Μέθοδοι χαρακτηρισμού επιφανειών και λεπτών υμενίων

Μέθοδοι χαρακτηρισμού επιφανειών και λεπτών υμενίων Εφαρμογές της φυσικής επιφανειών ανάπτυξη κρυστάλλων και λεπτών υμενίων, κατάλυση, διάβρωση διεπιφάνειες σε πολυστρωματικές δομές μετάλλων, ημιαγωγών και μονωτών (μικρο- και οπτοηλεκτρονική, αποθήκευση και ανάγνωση δεδομένων κλπ). Πως ορίζεται η επιφάνεια? Διαφορετικός ορισμός της επιφάνειας φυσικών & μηχανικών. Στη φυσική ως επιφάνεια ορίζεται η περιοχή του χώρου που εκτείνεται ±5 εως ± 15Å εκατέρωθεν του τελευταίου ατομικού επιπέδου ενός στερεού. διαφάνειες_1.doc Σελίδα 1 από 26

Οι επιφάνειες χαρακτηρίζονται από επί πλέον βαθμούς ελευθερίας και την παρουσία μεγάλης βαθμίδας πυκνότητας φορτίου και επομένως έχουν διαφορετικές ιδιότητες από τον όγκο του υλικού. Στην μηχανική η επιφάνεια εκτείνεται σε βάθος 0.1-10 nm ενώ η περιοχή που στη βιβλιογραφία αναφέρεται ως near surface region εκτείνεται σε βάθος 10 nm-1μm. Οι διαφορές στον ορισμό της επιφάνειας οφείλονται στο ότι: η φυσική και η μηχανική προσεγγίζουν το πρόβλημα από την οπτική γωνία της βασικής & εφαρμοσμένης φυσικής, αντίστοιχα, στα διαφορετικά διαγνωστικά εργαλεία που είναι ευρέως διαθέσιμα στους φυσικούς και μηχανικούς αντίστοιχα. διαφάνειες_1.doc Σελίδα 2 από 26

Βασικά στάδια ανάπτυξης της φυσικής επιφανειών τέλη της δεκαετίας 1960 : τεχνολογία υπερ-υψηλού κενού (UHV). 1974 : οι Brundle και Harris απέδειξαν ότι οι φασματοσκοπίες ηλεκτρονίων και Auger επιτρέπουν τον προσδιορισμό της χημικής ταυτότητας των ατόμων ή μορίων που βρίσκονται στην επιφάνεια ενός στερεού και έχουν συγκέντρωση μικρότερη αυτής που αντιστοιχεί σε ένα μονοατομικό επίπεδο. ανάπτυξη και εξάπλωση ταχύτατων συστημάτων Η/Υ ανάπτυξη πολύπλοκων θεωρητικών μοντέλλων δυνατή η ερμηνεία πειραματικών αποτελεσμάτων. Οι φυσικές ιδιότητες της επιφάνειας ενός στερεού καθορίζονται από : το είδος, τη συγκέντρωση και την γεωμετρία (δομή και μορφολογία) των ατόμων ή μορίων που βρίσκονται επάνω στην επιφάνεια. Πρόβλημα το πλήθος των ατόμων που συμβάλλουν στο σήμα είναι πολύ μικρός το μικρό σήμα που προέρχεται από τα άτομα της επιφάνειας υπερτίθεται σε ένα υψηλό υπόβαθρο που προέρχεται από διαφάνειες_1.doc Σελίδα 3 από 26

τον όγκο του υλικού οι συνήθεις μέθοδοι χημικού χαρακτηρισμού δεν μπορούν να εφαρμοστούν σε επιφάνειες. Παράδειγμα 1: Η τυπική συγκέντρωση των ατόμων σε μία επιφάνεια είναι N 2 / A 3 10 15 cm -2 ενώ η αντίστοιχη συγκέντρωση ατόμων στον όγκο του υλικού είναι 10 23 cm -3. Παράδειγμα 2: ιδιότητες προσμείξεων στην επιφάνεια π.χ. δείγμα Si με πρόσμειξη 1at%. Ανίχνευση με Auger. Αν το βάθος πληροφορίας είναι 15Å και η εγκάρσια διακριτική ικανότητα 500Å, ο όγκος 6 από τον οποίο προέρχεται η πληροφορία είναι ( 500) 15 = 3x10 Μέσα σε αυτό τον όγκο Si υπάρχουν 150,000 άτομα Si και μόνον 1500 άτομα πρόσμειξης. Η Φ&ΜΕ αλληλοσυνδεόμενες δραστηριότητες: Βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων του συστήματος επιφάνεια / υπόστρωμα, όσον αφορά τις ηλεκτρονικές ιδιότητες της επιφάνειας, την ποιότητα της σύμφυσης (adhesion) επικαλύψεων, την συμπεριφορά ενάντια στη διάβρωση, τη φθορά καθώς και άλλες φυσικές και μηχανικές ιδιότητες. Τεχνολογία λεπτών υμενίων που έχουν ενεργητικό ή παθητικό ρόλο. π 4 2 Å 3. διαφάνειες_1.doc Σελίδα 4 από 26

Χαρακτηρισμός και εκτίμηση των ιδιοτήτων των επιφανειών και διεπιφανειών σε ότι αφορά την χημική σύσταση, τη μορφολογία καθώς και τις μηχανικές, ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες. Μετά την αλματώδη εξέλιξη των πηγών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που σημειώθηκαν τα τελευταία 30 χρόνια οι μέθοδοι χαρακτηρισμού μπορούν να καταταγούν σε δύο βασικές κατηγορίες: τις συμβατικές μεθόδους που στηρίζονται στην χρήση «φωτός» από συμβατικές πηγές, π.χ. laser, λάμπες υπεριώδους ή υπερύθρου, ακτίνες Χ που παράγονται από συμβατικές πηγές και τις μεθόδους που στηρίζονται σε «φώς» που παράγεται από μεγάλες εγκαταστάσεις παραγωγής ακτινοβολίας synchrotron που καλύπτει το φάσμα από το υπέρυθρο μέχρι τις σκληρές ακτίνες Χ. διαφάνειες_1.doc Σελίδα 5 από 26

Η μελέτη των επιφανειών γίνεται υπό συνθήκες υπερυψηλού κενού. Γιατί? 1. προετοιμασία & συντήρηση ατομικώς καθαρών επιφανειών (χωρίς προσροφημένες ανεπιθύμητες προσμείξεις, οξείδια κλπ) 2. για να αποφύγουμε την σκέδαση ή απορρόφηση των χαμηλής ενέργειας ηλεκτρονίων και ιόντων, που χρησιμοποιούνται σε μεθόδους χαρακτηρισμού υλικών, από μόρια του αέρα. Εξαίρεση αποτελούν οι φασματοσκοπίες photon in-photon out. διαφάνειες_1.doc Σελίδα 6 από 26

Οι παράμετροι που χαρακτηρίζουν το κενό και επηρεάζουν την ταχύτητα επικάλυψης μίας ατομικώς καθαρής επιφάνειας είναι: 1. Πίεση αερίου ιδανικός νόμος των αερίων N P -3 n = = [ μορια m ] όπου P η πίεση (N m -2 ), k η V kt σταθερά Boltzmann (1.38x10-23 JK -1 ), T η θερμοκρασία (K) kt 2. Μέση ελεύθερη διαδρομή λ λ = [m] 1.414Pσ Όπου σ η ενεργός διατομή για τη σκέδαση [m 2 ] 3. Η μοριακή ροή F που φθάνει στην επιφάνεια είναι κρίσιμη για τον χρόνο ζωής μίας ατομικώς καθαρής επιφάνειας F = P 2πmkT [molecules m -2 s -1 ] εξίσωση Hertz - Knudsen Η έκθεση μίας επιφάνειας σε ατμόσφαιρα εκφράζεται από το γινόμενο της πίεσης επί τον χρόνο έκθεσης: Pt (Pascal s). Συνηθέστερα ορίζεται ως : Έκθεση (L)= 10 6 P t [Torr s] διαφάνειες_1.doc Σελίδα 7 από 26

1. Ο συντελεστής «προσκόλλησης» S στην επιφάνεια (sticking coefficient) εκφράζει το ποσοστό των μορίων που φθάνουν στην επιφάνεια και προσροφώνται σε αυτή. Παίρνει τιμές από 0 έως 1. Εξαρτάται από τον βαθμό επικάλυψης της επιφάνειας, την Τ, τον προσανατολισμό κλπ. Ο βαθμός επικάλυψης της επιφάνειας θ ορίζεται ως: 1. # προσροφημένων σωματιδίων ανά μονάδα επιφάνειας 2. ποσοστό της μέγιστης εφικτής επικάλυψης 0<ϑ<1 ϑ = πραγματικη επικαλυψη επικαλυψη, 0 < ϑ < 1 κορεσμου 3.. Το θ εξαρτάται από την πίεση αp ϑ = 1+ αp & η σταθερά α με την ισχύ των δεσμών που σχηματίζονται στην επιφάνεια και την Τ. διαφάνειες_1.doc Σελίδα 8 από 26

Μονοστρωματική κάλυψη της επιφάνειας (1ML) μέγιστη εφικτή συγκέντρωση προσροφημένων σωματιδίων στην επιφάνεια του υποστρώματος. (Τυπική επιφανειακή πυκνότητα 10 15 cm -2 ). Πόσος t απαιτείται για να καλυφθεί η επιφάνεια ενός υποστρώματος με ένα μονοστρωματικό υμένιο (1ML) από αέρια της ατμόσφαιρας? Εξαρτάται από: τη ροή F, την ατομική πυκνότητα της επιφάνειας, τον συντελεστή προσκόλλησης S κλπ t ML 19 10 F [s] διαφάνειες_1.doc Σελίδα 9 από 26

Η τεχνολογία UHV ευρέως διαθέσιμη τη δεκαετία του 1960. Κατηγορίες συστημάτων κενού Χαμηλό κενό 1-10 -3 Torr Ενδιάμεσο κενό 10-3 -10-5 Torr Υψηλό κενό 10-6 -10-8 Torr Υπερυψηλό κενό <10-9 Torr Μονάδες μέτρησης πίεσης Μονάδα Πίεση & ισοδυναμίες Pascal 1 Pa= 1 N m -2 Ατμοσφαιρική πίεση (atm) Bar Torr 1 atm =760 Torr 1x10 5 Pa=1013 mbar 1 bar =750 Torr=0.987 atm=10 5 Pa 1 Torr= 1 mmhg= 133.3 Pa Χαρακτηριστικές ιδιότητες συστημάτων κενού. Κενό Πίεση (Torr) Πυκνότητα (μόρια cm -3 ) Μέση ελεύθ. διαδρ. (m) xρόνος/ monolayer (s) Ατμόσφαιρα 760 2x10 25 7x10-8 10-9 Χαμηλό κενό 1 3x10 22 5x10-5 10-6 Ενδιάμεσο κενό 10-3 3x10 19 5x10-2 10-3 Υψηλό κενό 10-6 3x10 16 50 1 UHV 10-10 3x10 12 5x10 5 10 4 διαφάνειες_1.doc Σελίδα 10 από 26

Η μέση ελεύθερη διαδρομή εξαρτάται από την πίεση : λ mfp ( cm) = 3 5x10 P( Torr) Βασικές έννοιες για συστήματα κενού. Η ταχύτητα άντλησης S : ο όγκος του αερίου (V gas ) που αντλείται από ένα σύστημα ανά μονάδα χρόνου όταν η πίεση στην αντλία είναι P, δηλαδή S Vgas =. P Εκρόφηση από τα τοιχώματα & διαρροές : Θεωρούμε σύστημα όγκου V (liters), υπό πίεση P (mbarr ή Torr), που αντλείται με μία αντλία με ταχύτητα άντλησης S (liters/s). Εάν στο σύστημα συμβαίνει εκρόφηση από τα τοιχώματα με ρυθμό Q o ενώ υπάρχει και διαρροή Q 1 (Torr liters/s ή mbarr liters/s), η εξίσωση που περιγράφει την άντληση του συστήματος είναι: dp PS = V + Qo + dt Q 1 Όταν δεν υπάρχει διαρροή ή εκρόφηση: S P = Po exp t V διαφάνειες_1.doc Σελίδα 11 από 26

Ελάττωση της πίεσης vs t σε σύστημα UHV υπό άντληση. Η περιοχή της βραδείας άντλησης (1/t) ελέγχεται από εκρόφηση αερίων από τις εσωτερικές επιφάνειες. Βελτίωση του κενού επιτυγχάνεται με bake-out. Το UHV επιτυγχάνεται μόνον μετά από διαδικασία bakeout : ολόκληρο το σύστημα θερμαίνεται στους 150-220 ο C για 12-24 Hrs εκρόφηση των αερίων από τα τοιχώματα. Μεταβολή της πίεσης σε σύστημα UHV κατά τη διάρκεια και μετά από το bake-out. διαφάνειες_1.doc Σελίδα 12 από 26

Τα αέρια που συνήθως βρίσκονται στην ατμόσφαιρα ενός UHV συστήματος μετά από το bakeout είναι Η 2, CΟ και Η 2 Ο. Περιορισμοί στο bakeout: πλαστικά μέρη, τα μονωμένα ηλεκτρικά σύρματα κλπ. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται σε συστήματα UHV πρέπει να έχουν μικρή τάση ατμών. Ρυθμός εκρόφησης για υλικά σε συστήματα κενού (millibar-liter/sec-cm 2 ) Fresh Al 9 x 10-9 Aluminum baked 20h at 100C 5 x 10-14 304SS / electropolished 2 x 10-8 / 6 x 10-9 Teflon 8 x 10-8 Viton A (fresh) 2 x 10-6 Η έννοια της αγωγιμότητας στα συστήματα κενού. Θεωρούμε 2 πειραματικούς θαλάμους υπό πίεση P 1 και P 2 που συνδέονται μέσω ανοίγματος εμβαδού Α Η ροή είναι Q C ( ) ονομάζεται αγωγιμότητα [liters s -1 ]. -1 = P 1 P 2 [Torr liter s ] όπου η σταθερά C διαφάνειες_1.doc Σελίδα 13 από 26

Η αγωγιμότητα C είναι συνάρτηση της γεωμετρίας αγωγιμότητα οπής διαμέτρου D (cm), C = 2. 86 T M D αγωγιμότητα σωλήνα διαμέτρου D, διατομής Α και μήκους L (cm) C 2 A = 6.18 DL T M Αγωγιμότητες εν σειρά Αγωγιμότητες εν παραλλήλω 1 1 = C sys C C = i sys C i i i Η ταχύτητα άντλησης μειώνεται από την αγωγιμότητα των οπών & των σωληνώσεων που υπάρχουν μεταξύ της αντλίας και του συστήματος κενού. Η χρήση σωλήνων μεγάλης διαμέτρου δεν αποτελεί λύση του προβλήματος αφού αυξάνουν τον όγκο του συστήματος και την επιφάνεια από την οποία γίνεται εκρόφηση προσροφημένων αερίων. χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή στον σχεδιασμό των συστημάτων κενού έτσι ώστε να επιλεγεί η κατάλληλη αντλία και η κατάλληλη γεωμετρία. διαφάνειες_1.doc Σελίδα 14 από 26

Τύποι αντλιών Οι αντλίες μεταφοράς αερίου απομακρύνουν τα αέρια μόνιμα, βγάζοντας τα στην ατμόσφαιρα, π.χ. περιστροφικές, διαχύσεως, turbomolecular. Οι αντλίες παγίδευσης αερίου προκαλούν συμπύκνωση ή χημική παγίδευση του αερίου σε κατάλληλες επιφάνειες που βρίσκονται μέσα στον υπό άντληση θάλαμο, π.χ. προσρόφησης, sputter ion (ιοντικές) και κρυοαντλίες.. Αντλίες για UHV: turbomolecular, διαχύσεως, sputter ion (ιοντικές), ή κρυοαντλίες. Μηχανικές περιστροφικές αντλίες: υπάρχουν αντλίες 1 και 2 σταδίων που επιτυγχάνουν κενό της τάξης του 10-2 και 10-4 Torr, αντίστοιχα. Χρησιμοποιούνται σαν βοηθητικές όταν απαιτείται προκαραρκτικό κενό, π.χ. πριν από μία αντλία διαχύσεως, turbomolecular κλπ. Αντλίες roots: έχουν μεγάλη ταχύτητα άντλησης (μέγιστη στην περιοχή 10-3 -20 Torr) και μπορούν να πετύχουν κενό της τάξης του 10-5 Torr με την βοήθεια μίας περιστροφικής. Είναι κατάλληλες για συστήματα ανάπτυξης LPCVD τα οποία λειτουργούν υπό πίεση της τάξης του 1 Torr και στα οποία καταναλώνεται μεγάλος όγκος αερίων. διαφάνειες_1.doc Σελίδα 15 από 26

οι turbomolecular αντλίες έχουν μεγάλη έξοδο (throughput), τυπική ταχύτητα άντλησης 10 3 liters/s και P <10-10 Torr. Δεν μπορούν να αντλήσουν ικανοποιητικώς ελαφριά μόρια με μικρή μάζα και ιδαίτερα υδρογόνο ενώ είναι ακριβές και υποφέρουν από κραδασμούς. Οι sputter-ion είναι ικανές να διατηρήσουν το κενό σε ένα καθαρό στατικό σύστημα (δεν μπορούν να αντλήσουν ένα βαρύ φορτίο). Παγιδεύουν τα αέρια μέσα στο σύστημα ενώ έχουν φτωχές επιδόσεις στα σπάνια αέρια. Επίσης δεν μπορούν να αντλήσουν αέρια που αντιδρούν χημικώς (π.χ. CH 4 ). Η ικανότητα άντλησής τους βελτιώνεται όταν ψύχονται με νερό ή υγρό Ν 2. Tυπικές ταχύτητες άντλησης αντλίας εξάχνωσης Ti (liter/s -1 /cm -2 ). T (K) H 2 N 2 O 2 CO CO 2 H 2 O CH 4 293 3 4 2 9 8 3 0 77 10 10 6 11 9 14 0 Οι κρυοαντλίες έχουν πολύ υψηλή ταχύτητα και δημιουργούν πολύ καθαρό κενό στην περιοχή πιέσεων 10-3 -10-10 Torr. Παγιδεύουν τα μόρια του αέρα σε μεταλλικές επιφάνειες ή μικροπορώδεις επιφάνειες επιφάνειες που ψύχονται σε θερμοκρασία <120Κ. Για την λειτουργία τους απαιτείται η χρήση προκαταρκτικό κενό ~10-3 Torr. Είναι πολύ ακριβές και δεν διαφάνειες_1.doc Σελίδα 16 από 26

μπορούν να αντλήσουν ικανοποιητικά αέρια όπως Η 2, Νe και Ηe που έχουν υψηλή τάση ατμών στους 20Κ. Διατάξεις για την μέτρηση της πίεσης. Οι ιοντικοί μετρητές (ion ή Bayard-Alpert gauges): περιοχή πιέσεων 10-4 έως 10-9 Torr. Η αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται στον ιονισμό του αερίου από ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από ένα θερμαινόμενο νήμα. Το ρεύμα των ιόντων που μετράται είανι ευθέως ανάλογο του αριθμού των μορίων και της πίεσης μέσα στο σύστημα κενού. Οι μετρητές Pirani (Pirani gauges) και οι μετρητές θερμοζεύγους λειτουργούν στην περιοχή πιέσεων 1atm-10-4 Torr & χρησιμοποιούνται συνήθως για την μέτρηση του προκαταρκτικού κενού.. Στηρίζονται στην μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας του αερίου που είναι γραμμικώς ανάλογη της πίεσης του αερίου. Οι μετρητές χωρητικότητας (capacitance gauges) ή Baratron λειτουργούν με υψηλή ακρίβεια σε πιέσεις 1 atm- 10-5 Torr (διαφορετικές κεφαλές). διαφάνειες_1.doc Σελίδα 17 από 26

Φασματογράφος μάζης : ταυτοποιεί τη χημική σύσταση της αερίου φάσης σε συστήματα κενού. Modular σύστημα ανάπτυξης. Άντληση εν παραλλήλω. Σύστημα Load-lock για την εισαγωγή δειγμάτων σε σύστημα UHV. Η μεταφορά των δειγμάτων γίνεται υπό κενό με μαγνητικές ράβδους μεταφοράς. Αντλείται από ανεξάρτητη αντλία. διαφάνειες_1.doc Σελίδα 18 από 26

Σύστημα ΜΒΕ υπό bake-out. Φαίνεται η ράβδος μεταφοράς των δειγμάτων υπό κενό. Μέθοδοι προετοιμασίας καθαρών επιφανειών. Η βέλτιστη μέθοδος προετοιμασίας μίας καθαρής επιφάνειας εξαρτάται από τις χημικές και φυσικές ιδιότητες του υπό μελέτη κρυστάλλου. Συνήθως ο έλεγχος της επιφάνειας για προσροφημένα στοιχεία ή/και οξείδια γίνεται με φασματοσκοπία ηλεκτρονίων Auger η κρυσταλλικότητα της επιφάνειας ελέγχεται με περίθλαση ηλεκτρονίων χαμηλής ενέργειας (low energy electron diffraction). διαφάνειες_1.doc Σελίδα 19 από 26

Ευρέως διαδεδομένες μέθοδοι προετοιμασίας επιφανειών. Σπάσιμο (cleaving) ενός κρυστάλλου όγκου, υπό συνθήκες υπερυψηλού κενού (UHV). Η μέθοδος δεν εφαρμόζεται σε λεπτά υμένια. Ανόπτηση σε υψηλή θερμοκρασία, υπό συνθήκες UHV, που προκαλεί εκρόφηση ή/και εξαέρωση των προσμείξεων. Επιταξιακή ανάπτυξη επάνω σε υπόστρωμα υπό συνθήκες UHV. Αρχή λειτουργίας του sputtering. Βομβαρδισμός της επιφάνειας με ιόντα ευγενών αερίων (sputtering) και ανόπτηση. Η μέθοδος είναι καταστροφική. Η ανόπτηση προκαλεί αναδόμηση της επιφάνειας. Η διαδοχή sputtering/ανόπτησης συνεχίζεται έως ότου αναδυθεί η καθαρή επιφάνεια. Η υγρή ή ξηρή χημική χάραξη (wet or dry etching) σε συνδυασμό με ανόπτηση σε υψηλή θερμοκρασία. διαφάνειες_1.doc Σελίδα 20 από 26

Η έκθεση μίας ατομικώς καθαρής επιφάνειας στην ατμόσφαιρα έχει σαν αποτέλεσμα την «μόλυνσή» της λόγω προσρόφησης αερίων από την ατμόσφαιρα ή/και οξείδωσης. Επομένως η προετοιμασία, διατήρηση και μελέτη των επιφανειών που είναι καθαρές σε ατομικό επίπεδο γίνεται σε περιβάλλον UHV, με πίεση στην περιοχή 10-10 10-11 Torr. διαφάνειες_1.doc Σελίδα 21 από 26

Μέθοδοι καθαρισμού επιφανειών για κατασκευή διατάξεων. Η βέλτιστη μέθοδος προετοιμασίας προσαρμόζεται στις ιδιότητες του κάθε υλικού. Αρχικά τα δείγματα υφίστανται καθαρισμό σε θερμούς οργανικούς διαλύτες που απομακρύνουν κόλλες, λιπαντικά κ.λ.π. που προσκολλώνται στην επιφάνεια κατά την κοπή, γυάλισμα και άλλα βήματα προετοιμασίας των υποστρωμάτων. Τα υποστρώματα καθαρίζονται διαδοχικά σε ζεστό τριχλωροαιθυλένιο, ακετόνη και μεθανόλη (5-10min σε κάθε διαλύτη), ξεπλένονται με απιονισμένο Η 2 Ο και στεγνώνονται με ροή ξηρού Ν 2. στο στάδιο αυτό μπορούν να αποθηκευτούν για μικρό χρονικό διάστημα σε μεθανόλη. Πολύ χαρακτηριστικό παράδειγμα εξειδικευμένου καθαρισμού είναι η διαδικασία καθαρισμού του Si πριν από την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Η μέθοδος που έχει καθιερωθεί στη βιβλιογραφία αναπτύχθηκε στα εργαστήρια της RCA. διαφάνειες_1.doc Σελίδα 22 από 26

Καθαρισμός RCA για το Si. Καθαρισμός από τα οργανικά υπολείμματα και βαρέα μέταλλα σε μείγμα ΝΗ 4 ΟΗ:H 2 O 2 :H 2 O υπό ανάδευση. Στο στάδιο αυτό οξειδώνονται όλες οι οργανικές προσμείξεις στην επιφάνεια του wafer και απομακρύνονται βαρέα μέταλλα όπως Cd, Co, Cu, Fe, Ni, Ag. Διάβρωση του οξειδίου SiO 2 σε διάλυμα HF:H 2 Ο υπό αναλογία 10:1 για 30sec. Καθαρισμός από τις ιοντικές προσμείξεις σε διάλυμα HCl:H 2 O 2 :H 2 O υπό ανάδευση. Στο στάδιο αυτό απομακρύνονται μέταλλα όπως Al, Mg και αλκάλια. Μετά από κάθε ένα από τα παραπάνω βήματα τα wafers ξεπλένονται με απιονισμένο Η 2 ) με υψηλή ειδική αντίσταση (>8 MΩ cm). Σήμερα υπάρχουν πολλές τροποποιήσεις της RCA, που αναπτύχθηκαν σε διάφορα εργαστήρια. Για παράδειγμα το βήμα 3 ενίοτε αντικαθίσταται από : χημική χάραξη σε διάλυμα HF (5%) που αφήνει την επιφάνεια καλυμμένη με υδρογόνο. Το βήμα αυτό συνήθως προηγείται επιταξιακής ανάπτυξης ΜΒΕ. Το υδρογόνο εκροφάται με UHV ανόπτηση στους 500-900 ο C και αφήνει την καθαρή επιφάνεια με αναδόμηση που εξαρτάται από τη θερμοκρασία ανόπτησης και τον κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό του δείγματος 1. 1 Ανόπτηση στους 900 ο C προκαλεί αναδόμηση 2x1 σε Si (100) και 7x7 σε Si (111). διαφάνειες_1.doc Σελίδα 23 από 26

Χημική χάραξη σε διάλυμα ΗF:H 2 O 2 (απομάκρυνση μεταλλικών προσμείξεων). Καθαρισμός GaAs. οργανικοί διαλύτες χημική χάραξη σε διάλυμα HCl:H 2 O 2 :H 2 O (απομάκρυνση των βαρέων μετάλλων) στους 70 ο C. Δεν μπορούμε να θερμάνουμε σε Τ>450 ο C. Γιατί?? 3.3 Ξηρές μέθοδοι καθαρισμού της επιφάνειας. Μειονέκτημα της υγρής χημικής χάραξης: κατανάλωση μεγάλων ποσοτήτων επικίνδυνων για την υγεία και το περιβάλλον τοξικών αντιδραστηρίων. Εχουν αναπτυχθεί μέθοδοι καθαρισμού στην αέριο φάση που γίνονται υπό συνθήκες κενού Είναι συμβατές και μπορούν να ολοκληρωθούν σε βιομηχανικές γραμμές παραγωγής. Αντιπροσωπευτικό παράδειγμα: Απομάκρυνση οργανικών ουσιών (π.χ. φωτοευπαθών ουσιών): χρησιμοποιούνται όζον και ατομικό οξυγόνο. διαφάνειες_1.doc Σελίδα 24 από 26

Καθαρισμός από επιφανειακά οξείδια σημαντική πριν από την κατασκευή επαφών Schottky (μετάλλου ημιαγωγού) ή ηλεκτροδίων πύλης Τα wafers Si, μόλις εκτεθούν στην ατμόσφαιρα, καλύπτονται από ένα ενδογενές οξείδιο πάχους 10-30Å που διαλύεται εύκολα σε διάλυμα 5% HF. To HF αφήνει την επιφάνεια αδρανοποιημένη (passivated) με δεσμούς Si-H στους οποίους το Η αντικαθίσταται σταδιακά από οξυγόνο. Το οξείδιο αυτό διασπάται με μικρής διάρκειας ανόπτηση στους 850 ο C και ακολουθεί η επιμετάλλωση. Η μέθοδος είναι επιτυχής όταν το δείγμα μεταφερθεί σε περιβάλλον υψηλού κενού σε χρόνο 15min από την εφαρμογή του HF. GaAs: Το ενδογενές οξείδιο είναι μη-στοιχειομετρικό μείγμα As 2 O 3 και Ga 2 O 3 πάχους 20 Å (1hr) συνήθως διασπάται με θέρμανση.. Το sputtering δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί γιατί αλλοιώνει την χημική σύσταση της επιφάνειας λόγω της διαφορετικής απόδοσης sputtering του Ga και του As. καθαρισμός της επιφάνειας του GaAs και των άλλων ενώσεων III-V είναι δύσκολος. διαφάνειες_1.doc Σελίδα 25 από 26

διαφάνειες_1.doc Σελίδα 26 από 26