также повышает работу адгезии между слоями в сухом состоянии и ухудшает в увлажненном состоянии. Последние расчетные данные подтверждены экспериментально: при погружении в воду образцов, представляющих собой слои нитрида кремния, осажденные на поверхности полиимидных покрытий, подвергнутых предварительной плазмохимической обработке, наблюдалось самопроизвольное отслаивание слоев нитрида кремния от полиимида, тогда как в случае необработанных покрытий адгезионное соединение не разрушалось.

Основные свойства слоев нитрида, осажденных методом СВЧ-плазменного стимулирования в условиях электронно-циклотронного резонанса на поверхности полиимида, и краткое резюме наблюдаемых эффектов обобщены в таблице.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований закономерностей травления полиимидных «жертвенных» слоев из тонких зазоров между кремниевой подложкой и слоем нитрида кремния, а также состава и свойств освобожденных травлением слоев нитрида кремния.

Объектами для исследования кинетики травления «жертвенного» слоя служили плоские структуры, представляющие собой сформированные на поверхности кремниевой подложки полиимидные «жертвенные» слои толщиной от 15 нм до 15 мкм, на которые осаждали слои нитрида кремния толщиной от 4 нм до 500 нм, из которых травлением формировали тестовые элементы с балочной топологией и с круглыми отверстиями. Слои нитрида кремния осаждали при соотношении реакционных газов моносилан/азот, равном 0,69. Их травление при формировании балочных тестовых элементов и круглых отверстий осуществляли в установке травления диэлектриков в условиях электронно-циклотронного резонанса, разработанной в ИПТМ РАН г. Черноголовки. Травление полиимидного «жертвенного» слоя осуществляли в реакторе установки «Плазма – 600 Т» с применением в качестве плазмообразующего газа воздуха при его давлении в интервале от 10 до 80 Па, мощности разряда 600 Вт и продолжительности процесса от 2 до 120 мин.

Таблица

Основные свойства слоев нитрида кремния, осажденных методом СВЧ-плазменного стимулирования в условиях электронно-циклотронного резонанса на поверхности полиимида

Свойство

Диапазон значений

Резюме полученных данных

Модуль упругости, ГПа:

- в «локальном» методе

- в «глобальном» методе

75 – 80

60 – 70

Не имеет ярко выраженной зависимости от состава слоев и определяется аморфной структурой и пористостью.

Параметры шероховатости на поверхности полиимида, нм:

- Rа

- Rz

0,51 - 0,74

2,20 - 3,39

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»