Plazminiai ir plazmocheminiai procesai - Fizika - Kauno ...

KAUNO TECHNOLOGIJOS UNIVERSITETAS 

Fizikos katedras 

Ž. Rutkūnienė, A. Grigonis 

PLAZMINIAI IR PLAZMOCHEMINIAI PROCESAI 

Laboratoriniai darbai 

KAUNAS 2002

TURINYS 

Įvadas…………………………………………………………………………………… 3 

1. Dujų plazma. Plazmos klasifikacija……………………………………………... 4 

2. Plazmos dalelių sąveika…………………………………………………………... 5 

3. Plazminio ir plazmocheminio ėsdinimo sistemos……………………………….. 8 

LABORATORINIS DARBAS NR.1 Joninis medžiagų ėsdinimas………………… 16 

Darbo tikslas…………………………………………………………………………. 16 

Teorinė dalis………………………………………………………………………….. 16 

1.Greitų dalelių sąveika su medžiaga……………………………………………….. 16 

2.Dulkėjimo mechanizmas. Dulkėjimo koeficientas……………………………….. 17 

3.Faktoriai įtakojantys dulkinimo koeficientui……………………………………... 20 

4. Eksperimentinis dulkėjimo koeficiento nustatymas……………………………… 21 

Joninio ėsdinimo įrenginys…………………………………………………………. 23 

Matavimo metodika…………………………………………………………………. 24 

Darbo eiga……………………………………………………………………………. 25 

Rezultatų analizė…………………………………………………………………….. 28 

LABORATORINIS DARBAS NR.2 Reaktyvusis joninis ėsdinimas……………… 29 

Darbo tikslas…………………………………………………………………………. 29 

Teorinė dalis………………………………………………………………………….. 29 

1. Aktyvios terpės formavimas……………………………………………………… 29 

2.Ėsdinimo kinetika ir termodinamika……………………………………………… 31 

3. Joninės apšvitos įtaka ėsdinimui…………………………………………………. 33 

4. Inhibitorių susidarymas…………………………………………………………... 36 

5. Mikrostruktūrų formavimas……………………………………………………… 39 

5.1 Ėsdinimo selektyvumas……………..……………………………………….. 39 

5.2 Anizotropinis ėsdinimas………………….………………………………….. 40 

Aparatūra ir darbo metodas………………………………………………………... 43 

Darbo eiga……………………………………………………………………………. 44 


LABORATORINIS DARBAS NR.3 Plazminis oksidinimas………………………. 48 

Darbo tikslas………………………………………………………………………… 48 

Teorinė dalis………………………………………………………………………….. 48 

Matavimo metodika…………………………………………………………………. 53 

Darbo eiga……………………………………………………………………………. 55 


PRIEDAS……………………………………………………………………..………… 56 

Naudota literatūra………………………………………….…………………………. 59

Įvadas 

Mikroelektronikos, mikrooptikos, mikromechanikos prietaisų gamybos 

technologijose plačiai naudojamas ėsdinimas. Jo dėka reziste suformuotas piešinys 

perkeliamas į puslaidininkinės struktūros sluoksnius. Kuo mažesni formuojamų 

struktūrų matmenis, tuo griežtesni reikalavimai keliami ėsdinimui. Mikroninių ir 

submikroninių struktūrų formavimui tinka tik „sausas“ t.y. plazminis ėsdinimas. 

Priklausomai nuo ėsdinimo mechanizmo ir plazmos gavimo būdo skiriame keletą 

ėsdinimo būdų. 

Terminas “plazminis ėsdinimas” taikomas bet kokiam ėsdinimui, vykstančiam 

panaudojant plazmą, “plazmocheminiu ėsdinimu"”suprantame procesą, kai bent vienas 

iš reakcijoje dalyvaujančių komponentų yra plazmos būklėje. Taigi, priklausomai nuo 

plazmos sudėties galime realizuoti fizinius, cheminius ir mišrius procesus. Jei ėsdinimas 

pagrįstas fiziniu medžiagos atomų nudulkinimu (sputtering) jį vadiname joniniu 

ėsdinimu (JE) (IBM – ion beam milling). Praktiškai JE tinka visų medžiagų apdirbimui. 

Plazmocheminis (PCh) (PE – plasma etching) bei reaktyvusis joninis (RJE) (RIE – 

reactive ion etching) ar reaktyvusis joninis pluoštelinis (RJPE) (RIBE – reactive ion 

beam etching) ėsdinimai tinka apdirbti medžiagas, kurios su krintančiais jonais ar 

radikalais sudaro lakius junginius. RJE bei RJPE metu be cheminių reakcijų vyksta ir 

joninis bombardavimas (JB) tik fizinio ėsdinimo greitis yra žymiai mažesnis nei 

cheminis ėsdinimo. JB gali žymiai pakeisti cheminių procesų kinetiką juos 

aktyvuodamas – gauname jonais aktyvuotą cheminį ėsdinimą (JAChĖ)– (IARE – ion 

assisted reactive etching). Šiam ėsdinimui būdingas “sinergetinis efektas” – kai 

vienalaikio poveikio ėsdinimo greitis yra žymiai didesnis už atskirų (joninio ir 

cheminio) ėsdinimo greičių sumą. 

“Sausi” ėsdinimo procesai įgalino išspręsti daugelį problemų su kuriomis susiduria 

taip vadinamos aukštosios technologijos(haigth technology): leido atsisakyti brangių 

cheminių reagentų, sumažino aplinkos taršą skystomis cheminėmis medžiagomis. Nors 

aktyvių dujų plazmoje su medžiaga sąveikauja tos pačios dalelės kaip ir naudojant 

skystas chemines medžiagas, tačiau, procesus atliekant uždarame tūryje, vakuume (p = 

1330 – 0,0133 Pa), žymiai pagerėja technologinio personalo darbo sąlygos. Valdydami 

elektringas daleles elektriniais ir magnetiniais laukais, galime lokalizuoti jų poveikį 

bandiniui ir esminiai keisti ėsdinimo selektyvumą ir anizotropiškumą. 

3

Procesai dujų plazmoje 

1. Dujų plazma. Plazmos klasifikacija 

Kiekvienas kūnas aukštoje temperatūroje pereina į dujų būseną. Toliau keliant 

temperatūrą dujų atomai intensyviai jonizuojami. Jonizacijos laipsnį parodo jonizuotų 

atomų santykis su visais tūrio vienete esančiais atomais. Kai dujų temperatūra labai 

aukšta, dėl jonizacijos gautų elektronų ir teigiamų jonų energija yra tokia didelė, kad jie 

nerekombinuoja – visa medžiaga yra jonizuota. Pilnai arba dalinai jonizuotos dujos 

vadinamos plazma. Tai neutrali (kvazineutrali) dujų būsena, kurioje laisvųjų krūvininkų 

koncentracija yra tokia didelė, kad Debajaus ekranavimo nuotolis yra daug mažesnis už 

plazmos matmenis. 

Plazma sąlyginai skirstoma į aukštosios temperatūros (T>10 5 K) ir žemosios 

(T

temperatūra Te. Ji siekia 10 4 -10 5 K ir žymiai viršija jonų temperatūrą Tj (jei plazmoje 

bus kelių rūšių jonai jų temperatūros skirsis ) ir neutralų (atomų, radikalų) temperatūrą 

Ta, kurios artimos aplinkos temperatūrai. Tokia plazma – neizoterminė ir 

termodinaminiu požiūriu ji yra nepusiausvyra. 

2. Plazmos dalelių sąveika 

Išlydis dujose prasideda elektrinio lauko stipriui pasiekus tam tikrą vertę. Proceso 

pradžiai būtinas pirminis elektronas, gaunamas dėl fotojonizacijos ar elektrinio lauko 

sukeltos emisijos. Plazmos daleles sąlyginai galima suskirstyti į judančias 

(elektringosios) ir stovinčias (neutraliosios). Elektrinio lauko įgreitinta elektringoji 

dalelė nuolat susiduria su neutraliosiomis. Smūgio metu ji perduoda savo kinetinę 

energiją atomams, molekulėms ar radikalams ir gali padidinti jų kinetinę ar vidinę 

energiją. Susidūrimas, kuriam tinka mechaninis energijos ir impulso tvermės dėsniai 

vadinamas tampriuoju. Šio susidūrimo metu bendra sąveikaujančių dalelių sistemos 

kinetinė energija nepakinta, ji tik persiskirsto tarp dalelių. Sakykime, greičiu v1 judanti 

masės m1 dalelė susiduria su nejudančia masės m2 dalele. Tampraus centrinio smūgio 

metu pirmoji dalelė perduos antrajai energijos kiekį: 

kur 

2 

m1v1 

W 1 = . 

2 

4m 

m 

1 2 

∆ W = W 

2 1 ; (1) 

( m + m ) 

1 

Įgreitintas jonas tuo efektingiau perduos savo energiją neutraliam atomui, kuo 

artimesnės jų masės Iš (1) matome: kai jonas (m1= mj) sąveikauja su atomu (m2= ma) ir 

m1=m2 , tuomet ∆W ≈ W1. Vadinasi, aukšto ir vidutinio slėgio (dešimtys ir daugiau Pa) 

plazmoje neutralios dalelės stabdys jonus ir pastarieji neįgys energijos, reikalingos 

molekulių disociacijai, atomų sužadinimui ar jonizacijai. Tokioje plazmoje jonų, 

laisvųjų radikalų, atomų ir dujų molekulių energija bus vienoda. Kitaip bus elektronams 

((m1= me) susiduriant su atomais. Kadangi me

žėrinčio išlydžio plazmoje taikinį bombarduojančių jonų energija, taigi ir temperatūra, 

bus žymiai didesnė nei teigiamame plazmos stulpe esančių jonų ar elektronų 

temperatūra, nes bombarduojantis jonai įgyja papildomos energijos, kai juos greitina 

erdvinio krūvio srities elektrinis laukas. (1 pav.). 

Tankumas (cm 3 ) 

10 14 

10 10 

10 -2 

1 pav. Dalelių tankiai ir energijos azoto žemo slėgio žėrinčio išlydžio plazmoje /1/ 

Elektronų temperatūra Te paprastai būna daug mažesnė nei disociacijos (Edis) ar 

jonizacijos energija (Ejon), tačiau elektronai sukelia šiuos procesus dėl jų pasiskirstymo 

pagal energijas funkcijos eigos (2 pav.). 

ge (E) 

N2 dujos 

N radikalai 

Plazmos 

jonai 

Te/2 

Plazmos 

elektronai 

1 10 2 

Temperatūra ar energija (eV) 

2 pav. Elektronų pasiskirstymo pagal energijas funkcija silpnai jonizuotose azoto dujose /1/. 

Iš 2 pav. matome, kad elektronai, kurių Ee ≥ Edis ar Ee ≥ Ejon , yra pasiskirstymo 

funkcijos uodegoje, todėl daugiau elektronų gali vykdyti disociaciją nei jonizaciją. Taigi 

plazmose aktyvių radikalų bus daugiau nei jonų. Nors elektronų persiskirstymo pagal 

energijas funkcija g(E)dE panaši į Maksvelo (Maxwell), bet ji nėra tokia. Elektronų 

6 

Edis Ej E 

Bombarduojantys 

jonai

temperatūra pasiskirstymo funkcijos uodegoje gali būti žemesnė ar aukštesnė nei 

Maksvelo pasiskirstymo atveju. 

Jei bombarduojančios dalelės kinetinės energijos pakanka bombarduojamai dalelei 

sužadinti ar jonizuoti, vyksta netamprus dalelių susidūrimas. Netampraus smūgio metu 

pakinta ir dalelės vidinė energija. Skiriami du netamprių smūgių tipai. Pirmajam tipui 

būdinga tai, kad susidaužiančių dalelių kinetinė energija dalinai virsta į kitą rūšį ir 

papildo vienos arba abiejų dalelių vidinę energiją. Antrajam smūgių tipui būdingas 

vidinis energijos sumažėjimas (vienai ar net abiem dalelėms) virstant jai kinetine 

energija. Tokių smūgių metu vyksta stabilizacijos, rekombinacijos bei molizacijos 

procesai. 

Panagrinėsime pirmojo tipo smūgius, sukeliančius disociaciją, sužadinimą ar 

jonizaciją. Sąveikaujant jonui su atomu, sąveikos laikas žymiai didesnis už elektrono – 

atomo sąveikos laiką ir abiejų dalelių kvantinė būsena įgyja daugybę reikšmių, o 

energija perduodama abiem kryptimis. Galutinis rezultatas priklauso nuo paskutinės 

sąveikos fazės kai dalelės po susidūrimo tolsta viena nuo kitos. Kaip minėjome, šie 

smūgiai dažniausiai būna tamprūs. Jei elektrono kinetinė energija artima jono kinetinei 

energijai, tai jo greitis žymiai didesnis už jono greitį (ve >>vj). Dėl mažos elektrono 

masės ir didelio jo greičio elektrono sąveikos su atomu trukmė yra labai maža, 

elektronas greitai atomo atbloškiamas atgal ir energija perduodama viena kryptimi – 

elektronas ją perduoda atomui, t.y. vyksta pirmo tipo netamprus smūgis. 

Įvykus masės m1 dalelės centriniam netampriam susidūrimui su nejudančia 

masės m2 dalele, susidūrusių dalelių vidinė energija U gali padidėti dydžiu: 

U 

m 

∆W 

= 

m + 

1 

2 

W1 

m2 

= (3) 

Pavyzdžiui elektronui (m1 = me) netampriai susidūrus su atomu (molekule, 

radikalu) ∆W = W1, o jei atomas (m1 = ma) atsimuš į stovintį elektroną ∆W ≈ 0, kai 

jonas susidurs su atomu tuomet ∆W ≈ ½ W1. Kada ∆W≥Ej (Ej- jonizacijos energija) 

vyks atomų, molekulių ar radikalų jonizacija, jei ∆W =ES-E0 (kur ES ir E0 - sužadinto ir 

normalaus atomo energijos atitinkamai) dalelė bus sužadinta ir grįždama į normalų būvį 

išspinduliuos energijos kvantą. Jei šio kvanto dažnis bus matomos šviesos diapazonedujos 

ims švytėti. 

Netamprių smūgių metu, kinetinė judančios dalelės (ypač elektrono) energija gali 

pakeisti ne tik atomo energetinę būseną, bet ir molekulės vibracinės bei rotacinės 

energijos būsenas. Žinome, kad bendroji molekulės energija 

7

W = Wslenk. + Wrot + Wvibr. + Welektr. (4) 

Trys paskutinės energijos yra kvantuotos. Welektr. susijusi su jau aptartais atomų 

sužadinimu ir jonizacija, Wrot ir Wvibr su molekulės sukimosi bei atomų vibracijos 

molekulėje energijomis. Energijos absorbcija vyks tuomet kai perduodamos energijos 

kiekis ∆W ≥ ∆Wrib, tai yra lygus ar didesnis už minimalų energijos kiekį, kurį 

absorbavęs atomas ar molekulė pereina iš normalaus į sužadintą būvį. Nesužadintų 

molekulių disociacijos tikimybė maža, net jei susiduriančių dalelių slenkamojo judėjimo 

energija yra tos pačios eilės kaip ir atomų ryšio energija molekulėje. Disociaciją 

stimuliuos tie fiziniai procesai, kurių charakteringieji (relaksacijos) laikai τ artimi 

cheminių procesų laikams. Molekulių disociacijos trukmė τdisoc. ~ 10 -7 s, jai artimiausia – 

vibracinio sužadinimo trukmė (τvibr.. ~ 10 -7 s), vadinasi pagrindinį vaidmenį molekulės 

disociacijoje lemia vibracinio svyravimo sužadinimas. Todėl net kai Wslenk. maža, bet 

molekulės Wvibr.- didelė (molekulė stipriai sužadinta) ji disocijuos, tuo tarpu elektroninis 

(τelektr. ~ 10 -8 s) ar rotacinis (τrot. ~ 10 -9 s) sužadinimai molekulių disociacijai neįtakos. 

Plazmocheminio ėsdinimo reakcijose dalyvauja atomai. Žinodami konkrečios 

molekulės vibracinės energijos spektrą, galime prognozuoti kokios turi būti sąlygos 

(slėgis, elektrinio lauko stiprumas ir lauko dažnis), kad elektringos dalelės vykdytų 

molekulių bei sudėtingų radikalų disociaciją ir sukurtų chemiškai aktyvius agentus. 

Pabrėžtina, kad (1 – 3) lygtys parodo didžiausią susidūrime perduodamos energijos 

vertę, realiai ji būna mažesnė, nes smūgiai dažniausiai būna ne centriniai. 

3. Plazminio ir plazmocheminio ėsdinimo sistemos 

Ėsdinimui keliamus reikalavimus pasiekiame naudodami įvairias sistemas, 

įgalinančias gauti platų išlydžio galių, plazmos dalelių koncentracijų ir energijų spektrą. 

Bendriausiais išlydį apibūdinančiais parametrais laikoma: išlydžio galia, galios tankis 

(galia tenkanti bandinio paviršiaus ploto vienetui), jonų energija, jonų srovės tankis, 

slėgis darbinėje kameroje (jam proporcingas radikalų tankis), elektromagnetinio lauko 

dažnis. 

Matėme, kad elektronus pagreitinus elektriniu lauku, jie gali jonizuoti bei 

sužadinti dujų atomus. Jonizacijos metu atsiras antriniai elektronai, kurie taip pat bus 

greitinami elektrinio lauko. Kai dujų slėgis p > 1Pa (tiksli reikšmė priklauso nuo 

atstumo tarp elektrodų ir dujų rūšies), gausime žėrinčio išlydžio plazmą. Kol slėgis p < 

8

10 3 Pa, plazma tarpelektrodinėje erdvėje yra pasiskirsčiusi tolygiai. Slėgiui didėjant ji 

lokalizuojasi mažesnėje erdvėje. Žėrinčio išlydžio plazma yra pagrindinis, plazminius 

procesus naudojančių technologijų, aktyvių radikalų ir elektringų dalelių šaltinis, 

kuriame dujas veikiančio elektrinio lauko energija virsta į aktyvuotų dujų dalelių (jonų, 

atomų, laisvųjų radikalų) energiją. Šios dalelės fizikinės ar cheminės sąveikos su kietojo 

kūno paviršium metu ir vykdo ėsdinimą. 

Pagal plazmos gavimo būdą vakuumines sistemas skirstome: statinės t.y. 

pastovios srovės(PS) (DC – direct current), aukšto (dažniausiai 13,56 MHz) dažnio 

(AD) (RF – radio frequence), ir didelio krūvininkų tankio(DKT) labai aukšto dažnio 

(2,45GHz) sistemas (high density plasma – HDP). 

Statinėse sistemose pavyzdėlis dedamas ant katodo (diodinė sistema) arba ant 

zondo (triodinė sistema), kuriam plazmos atžvilgiu suteikiamas neigiamas priešįtampis. 

Pastovios srovės žėrintis išlydis prasideda kai p≈4Pa, o įtampa keli šimtai voltų. 

Naudojant kaitinamus katodus išlydis vyksta ir prie žemesnių slėgių. Jei išlydžio zoną 

veikia išorinis magnetinis laukas, iškreivinantis elektronų trajektorijas, darbinį slėgį 

galima sumažinti iki šimtųjų paskalio dalių. Visoms išlydžio rūšims(ne tik PS) esminės 

yra šios savybės: 1)apie kiekvieną neigiamai įelektrintą elektrodą susidaro teigiamas 

erdvinis krūvis. Jonų ir elektronų judrių skirtumas reiškia, kad apie kiekvieną į plazmą 

įvestą paviršių susidarys „jonų debesėlis“; 2) „jonų debesėlis“ yra blogesnis laidininkas 

nei tos plazmos vietos kur yra didelė elektronų koncentracija, taigi debesėlio srityje bus 

didžiausias įtampos kritimas; 3) vidutinė elektronų energija didėja mažėjant slėgiui, o 

tiksliau didėjant E/p santykiui(E-elektrinio lauko stipris, p-slėgis). 

Statinės sistemos dažniausiai naudojamos JE. Pagrindinis jų privalumas – 

paprastos, tinka ėsdinti visoms medžiagoms, išskyrus dielektrikus. Tačiau maži jonų 

srovės tankiai (j ≤1 mA/cm 2 ) ir nedidelės jonų energijos (iki 2 keV) duoda mažą 

ėsdinimo greitį ir menką selektyvumą. Be to, esant dielektriko intarpams pastarieji 

įsielektrina ir į juos vykstantys mikroišlydžiai gali suardyti bandinio paviršių, pakeisti 

reljefą bei struktūrą. 

Jei prie elektrodų prijungsime kintamą įtampą tai jų poliariškumas kis kas 

kiekvieną pusę periodo. Jonai ir elektronai seks lauko kitimą ir gausime vaizdą identišką 

PS išlydžiui, bet su kintamu poliariškumu. Pasiekus tam tikrą pridėtos įtampos dažnį, 

jonams dar nespėjus palikti tarp elektrodinę erdvę, įtampos poliariškumas pasikeis. Dar 

padidinus dažnį tas pats ištiks ir elektronus. Taigi jie ims svyruoti tarp elektrodinėje 

erdvėje. Osciliacijų dažnis priklauso nuo elektronų judrio, atstumo tarp elektrodų ir 

9

pridėtos įtampos amplitudės. Osciliacijų metu elektronai įgyja pakankamai energijos 

dujų atomų jonizacijai ir tuo pačiu išlydis tampa savarankišku. Dėl osciliacijų padidėja 

elektronų susidūrimo su neutraliomis dalelėmis tikimybė, o tai leidžia dirbti prie 

žemesnių slėgių. Mažiausią plazmos uždegimo įtampą ir didžiausią jos laidumas 

gausime tuomet, kai dujas veikiančio elektromagnetinio lauko ciklinis dažnis ω bus 

lygus elektronų susidūrimo su dujų atomais dažniui υ. Pasinaudoję sąryšiu tarp υ ir 

slėgio p gauname, kad prie υ=13,56MHz p=4,25Pa /2/. 

AD sistemos yra indukcinės, talpuminės ir kombinuotos. Indukcinėje sistemoje 

plačiame slėgių intervale (nuo keleto iki kelių šimtų Pa) plazmą sukuria AD 

elektromagnetinis laukas. Tokiose sistemose bandinį veikia neutralios dalelės, radikalai, 

elektronai, jonai ir AD energijos kvantai. Bandinys plazmos atžvilgiu turi “plaukiojantį” 

potencialą, o jonų energija kinta nuo kelių iki kelių dešimčių eV. Į AD indukcinę (ar 

talpuminę) sistemą įvedus įžemintą Faradėjaus cilindrą galima eliminuoti elektringų 

dalelių poveikį bandiniams - vyksta tik cheminis ėsdinimas, nes pavyzdėlį veikia tik 

radikalai ir hν kvantai. 

a) b) 

3 pav. AD talpuminės sistemos: a) simetrinė, b) asimetrinė. /4/ 

AD talpuminės sistemos gali veikti esant geresniam vakuumui (p ≈ 10 ÷ 10 -1 Pa). 

Priklausomai nuo AD generatoriaus prijungimo, talpuminė sistema gali būti simetrinė ir 

asimetrinė (3 pav.). Simetrinėje sistemoje (3pav. a) pavyzdėlį pakaitomis bombarduoja 

energingi elektronai ir jonai. Kai f ≥1 Mhz, jonai nespėja sekti AD įtampos, kitimo ir jų 

10

4 pav. Charakteringieji AD sistemoje besiformuojantys potencialai. 

Emax « eUmax (Umax - AD įtampos amplitudė), tuo tarpu elektronų energija (kol jie spėja 

sekti elektromagnetinio lauko kitimą) lygi AD įtampos momentinei vertei, 

Asimetrinėje sistemoje (3pav. b) judrūs elektronai neįžemintam elektrodui 

suteikia neigiamą potencialą plazmos atžvilgiu. Jonų energiją apsprendžia elektriniai 

potencialai, kuriuos įgyja įvairiose išlydžio vietose esantis paviršiai. Tris charakteringi 

potencialai parodyti 4 pav. : Ut – AD elektrodo paviršiaus potencialas, Uf – elektriškai 

nestabilaus paviršiaus(dielektrinės sienelės, neįžeminto bandinio ir tt.) potencialas, Up – 

plazmos potencialas. Visi potencialai matuojami žemės atžvilgiu. Jonų debesėliuose 

susidarę įtampos kritimai: Up-Ut – ant AD elektrodo; Up-Uf –ant elektriškai nestabilaus 

paviršiaus; Up- ant įžeminto paviršiaus (5 pav.). Paviršiaus potencialas plazmos 

5 pav. Jonų debesėliuose susidarę įtampos kritimai. 

11

atžvilgiu apsprendžia maksimalią krintančių į paviršių jonų energiją. Įtampos kritimas 

jonų debesėlyje priklauso nuo AD elektrodo paviršiaus ploto santykio su visu, plazmoje 

esančiu, įžemintu paviršium. Taigi mažinant AD elektrodo paviršių didiname Up-Ut ir 

mažiname įtampos kritimą ant įžeminto elektrodo joninio debesėlio. 

AD talpuminėse sistemose vienu metu vyksta ir fiziniai, ir cheminiai procesai, 

todėl šį ėsdinimą vadiname RJE. Kadangi, šiuo atveju, gana paprasta keislti jonų 

energiją, talpuminės sistemos yra itin paplitusios. Pagrindiniai RJE trūkumai: bandiniai 

ir elektrodai yra išlydžio kameroje, jonų srovė, energija ir slėgis darbinėje kameroje 

tarpusavyje susieti. 

7 pav. Jonų pluoštelinė sistema. 

Jonų pluoštelių sistemose jonų gavimo ir ėsdinimo kameros atskirtos (6 pav). 

Jonai ištraukiami iš plazmos generavimo kameros elektriniu lauku ir juo pagreitinami 

nuo kelių šimtų elektronvoltų iki kelių kiloelektronvoltų energijų. Pluošteliai 

suformuojami pakankamai didelių (kelių mA/cm 2 ) srovės tankių. Priklausomai nuo 

sistemos ypatybių čia galime vykdyti: joninį ėsdinimą, reaktyvų joninį pluoštelinį 

ėsdinimą, arba jonais aktyvuotą cheminį ėsdinimą. Pirmu atveju bandinį veiks tik 

neutralių dujų jonai, antru - reaktyvūs jonai, trečiu – aktyvūs radikalai ir, priklausomai 

12

nuo plazmos sudėties, inertinių arba reaktyvių dujų jonai. Didžiausias šio metodo 

trūkumas – pavienis bandinių apdirbimas. 

Gana paplitę didelio jonizacijos laipsnio ir žemo slėgio plazmos šaltiniai, 

kuriuose dujų jonizacija padidinama panaudojant išorinį magnetinį lauką. Šiems 

įrenginiams būdinga mikrobangų energijos prijungimas prie plazmos ne per elektrodus, 

kaip tai buvo daroma AD įrengimuose, o per dielektriko langą (7 pav a). Ne talpuminis 

Mikro bangos 

x 

x 

. 

. 

Multidipoliai 

R F galia 

13 

R F antena 

a) b) 

R F generatorius 

Multidipoliai 

Veikiamas 

paviršius 

. 

Multidipoliai 

RFgeneratorius R F galia 

c) d) 

7 pav. Plazmos reaktorių tipai: 

a) elektroninio ciklotroninio rezonanso (ECR) 

b) Helikoninio išlydžio reaktorius 

c) induktyvinis reaktorius (ICR) 

d) diodinis reaktorius (DC)

energijos perdavimas leidžia pasiekti žemą įtampą per visą plazmą, todėl jonai 

dėl automatinio priešįtampio įgyja tik 20 – 30 eV eilės energiją. Norint padidinti 

krintančių jonų energiją elektrodas, ant kurio yra bandinys, (analogiškai zondui statinėje 

sistemoje) prijungiamas prie papildomo šaltinio. Taigi, keičiant plazmą sukuriančio 

šaltinio galią galima keisti jonų ir radikalų srautus, keičiant padėklo priešįtampį – jonų 

energiją. Šio tipo įrenginiai skiriasi plazmą sukuriančios energijos prijungimo būdu. 

Elektroninio 

1.1 lentelė 

Plazmos gavimo būdai 

Parametras AD diodinė Didelio Jonų pluoštelio Reaktyvių jonų 

sistema krūvininkų sistema pluoštelinė 

tankio sistema 

sistema 

Slėgis, Torr 10 -2 - 1 5 10 -4 – 5 – 10 -2 10 -4 – 10 -3 10 -4 – 10 -3 

Galia, W 50 – 2000 100 - 5000 - - 

Dažnis, MHz 0,05 – 13,56 0 – 2450 - - 

Magnetinio lauko 

indukcija, G 

Krūvininkų 

tankis plazmoje 

cm -3 

Elektronų 

temperatūra, eV 

0 0 – 1000 - - 

10 9 – 10 11 10 10 - 10 12 

1 – 5 2 – 7 - - 

Jonų energija, eV 200 – 1000 20 –500 200 – 2000 200 – 1500 

Jonų srovės 

tankis mA/cm 2 

0,1 10 0,3 – 1 0,03 – 1 

Selektyvumas Geras Geras Blogas Geras 

Profilis Pusiau 

anizotropinis 

Ėsdinimo 

mechanizmas 

Cheminis ir 

fizinis 

Pusiau 

anizotropinis 

Fizinis ir 

cheminis 

14 

Anizotropinis Anizotropinis 

Fizinis Fizinis 

cheminis 

ir

ciklotroninio rezonanso (ECR) šaltiniai (ECR – electron cyclotron resonance) 

būdingaritės, gaubiančios cilindrinę plazmos šaltinio kamerą ir sukuriančios ašinį 

pastovaus magnetinio lauko kitimą. Per dielektriko langą mikrobangų energija 

paduodama ašies kryptimi. Ji sužadina apskritimu poliarizuotą bangą, kuri nukreipiama 

į ECR zoną ir ten absorbuojama. Dažniausiai naudojamas mikrobangų dažnis f = 2,45 

GHz rezonuojančio magnetinio lauko indukcija B ≈ 875 G. Be 2,45 GHz dažnio 

plazmos sužadinimui naudojamas ir 13,56 MHz dažnis. Šio tipo šaltinių trūkumai: 

neišvengiama radialinio ėsdinimo netolygumo, nusėdimas ant dielektriko lango mažina 

perduodamos galios kontrolę ir pačią perduodamą galią. 

Įvairiais būdais gaunamų plazmų charakteristikos parodytos 1.1 lentelėje. Iš 

lentelės matome, kad, įvedus į plazmą kietąjį kūną, gali vykti kaip fizikiniai, taip ir 

cheminiai procesai. Procesai, vykstantys kietojo kūno paviršiuje, veikiant jį 

pagreitintomis ir šiluminę energiją (kT) turinčiomis inertinių ar aktyvių dujų dalelėmis, 

bus aptariami konkretaus laboratorinio darbo aprašyme. 

15

LABORATORINIS DARBAS NR.1 

Joninis medžiagų ėsdinimas 

Darbo tikslas: 

Susipažinti su medžiagų joninio ėsdinimo teorija. Atlikti monokristalinio 

silicio ir terminiu būdu išauginto SiO2 ėsdinimą argono jonais. Nustatyti Si ir SiO2 

ėsdinimo greičius bei apskaičiuoti dulkėjimo koeficientų priklausomybę nuo 

bombarduojančių jonų energijos. Susipažinti su paviršiaus mikrorelijefo tyrimu 

interferenciniu mikroskopu. 

Teorinė dalis 

1. Greitų dalelių sąveika su medžiaga 

Dalelių sklaida ( judėjimo krypties kitimas) ir stabdymas (dalelių energijos 

kitimas joms susiduriant su medžiagos atomais) yra esminiai procesai nagrinėjant 

greitų dalelių judėjimą medžiagoje. 

Dalelių susidūrimai būna dvejopi - tamprūs ir netamprūs. Tampraus susidūrimo 

metu kritusi dalelė sąveikauja su taikinio atomų branduoliais. Netampraus smūgio 

metu ji sąveikauja su laisvaisiais ir valentiniais (atomo) elektronais. Kai sąveika 

netampri, kritusios dalelės kinetinė energija pereina į vidinę apšaudomos medžiagos 

(taikinio) dalelių energiją, dėl ko taikinio dalelės (atomai, molekulės) sužadinamos, 

jonizuojamos, galima molekulių disociaciją bei heterogeninės reakcijos. Todėl 

stebime elektromagnetinį spinduliavimą, antrinę elektronų emisiją, išmuštų dalelių 

įsielektrinimą, nuo paviršiaus atšokusių jonų persielektrinimą ir t.t. Tamprių 

susidūrimų metu galioja mechaninės energijos ir impulso tvermės dėsniai. Dalelės 

stabdymas tampraus smūgio metu yra diskretiškas, nes greitos dalelės sąveika su 

kondensuota aplinka įsivaizduojama tarsi vienas po kito einančių binarinių (dalelėtaikinio 

atomas) susidūrimų seka, kuriai tarpatominiai ryšiai neįtakoja. Jei atstumas 

“greitoji dalelė – taikinio atomas” bus mažesnis nei atstumas tarp taikinio atomų, o 

susidūrimo metu taikinio atomui perduota energija Ea>Er, (kur Er – taikinio atomų 

ryšio energija) ši prielaida bus teisinga. Tampriajai sąveikai būdinga: intensyvūs 

energijos ir impulso mainai, didelė taikinį apšaudančių dalelių sklaida (net atspindys), 

16

taikinio atomų išmušimas iš pusiausvyros padėties (taškinių defektų sukūrimas), 

sustiprėjęs atomų svyravimas apie pusiausvyros padėtį (taikinio įšilimas). Kai 

tampriosios sąveikos metu taikinio dalelėms perduotas impulsas nukreiptas paviršiaus 

normalės kryptimi, jos gali išlėkti iš taikinio į aplinką (vakuumą) (žiūr. 1.1 pav.). Šis 

reiškinys vadinamas medžiagos dulkėjimu arba irimu (sputtering). 

Joninėje ar plazminėje technologijoje greitos, taikinį apšaudančios dalelės 

dažniausia yra jonai, tačiau elektronai, protonai, neutronai ar neutralūs atomai jomis 

taip pat gali būti. 

2. Dulkėjimo mechanizmas. Dulkėjimo koeficientas 

Dulkinimo intensyvumą nusako dulkėjimo koeficientas Y. Jis lygus vidutiniam 

atomų skaičiui, kurį išmuša į taikinį krintantis jonas (ar kita į paviršių krintanti 

dalelė). 

N 

a Y = (1.1) 

N j 

Fizikinis dulkėjimas vyks tuomet, kai kieto kūno paviršiniame sluoksnyje 

formuojantis susidūrimų kaskadui taikinio dalelės įgaus reikiamą impulsą ir energiją. 

Šio proceso prigimtis panaši į radiacinių defektų susidarymą tūryje. Tai - 

termodinamiškai nepusiausviras procesas ir tuo jis esminiai skiriasi nuo garavimo. 

a) b) c) 

1.1 pav. Pagrindiniai fizinio dulkėjimo mechanizmai: 

a) - rikošetas, b) – kaskadas, c) – terminis 

17

Nagrinėjant fizikinį dulkėjimą svarbu: 1) eliminuoti lakių junginių susidarymą 

(t.y išvengti jonų cheminės sąveikos su taikinio atomais); 2) jonų pluošteliu ne 

iššaukti taikinio garavimo. Pagal Sigmund teorija, dulkėjimo sąvoka prasminga tik 

esant mažiems įtėkiams ir jonų srautams. Kai srautai dideli - taikinys garuos /3/. Iš 

tikrųju atomai palieka taikinį ne tik dėl jiems kryptingai perduoto impulso, bet ir dėl 

stipraus lokalinio paviršiaus įšilimo jono kritimo taške (“karštos dėmės” modelis) ar 

stipraus lokalinio įšilimo (ar net išsilydimo) susidūrimų kaskado elementariajame 

tūryje (“šiluminio pleišto” modelis). Taigi -praktikoje antroji sąlyga dažniausiai ne 

įvykdoma. 

Nagrinėjant dulkėjimą šiuo metu dominuoja Kelly /4/ teorija, kuri procesus skirsto 

pagal jų trukmę: 

1. Greiti (10 -15 – 10 -14 )s dalelių susidūrimai. Jie sąlygoja greitus dulkėjimo 

procesus. Jonui išmušus pirmojo monosluoksnio atomą (pirminį atomą), šis atsimuša į 

antrojo monosluoksnio atomą, atšoka nuo jo ir palieka taikinį (pav. 1.1a). Kitu 

atveju, pirminis atomas gali tam tikrą laiką “migruoti” taikinyje, o taikinį palieka 

atatrankos atomas. Jono perduoda energiją pirminiam atomui: 

m jm 

a 

2 θ 

E a= 

4 E sin 

2 j 

(1.2) 

( m + m ) 2 

j 

a 

kur Ej – jono energija, mj ir ma – atitinkami jono ir atomo masės, Θ - jono sklaidos 

kampas masių centro sistemoje. 

Jei Ea >Er , jis išmuš kitus 

atomus iš pusiausvyros padėties. Kritęs jonas inicijuos atominių susidūrimų kaskadą 

(pav. 1.1b), kurio trukmė (10 -14 – 10 -12 )s. Atatrankos metu atomai suteiks taikinio 

dalelėms reikiamą impulsą ir energiją ir jos išlėks į aplinką. Palikti taikinį gali ne tik 

pirmojo (viršutinio) monosluoksnio atomai. 

Jonams statmenai krintant į taikinį, dulkėjimo koeficientas Y lygus: 

Y 

4. 

2 

10 

S ( E) 

E 

14 n 

= ⋅ α 

(1.3) 

b 

18

kur α = α(mj/ma), Sn – branduolių stabdymo geba, Eb – taikinio paviršiaus 

potencialinis barjeras Eb ≈ H (H – sublimacijos energija). 

3. Greiti šiluminiai procesai. Jei greitos antrinės dalelės judėdamos išilgai jono 

trajektorijos generuos didelį išmuštų atatrankos atomų kiekį (pav. 1.1c), tai tam 

tikrame elementariame kietojo kūno tūryje gali judėti visos dalelės. Tai tolygu 

stipriam lokaliam įšilimui. Tokio “šiluminio pleišto” gyvavimo trukmė 10 -12 – 10 -10 s. 

Jis sąlygoja intensyvų atomų garavimą “pleišto” srityje. Tai - greitieji šiluminiai 

procesai. Jei “šiluminį pleištą” sukuria kiekvienas krintantys jonas, tai dulkėjimo 

koeficiento išraiška bus tokia: 

Y 

P 

y t 

H 

2 

šil = π∆ 

s 

2πMkT 

čia T – temperatūra pleišto srityje. Ji randama iš sąlygos: 

19 

(1.4) 

3 E j 

kT ≈ (1.5) 

2 

2 ∆x∆y 

N 

kur ∆y ir ∆x – jono prabėgimo sklaida x ir y kryptimis, N – atomų koncentracija 

2 

∆y 

taikinyje, ts = , ℵ - šiluminio laidumo koeficientas; PH – sočiųjų garų slėgis. Jis 

ℵ 

randamas pagal Arenijaus (Arrhenius) lygtį: 

PH = POHexp(-Ea/kT) (1.6) 

čia Ea ≈ H, o POH – konstanta. 

4. Lėti šiluminiai procesai. Pačius ilgiausius (t>10 -10 s) dulkinimo procesus 

sąlygoja elektronų būvio kitimas. Pastebėta, kad apšaudant šarminių metalų 

halogenidus (NaF, KJ) mažos (500eV) energijos elektronų pluošteliais dulkėjimo 

koeficientas yra apytiksliai lygus ar net didesnis už 10. Kadangi elektronų masė maža, 

kaskadiniu reiškiniu to paaiškinti negalime. Šiluminių reiškinių modelis čia netinka, 

nes elektronų laisvasis prabėgimo kelias kietajame kūne yra didelis, todėl įšilimas, 

lyginant su apšvita jonais, mažas. Paviršiaus atomus apšvitinus elektronais ar didelės 

energijos kvantais jie aktyvuojami, o tokių atomų ryšio energiją su kaimyniniais 

atomais yra žymiai mažesnė nei neaktyvuotų atomų. Pavyzdžiui, normaliame būvyje 

dviatomė molekulė aprašoma simetrinėmis orbitinėmis banginėmis funkcijomis ir

endras elektronų sukinys yra lygus nuliui . Sužadintame būvyje sukinys bus lygus 

vienam, o banginės funkcijos asimetrinės. Toks būvis nestabilus, bet dielektriko 

molekulė jame gali būti ilgai. Jei sužadinto būvio trukmė yra didesnė už molekulės 

disociacijos laiką, atomai, dėl branduolių tarpusavio stūmos, išsiskirs. Tai žymiai 

palengvina atomų emisiją iš kietojo kūno. 

Pagal susidūrimo mechanizmą elektroninius procesus gali sukelti: 

a) Pavieniai išmušimai.Kai disociaciją ar jonizaciją vykdo mažų energijų 

(≤ 100 eV) elektronai, didelės energijos hυ kvantai, ar mažų energijų 

jonai (jono greitis v ≤ e 2 /ħ); 

b) Jonizacijos kaskadai. Juos sukels greiti antriniai elektronai (≥ 100 eV) 

ir greiti (v>> e 2 /ħ) jonai, galintis jonizuoti atomus; 

c) Jonizuotos sritys. Jas sukurs sunkūs vidutinių greičių (v> e 2 /ħ) jonai, 

kurie judėdami taikinyje gali jonizuoti daug atomų. 

3. Faktoriai įtakojantys dulkinimo koeficientui 

Jei monoatominį taikinį (Al, Cu, Si, Ga) apšaudome inertinių dujų (He, Ne, Ar) 

jonais, dulkėjimo koeficientą apskaičiuoti ir eksperimentiškai nustatyti yra paprasta.. 

Jei taikinys veikiamas chemiškai aktyviais jonais (N, O, F) tai yra sudėtinga, nes: 1) 

sunku atskirti fizikinę ėsdinimo dedamąją (dulkėjimą) nuo cheminės ėsdinimo 

dedamosios (lakaus junginio (pvz. SiF4)desorbcijos); 2) gali susidaryti nelakus 

junginys (Si+O → SiO2) ir paviršiuje gausime naujos medžiagos intarpus (ar net 

ištisinį sluoksnį). Šių intarpų ar sluoksnių fizikiniai parametrai gali esminiai skirtis 

nuo išeities medžiagos; 3) smūgio į paviršių metu sudėtingi molekuliniai jonai ar 

jonizuoti radikalai (CF4 + , CF3 + , CH3 + ) gali fragmentuoti į atomus. Jei jonų energija 

buvo maža, tai adsorbuoti paviršiuje atomai migruoja ir gali sudaryti CFx ar CHx 

radikalus. Pastarųjų polimerizacija eliminuos bombarduojančių jonų sąveiką su 

tiriamąja medžiaga. 

Dulkant lydiniams ir junginiams kiekviena komponentė gali dulkėti skirtingai. 

Todėl paviršiaus stechiometrinė sudėtis kis tol, kol duotosioms dulkinimo sąlygoms, 

nusistovės nauja, stacionari paviršinė komponentų pusiausvyra. 

Jei paviršių bombarduoja molekuliniai jonai (N2 + , O2 + , Cl2 + ) sudaryti iš vienodų 

atomų tai kiekvienas pirminis (bombarduojantis) atomas skaičiuojant vertinamas 

20

atskirai (nes smūgio metu molekulinis jonas disocijuos ir toliau atomai judės 

nepriklausomai). Jei molekulinį joną sudaro skirtingi atomai (CF3 + ) , tai tikslinga Y 

skaičiuoti vienam molekuliniam jonui, nes atskirti kuris C ar F atomas išmuš taikinio 

atomus neįmanoma. Skaičiuojant Y vertinami tik išmušti taikinio medžiagos atomai; 

atspindėti ar įterpti į taikinį ir vėl išmušti jonai neįskaitomi. 

Nagrinėjant monokristalų dulkėjimą būtina atminti, kad kristalinė struktūra įtakoja 

dulkėjimo išeigai – kai jonų kritimo kryptis sutampa su tankiausia atomų dėjimo 

kristale kryptimi Y gaunamas didžiausias. 

Dulkėjimo koeficientas priklauso nuo jonų kritimo kampo: 

Y(β) = Y(0)cos β -f (1.7) 

Y(0) – dulkėjimo koeficientas jonams krintant statmenai į paviršių, f – faktorius 

priklausantis nuo masių santykio. Kai ma/mj1, f ≈ 1. 

4. Eksperimentinis dulkėjimo koeficiento nustatymas 

Žinome, kad: 

Y = Na/Nj (1.8) 

Kritusių į taikinį jonų skaičių (arba jono srauto tankį) randame: 

N = I∆t/e, (1.9) 

j 

kur I – jonų srovės stipris, ∆t – dulkinimo laikas, e=1,6*10 -19 C. 

Išmuštų atomų skaičių galime sužinoti pagal taikinio masės pokytį ∆m. Kadangi: 

N 

a 

∆mN 

A = , ` (1.10) 

M 

2 

kur M2 – taikinio molio masė, NA – Avogadro skaičius. 

Iš čia: 

21

∆mN 

Ae 

Y = . (1.11) 

M I∆t 

2 

Ėsdinant sudėtingus (daugiakomponenčius) taikinius dulkėjimo koeficientas netenka 

prasmės. Tuomet naudojame ėsdinimo (dulkėjimo) greičio sąvoką. Ėsdinimo greitis 

tai - masės kiekis nušalintas per laiko vienetą iš ploto vieneto: 

vėsd m 

∆m 

.( ) = . (1.12) 

S∆t 

Pasinaudoję dulkėjimo koeficiento išraiška galime susieti vėsd(m) su Y: 

v 

M 

Y 

j 

2 

ėsd.( 

m) 

= (1.13) 

eN A 

kur j – jonų srovės tankis. Iš (1.13) formulės žinodami vėsd(m) rasime Y. 

Galima vėsd nusakyti ir kaip pašalintą sluoksnį per laiko vienetą: 

v ėsd 

∆x 

= 

∆t 

Tuomet ryšį tarp vėsd ir Y gausime: 

v 

. (1.14) 

M 2Y 

eN ρ 

ėsd . = j (1.15) 

A 

kur ρ - taikinio medžiagos tankis. Nustatę vėsd ir pasinaudoję (1.15) formule galime 

rasti dulkėjimo koeficientą. 

22

Joninio ėsdinimo įrenginys 

1.2 pav. 

Ėsdinimą jonais atliksime aukšto dažnio H tipo reaktoriuje, kuriame gaunama 

didelė krūvininkų koncentraciją. Tai dviejų kamerų ėsdinimo sistema sukonstruota 

pramoninio įrenginio YBH-72M-2 pagrindu (1.2 pav.). Pirmoji kamera - dujų 

išlydžio. Į ją tiekiamos darbinės dujos ir radijo dažnio (13.56 MHz) generatoriaus 

pagalba sukuriama plazma. Generatoriaus galią galima keisti nuo 2 iki 3.5 kW. 

Antroji kamera – apšvitos arba darbinė. Joje vyksta joninis ėsdinimas. Reguliuojant 

slėgį išlydžio kameroje keičiame jonų (elektronų) srovės tankį. Argono slėgį išlydžio 

kameroje galima keisti nuo 0,01 iki 40 Pa, tuomet liekamasis slėgis darbinėje 

kameroje kinta nuo 0,01 iki 10 Pa. Dėl priešįtampio pro diafragmą iš išlydžio kameros 

ištraukiamos įelektrintos daleles. Jonų ar elektronų energija valdoma autonomiškai 

keičiant bandinio (taikinio) priešįtampį. Jei įtampa neprijungta, tai bandinio 

priešįtampis lygus izoliuotos sienelės potencialui, kuris nustatomas iš zondinių 

charakteristikų. Jonų ar elektronų srovės tankis kis keičiant tiekiamų dujų srautą, 

slėgį išlydžio kameroje, generatoriaus galią, atstumą nuo jonų šaltinio iki padėklo, 

dalinai ir pavyzdėlio priešįtampį. Šiame įrenginyje jonų srovės tankis gali kisti nuo 

0,02 iki 3 mA/cm 2 , o elektronų - iki 8 mA/cm 2 . 

23

Matavimo metodika 

Jei ėsdinimo metu dalį pavyzdėlio uždengiame (pvz. kita Si plokštele), 

paviršiuje formuojasi laiptelis. 

1.3 pav. 

Interferometro pagalba galima nustatyti 

išėsdintų laiptelių ar dangų storius, o iš to – 

ėsdinimo (ar nusodinimo) greičius. Darbo 

metu naudojame interferencinį mikroskopą 

MII-4 (1.3 pav.), nustatyta dažniausiai žaliai 

(611 nm) šviesai. Kai mikroskopo didinimas 

lygus 490, prietaisu galima išmatuoti nuo 

1000 iki 50 nm, dydžio nelygumus. Prietaiso 

paklaida ± 50 nm. 

Tiriant bandinys dedamas neveikta puse į 

viršų. Mikrometriniais sraigtais 2,3 galima 

keisti lešio padėtį x ir y kryptimis, sraigtu 4 

– z kryptimi. Sklende keičiamas mikroskopo 

režimas (optinis ar interferencinis). Kai 

mikroskopas veikia optiniu režimu, 

mikrometriniais sraigtais galima nustatyti 

ryškų, padidintą norimo taško optinį vaizdą. 

Šis režimas naudojamas tiriant bandinių 

paviršiaus morfologiją. 

Matuojant aukščius, po ryškaus optinio 

vaizdo nustatymo, mikroskopas 

perjungiamas į interferencinį režimą. Švelniai 

sukant 4 mikrometrinį sraigtą, gaunamos 

1.4 pav. 

ryškios interferencinės linijos. 2 ir 3 

mikrometrinių sraigtų pagalba galima 

rasti interferencinių juostų išlinkimo sritį (1.4 pav.). Tada okuliaro liniuote ir 

mikrometriniu sraigtu 1 išmatuojame interferencinės juostos ∆y ir laiptelio ∆x 

pločius. Išėsdinto laiptelio ar užneštos dangos storį skaičiuojamas pagal formulę: 

∆x 

λ 

x = ⋅ 

∆y 

2 (1.16) 

Žinodami x, galime rasti ėsdinimo ar dangos augimo greitį. 

24

Darbo eiga 

I) Sistemos paruošimas darbui: 

1) Įjungti sistemos maitinimą: trys kirtikliai įrenginio įtampos skyde. 

2) Paduoti į sistemą vandenį: atsukti tris pagrindinius vandens čiaupus 

laboratorijoje. 

II) Paruošti vakuuminį įrenginį darbui. Pagrindiniai jungikliai parodyti 1.4 pav. 

1) Įjungti vakuuminio įrenginio maitinimą (1.5 pav. 1). 

2) Įjungti mechaninį-rotacinį siurblį (1.5 pav. 2). 

3) Patikrinus ar uždaryta siurbimo iš vakuuminės kameros vakuuminė sklendė 

(1.6 pav. 1), atidaryti sklendę siurbimui iš difuzinio siurblio (1.6 pav. 2). 

III) Paruošiame bandinius ir įrenginį technologiniam procesui. 

1) Atsukame oro įleidimo į vakuuminę kamerą sraigtą “Įleidimas” (1.7 pav. 1). 

1.6 pav. 

1.5 pav. 

25 

2) Pakeliame vakuuminės kameros 

gaubtą: rankenėlę 

“Pakėlimas”pasukame į viršų, ir 

spaudžiame mygtuką “Kelti”. 

Pastaba: Gaubtą kelti ne 

daugiau kaip 50 cm. 

3) Laikiklyje (1.7 pav. 2) 

įtvirtiname bandinį. Dalį bandinio 

uždengiame kita silicio plokštele, 

kad suformuotume ribą tarp 

paveikto ir neveikto paviršiaus. 

4) Nuleidžiame vakuuminį gaubtą, rankenėlę “Pakėlimas” 

pasukame žemyn. 

Pastaba: Prieš nuleidžiant gaubtą, būtina patikrinti ar 

niekas nekliudo gaubto nuleidimui bei sandarumui. 

Likus 5 cm., nuleidimą sustabdome ir dar kartą patikriname 

ar kameros gaubtas neprispaus guminių žarnų, elektros laidų, 

ar nebus pažeisti gaubto ir plokštumos kontaktuojantis 

paviršiai.

5) Užsukame sraigtą “Įleidimas”, uždarome siurbimo iš difuzinio siurblio sklendę 

(1.6 pav. 1), - atidarome siurbimo iš kameros vakuuminę sklendę (1.6 pav. 2). 

6) Atsiurbiame vakuuminę kamerą iki 8 Pa ( termoporinio – jonizacinio vakuumetro 

skalėje (I Priedo 2 pav.) iki 6•10 -2 mmHg, arba, jei skalė graduota mA,- iki 25 mA.) 

Pastaba : Jungikliu, pažymėtu “Daviklis” (1.5 pav. 3), galime keisti daviklius, 

kuriais matuojame slėgį kameroje ir difuziniame siurblyje. 

1.7 pav. 

7) Atsargiai atsukame dujų baliono sklendę (I Priedo 3 

pav. 1), stebėdami pirmojo manometro parodymus (I 

Priedo 3 pav. 2). 

8) Atsargiai prisukame reduktoriaus sraigtą (I priedas 

3pav. 3), kad antrojo manometro (I priedas 3 pav. 4) 

rodyklės parodymai neviršytų 1,5 atm. 

Pastaba: Jei reduktorius turi srauto reguliavimo 

rankenėlę (I priedas 3 pav. 5), ją atsukame, kad dujų 

srautas patektų į gumines žarnas. Jei žarna pradeda 

pūstis, staigiai atsukame dujų srauto padavimo į 

vakuuminę kamerą rankenėlę (I priedas 4 pav. 

1), kad dujos patektų į kamerą. 

1.8 pav. 

rankenėle (1.8 pav. 2) 

parenkame įtampos intervalą 150-300V. 

2) Rankenėle (1.8 pav. 3) nustatome neigiamą 200V įtampą. 

3) Įjungiame AD generatoriaus maitinimą (kirtiklis “Maitinimas” žemai esančioje 

dėžėje). 

4) Paleidžiame vandenį generatoriaus aušinimui (jungiklis (1.5 pav. 4) perjungiamas į 

26 

9) Įsitikinę, kad iš baliono 

paduodamas dujų srautas 

pateko į žarnas, atsargiai 

sukdami srauto matuoklio 

rankenėlę (I priedas 4 pav. 

1), nustatome dujų srautą 

5 cm 3 /s. 

IV) Joninis ėsdinimas ir 

jo valdymas. 

1) Įjungę papildomą padėklo 

įtampos šaltinį (1.8 pav. 1)

padėtį “šaltas vanduo”. 

5) Įjungiame generatoriaus 

kaitinimą aukštai esančioje 

dėžėje (1.9 pav. 1). 

Būtina įsitikinti, kad sukasi 

ventiliatorius papildomam 

generatoriaus aušinimui, 

esantis kitoje generatoriaus 

dėžės pusėje. Jei 

ventiliatorius nesisuka, 

pradinį judesį suteikiame 

mechaniškai. 

1.9 pav. 

6) Įjungiame generatoriaus 

siurblį (1.9 pav. 2). 

7) Laikrodžiu nustatome proceso trukmę – 10 min.(1.9 pav. 3). 

Generatorius įkaitus, suveikia relė, ir jungikliu (1.9 pav. 4) uždegame plazmą. 

8) Ampermetru išsimatuojame jonų srovę ir apskaičiuojame jonų srovės tankį. 

Pastaba: procesas išsijungia automatiškai. Jei reikia, procesą galime nutraukti 

jungikliu (1.9 pav. 5). 

V) Proceso pabaiga 

2) Išjungiame generatoriaus kaitinimą (1.9 pav. 1). 

3) Išjungiame įtampos šaltinį (1.8 pav. 1). 

4) Palaukę keletą sekundžių, užsukame dujų srauto matuoklio rankenėlę (I priedas 4 

pav. 1), bei keletą minučių palaukiame, kol kamera atsiurbiama. 

5) Uždarome siurbimo iš kameros vakuuminę sklendę (1.6 pav. 1) ir atidarome 

siurbimo iš difuzinio siurblio (1.6 pav. 2) sklendę. 

6) Įleidžiame į kamerą orą (atsukame sraigtą “Įleidimas” (1.7 pav. 1). 

VI) Po šių operacijų pakeičiame bandinį, atsiurbiame kamerą, paduodame į 

plazmos kamerą tą patį dujų srautą, nustatome priešįtampį 400V ir 

pakartojame tos pačios trukmės plazminį procesą. Eksperimentą vėl 

pakartojame esant jonų energijai 600V. 

VII) Darbo pabaiga. 

1) Interferenciniu mikroskopu išmatuojame išėsdinto laiptelio aukštį bei 

suskaičiuojame ėsdinimo greičius. 

2) Išjungiame generatoriaus maitinimą bei išjungiame generatoriaus aušinimo 

vandenį. 

3) Atsiurbiame vakuuminę kamerą, uždarome abi vakuumines sklendes. Išjungiame 

27

otacinį siurblį. Tuo pačiu momentu, kai išjungiamas rotacinis siurblys, 

paspausti mygtuką “Oras”, kad oras patektų į siurblį. 

4) Užsukame tris pagrindinius vandens čiaupus, išjungiame vakuuminio įrenginio 

maitinimo įvadą. 

Rezultatų analizė 

Žinodami ėsdinimo greičius įvertinkite Si ir SiO2 dulkinimo koeficientus. 

Nubrėžkite šių medžiagų dulkėjimo koeficientų bei ėsdinimo greičių priklausomybes 

nuo jonų energijos. 

Pagal (1.2) formulę apskaičiuokite kokias energijas Ar + jonai perduoda Si ir 

O atomams. Iš gautų rezultatų paaiškinkite kas vyksta SiO2 paviršiaus sluoksnyje 

apšvytos metu. 

Iš apžvalgos mikroskopu (optiniu režimu) įvertinkite joninio pluoštelio parametrų 

įtaka paviršiaus mikroreljefui. 

28


Reaktyvusis joninis ėsdinimas 

Darbo tikslas: 

Išnagrinėti heterogeninių reakcijų ypatumus aktyviu dujų plazmoje. Atlikti 

mono kristalinio silicio bei terminiu būdu suformuoto SiO2 reaktyvų joninį ėsdinimą 

techniškai švariose CF2Cl2. Įvertinti ėsdinimo greitį , selektyvumą ir anizotropiškumą, 

naudojant interferencinį bei skanuojanti elektroninį mikroskopus. Palyginti reaktyvaus 

joninio ėdinimo ir joninio spindulinio ėsdinimo greičius. 


1. Aktyvios terpės formavimas 

Plazmocheminiuose procesuose naudojamoms dujoms būdingas dideliu 

tvirtumu pasižymintis kovalentinis ryšys. Todėl dujų molekulių reaktyvumas, 

sąveikaujant tarpusavyje ar su kietu kūnu, yra labai mažas. Homogeninėje ar 

heterogeninėje reakcijoje dalyvauja molekulių disociacijos produktai - atomai, arba 

dažniau - radikalai. Aptardami procesus dujų plazmoje, parodėme, kad žėrinčio išlydžio 

plazmoje disociacijos reakcija vyksta veikiant neutralias molekules elektronais: 

AB + e - → A + B + e - , 

AB + e - → A + B - . 

Jos metu sukuriami radikalai ir jonai. Generacijos greitis: 

29 

(2.1) 

(2.2) 

d(AB)/dt = kD (AB)•(e); (2.3) 

čia (AB) ir (e) - darbinių dujų ir elektronų tūrinė koncentracija; kD - disociacijos 

reakcijos greičio konstanta, priklausanti nuo elektronų pasiskirstymo pagal energijos 

funkcijas g(E). Keičiantis g(E), galimos įvairios AB molekulinės metastabilios būsenos 

(pvz., deguoniui jų priskaičiuojama iki 32). Savo ruožtu g(E) priklauso nuo dujų rūšies, 

slėgio, išlydžio galios, dujas veikiančio elektromagnetinio lauko dažnio. 

Be aktyvių reagentų generacijos, vyksta ir atvirkščias procesas - 

rekombinacija. Atomų ryšio energija molekulėje AB gali būti mažesnė už jų

disociacijos energiją. Rekombinuojant tokiems atomams, energijos ir impulso tvermės 

dėsniai bus išlaikyti tik, kai reakcijoje dalyvaus trečias kūnas: 

A + B + M → AB + M. (2.4) 

Tuomet A atomų tūrinis koncentracijos kitimas 

d(A)/dt = -kR(A)(B)•(M); (2.5) 

čia kR - rekombinacijos reakcijos greitis; M - bet kuri dujų molekulė arba sienelė. 

Rekombinuojant sudėtingiems fragmentams, trečias kūnas nebūtinas, nes 

energijos perteklius gali pasiskirstyti tarp molekulės vidinių laisvės laipsnių. 

Heterogeninė reakcija vyksta, kai paviršių, kuriame yra aktyvūs centrai, 

pasiekia chemiškai aktyvūs radikalai ar jonai, galintys reaguoti su kietojo kūno atomais 

D ar paviršiuje adsorbuotomis molekulėmis bei radikalais. Jonocheminius ir 

plazmocheminius procesus sąlygojanti plazma termodinamiškai yra nepusiausvira. Jos 

dalelių energija kur kas didesnė už paprastose cheminėse reakcijose dalyvaujančių 

dalelių energiją. Todėl paviršiuje vienu metu gali vykti keletas reakcijų su skirtingais 

produktais. Kai dėl plazmos ir kietojo kūno sąveikos 

D + nAn → DAn , (2.6) 

susidaro lakus junginys, vyksta ėsdinimas, jei nelakus - sluoksnio augimas. 

Pateikiame keletą jonizacijos ir disociacijos pavyzdžių. Silicio technologijoje 

plačiausiai naudojamos Ar ir CF4 dujos. Argonui būdinga paprastoji jonizacija: 

Ar + e →Ar + +2e . (2.7) 

Tikimiausios reakcijos, vykstant plazmoje CF4 molekulės disociacijai, yra šios: 

CF4 + e → CF3 + F + e, (2.8 a) 

CF4 + e → CF3 + F - , (2.8 b) 

CF4 +e→CF3 + + F +2e . (2.8c) 

Galimos ir kitos reakcijos, kurių metu susidaro: CF2, CF, C radikalai, tik jų vyksmo 

tikimybė mažesnė. Mažiausios jonizacijos potencialas (9,5 eV) yra CF3 radikalo, todėl 

CF4 plazmoje daugiausia yra CF3 + (77%), toliau eina CF2 + (6,5%, Ej = 13.3 eV), F + 

(4%, Ej=17,42 eV) ir t.t. 

Sukurtieji jonai ir F radikalai gali dalyvauti heterogeninėse reakcijose, 

kurių galutinis rezultatas - lakaus produkto pvz., SiF4 susidarymas. 

30

A3B5 junginių, aliuminio ir kitų metalų ėsdinimui naudojamos chloro 

turinčios dujos. Chloro radikalams gauti naudojamas anglies tetrachloridas CCl4, freonai 

(CF3Cl, CF2Cl2) arba molekulinis chloras. Pateiksime chloro radikalų arba jonų gavimo 

pavyzdį disocijuojant CF3Cl molekulei 

CF3Cl + e → CF3 + Cl + e (2.9) 

CF3Cl + e → CF3 + Cl - (2.10) 

PCh ėsdinimo greitis priklauso ne tik nuo radikalų koncentracijos 

plazmoje, bet ir nuo jų gyvavimo trukmės τ. Mažą τ turintis radikalai gali relaksuoti 

anksčiau, nei sudarys ryšį su gardelės atomais. Radikalų gyvavimo trukmė kinta labai 

plačiame diapazone, pvz. prie p≥133Pa fluoro radikalai gyvuoja sekundes, o Cl 

radikalo τ≈1ms, CF3 + gyvuos dar mažiau, jų τ≈ 10µs /2/. 

Iš pateikto pavyzdžio aišku, kad daug fluoro turinti plazma bus aktyvus 

ėsdiklis, o, tuo tarpu, dominuojant plazmoje chlorui ėsdinimo greitis kris didėjant 

slėgiui. 

2.Ėsdinimo kinetika ir termodinamika 

Termodinaminis procesas vyksta savaime, jei sistema pereina į didesnės 

termodinaminės tikimybės būseną. Tuomet entropija padidėja tapdama didžiausia, 

sistemai pasiekus pusiausvyros būseną, o jos Gibso (Gibbs) energija mažėja ir 

pusiausvyros būsenoje tampa minimali. 

Plazmocheminiai procesai dažniausi vyksta esant pastoviam slėgiui, 

tuomet Gibso energijos pokytis 

Kai temperatūra žema 

∆G = ∆H - T∆S (2.11) 

∆G ≈ ∆H, (2.12) 

t.y. proceso savaiminio vyksmo kriterijumi yra jos entalpijos pokytis. ∆G ir ∆H vertės, 

junginių virimo ir lydymosi temperatūros randamos chemijos žinynuose /6,7/. 

Reikia pastebėti, kad sąlyga ∆G (ar ∆H )< 0 reiškia tik nagrinėjamos 

reakcijos vyksmo galimybę. Reakcijos greitį lemia reagento prigimtis, jo koncentracija, 

temperatūra, kietųjų reagentų kristalinės gardelės būsena – visa tai nagrinėja cheminė 

kinetika. 

Klasikinėse cheminėse reakcijose molekulės sąveikauja kaip tamprūs 

rutuliai, kurių vidinė energija nekinta, dujų sistema aprašoma viena temperatūra. 

31

Formaliosios kinetikos lygtis gaunama iš veikiančių masių dėsnio. 

Homogeninėms terpėms ji užrašoma taip: 

dNi /dt = -kN a A N b B ; (2.13) 

čia NA ir NB - reakcijoje dalyvaujančių komponentų tūrinės 

koncentracijos, a ir b - reakcijos stechiometriniai koeficientai, tačiau kai 

reakcija vyksta keliomis stadijomis, lėčiausia iš jų lemia reakcijos greitį ir tuomet 

stechiometriniai koeficientai laipsnio rodiklių vienareikšmiškai nenusako. Taikant 

veikiančių masių dėsnį heterogeninėms reakcijoms, į reakcijos greičio išraišką įrašomos 

tik dujinių ar ištirpusių medžiagų paviršinės koncentracijos. Kietųjų medžiagų 

koncentracija laikoma pastovia. Ji įeina į reakcijos greičio konstantą k, kuri nusakoma 

Arenijaus (Arrhenius) lygtimi 

k = A exp -(Ea/kT); (2.14) 

čia A - konstanta; T - temperatūra; Ea - reakcijos aktyvacijos energija, priklausanti nuo 

reakcijos tipo ir jos vyksmo mechanizmo. 

Aktyvacijos energija Ea suvartojama pirminiams ryšiams silpninti. Be jos negali 

prasidėti jokia reakcija, išskyrus paprasčiausias palaidų atomų jungimosi reakcijas. 

Taigi aktyvacijos energija yra tas energijos barjeras, kurį turi įveikti 

susiduriančios molekulės prieš persitvarkant cheminiams ryšiams. Aktyviųjų kompleksų 

teorija galima paaiškinti daugelio reakcijų mechanizmus. Išimtį sudaro fotocheminiai 

procesai. Joninis bombardavimas nutraukdamas visus ar dalį ryšių gali pakeisti 

aktyvacijos energiją, o tuo pačiu ir heterogeninės reakcijos greitį. 

PCh ėsdinimas yra daugiaetapis, o esant daug komponentei plazmai, - ir daugiašakis 

procesas. Apibendrintai procesus, vykstančius kietojo kūno paviršiuje, galima 

suskirstyti: 1) aktyvių atomų (F, Cl, O) adsorbciją arba chemosorbciją; 2) sudėtingų 

radikalų (CFx, CClx) nedisociatyvią adsorbciją; 3) radikalų disociaciją paviršiuje dėl 

energingų dalelių poveikio; 4) aktyvių atomų reakciją su gardelės atomais; 5) 

nedisocijavusių radikalų polimerizacijos reakcija; 6) reakcijų produktų pašalinimą. 

Kiekvienas iš penkių pirmųjų procesų įtakoja į heterogeninės reakcijos eigą. Savo 

ruoštu kiekvienam iš išvardintų etapų įtakoja paviršiaus būklė ir energingų dalelių 

srautai, veikiantys paviršių. 

32

3. Joninės apšvitos įtaka ėsdinimui 

Apšaudant kietąjį kūną pakankamų energijų jonais šie įterpiami į taikinio 

paviršių. Inertinių dujų jonus sugaudo taikinio struktūriniai defektai, arba jie susirenka 

taikinyje į dujų burbuliukus.Dėl mažos inertinių dujų tirpumo entalpijos ir didelės 

ryšio su defektais energijos, kietieji įterpimo tirpalai inertinėms dujoms nebūdingi. Kitų 

elementų jonai su taikinio medžiagos atomais gali sudaryti junginius. Įterptųjų dalelių 

pusiausvyrą koncentraciją gauname iš balanso: krintančių jonų srautas minus paviršiaus 

atspindėti jonai ir implantuotų jonų difuzija į tūrį ir paviršių. Implantuotų jonų ir 

taikinio atomų paviršinė difuzija ir segregacija sąlygoja molekulių, turinčių nevienodas 

ryšio energijas su paviršium, susidarymą. Jei procesas vyks chemiškai aktyvių dujų 

aplinkoje, toks pakitęs sluoksnis susidarys, net apšaudant taikinį inertinių dujų jonais, 

nes vyksta atatrankos atomų implantacija ir adsorbuotų ant paviršiaus atomų difuzija. 

Tik reikia, kad aktyvių atomų skaičius, ateinantis iš aplinkos į paviršių būtų tos pat 

eilės kaip nudulkinamų atomų skaičius per implantacijos gylį. Pakitusio sluoksnio 

susidarymas gali esminiai keisti medžiagos dulkėjimą. Fiziniu medžiagos dulkėjimu 

suprantame taikinio dalelių emisiją apšaudant jį energingomis dalelėmis, dažniausia 

jonais. Taikinio dalelė paliks paviršių jei krintantis jonas perduos jai energiją Ea ≥Er 

,kur Er – ryšio energija(atomų taikinyje arba adsorbuotos dalelės su taikinio paviršiaus 

atomais) ir impulsą nukreiptą paviršiaus normalės kryptimi. Implantavus į taikinį 

svetimus atomus pakis ryšio energiją, o tai įtakos dulkinimo išeigai. Bet kol procesą 

lems susidūrimų kaskadas arba terminis pikas jį vadiname chemiškai stimuliuotu 

fizikiniu dulkėjimu. 

Reaguojant taikinio dalelėms su bombarduojančiais jonais gali susidaryti 

molekulės su maža ryšio energija, kurios desorbuos esant taikinio temperatūrai. Šį 

procesą vadinsime cheminiu dulkėjimu. 

Abiem aptartais atvejais su taikiniu sąveikauja tik jonai. Tai realizuojama 

vykdant RJPE arba JPE procesus. Tarp fizinio ir cheminio dulkinimų griežtos ribos 

nėra, nes dėl mažų ryšio energijų sunku tiksliai nustatyti dėl ko atomas paliko paviršių: 

ar dėl pirminės dalelės perduoto impulso ir energijos, ar dėl cheminių reakcijų metu 

padidėjusios paviršiaus temperatūros. Pav. 2.1 parodytos orientacinės paviršiaus 

temperatūros ir jonų energijos, sąlygojančios įvairius anglies taikinio paviršiaus 

erozijos procesus veikiant jį vandenilio jonais. Parodytos sričių ribos apytikrės ir 

priklauso nuo paviršinių atomų ar molekulių ryšio energijos /8/. Šios dalelės paliks 

33

2.1 pav. Fizinio, cheminio dulkinimo bei garavimo reiskinių priklausomybė nuo taikinio 

paviršiaus temperatūros ir šiluminės energijos. 

paviršių jei tik gaus papildomos energijos Ea≥Er ir nesvarbu kas ją suteiksbombarduojantis 

jonas ar įkaitusi gardelė. Atomų išgaravimui ar molekulių desorbcijai 

reikia, kad gardelės šiluminė energija sudarytų bent 1/20 ryšio energijos t.y., kad 

gardelės temperatūra siektu ~ 500K, tuo tarpu medžiagos dulkėjimui reikalinga energija 

apytikriai 4 kartus viršija Er. Kadangi angliavandenilio molekulių ryšio su paviršiumi 

energija Er mažesnė nei anglies atomų ryšio energijų gardelėje, tai apšvyta H + jonais 

sumažina slenkstinę dulkėjimo energiją –gaunamas chemiškai stimuliuotas fizikinis 

dulkėjimas, o labiau įkaitus taikiniui ir cheminis dulkėjimas. 

PCh ir RJE procesuose plazmos generavimo kamera neatskirta nuo 

ėsdinimo kameros taigi paviršių pasiekiančių neutralių dalelių srautas gali 10 3 -10 4 karto 

viršyti jonų srautą. Tuomet pagrindinės cheminės reakcijos vyks tarp paviršiuje 

adsorbuotų neutralių atomų ir taikinio atomų.To pasėkoje gali susidaryti lengvai 

desorbuojančios molekulės-turėsime plazmocheminį ėsdinimą, o jei ėsdinimo eigoje 

paviršių dar bombarduoja jonai-gauname reaktyvų joninį ėsdinimą, kuris dar vadinamas 

jonais aktyvuotu cheminiu ėsdinimu. Ką suprantame jonine aktyvacija? 

34

Netamprių smūgių metu keičiasi atomo vidinė būsena ir elektronai gali pereiti į 

aukštesnius energijos lygius ar net palikti atomą.Visus kietojo kūno atomus, kurie dėl 

sąveikos su įgreitintais jonais tapo jonizuotais, sužadintais, ar kitaip turi perteklinės 

energijos vadiname aktyvuotais. Pavyzdžiui kovalentiniuose kristaluose atomai taps 

aktyvuoti, nutraukus kovalentinę jungtį, joniniuose- A + B - tipo junginiuose aktyvuotais 

vadinsime į neutralų A 0 B 0 būvį pervestus atomus, metaluose, kur elektronų relaksacija 

labai greita(~10 -19 s ), aktyvuoti atomai svyruos apie pusiausvyros padėtis didesne 

amplitude. Joniniu bombardavimu aktyvuodami paviršių keičiame adsorbcijos ir 

chemosorbcijos kinetika taigi ir heterogeninių reakcijų kinetika. Aktyvacija jonais 

duoda sinergetinį efektą, kai vienalaikis PCh ir joninis ėsdinimai duoda žymiai didesnį 

ėsdinimo greitį nei atskirai vykdomų procesų suminio ėsdinimo greitis. 2.2 pav. 

parodytas Si ėsdinimas XeF2 dujomis. Pradžioje Si veikia tik ksenono fluoridas, kurio 

molekulė paviršiuje skyla į ksenoną ir molekulinį fluorą. Kol nėra bombardavimo F2 yra 

beveik inertiškas silicio atžvilgiu.Pradėjus paviršių bombarduoti Ar + jonais ėsdinimo 

greitis staiga išauga, tačiau nutraukus XeF2 srautą jis vėl krenta, nes toliau vyksta tik 

fizinis bombardavimas argono jonais, pasižymintis mažu ėsdinimo greičiu. 

Be taikinio atomų aktyvacijos, krintantis į paviršių, ypač mažų energijų 

jonai, stimuliuoja reakcijos produktų, net tarpinių (pvz. SiF2) desorbciją, adsorbuotų 

dalelių migracija taikinio paviršiuje, o tai savo ruožtu didina heterogeninių reakcijų 

greitį. 

Visos išvardintos priežastis sąlygoja didelius ėsdinimo greičiai RJE metu. 

Jie yra žymiai didesni nei fizikinio ar cheminio dulkinimo atvejais. Tačiau RJE turi ši 

2.2 pav. Silicio ėsdinimo greičio priklausomybė nuo ėsdinimo trukmės, vyraujant jonų 

pagreitintoms reakcijoms 

35

privalumą tol , kol paviršiuje nesusidaro inhibitorinis sluoksnis.Didelis radikalų srautas 

į paviršių sudaro itin palankias sąlygas inhibitorių augimui. 

4.Inhibitorių susidarymas 

Reakciją lėtinančios medžiagos vadinamos inhibitoriais. PCh ar RJE procesų 

metu inhibitoriai ima kauptis taikinio paviršiuje stabdydami ėsdinimą. Nustatyta, kad 

fluorokarboninėje (CF4, C3F8, C2F6) plazmoje inhibitoriai pradeda formuotis jei F/C 

santykis išeities molekulėje mažesnis už 4. Pridedant F atomus surišančių priedų 

polimerizaciją galima iššaukti ir kai F/C=4. Pavyzdžiui, silicio ėsdinimo greitis CF4/H2 

mišinio plazmoje dėl didėjančio fluoro deficito bei CF2 radikalų dominavimo mažėja, 

didinant vandenilio koncentraciją. Kai vandenilio yra nuo 20 % iki 65 % silicio 

ėsdinimas nevyksta, ir tik toliau didinant vandenilio koncentraciją, dėl galimų SiH4 

junginių susidarymo, ėsdinimo greitis pradeda nežymiai didėti. Kitomis medžiagomis 

(SiO2, Si3N4), tokio didelio koncentracijos intervalo nėra, todėl esant 60-80 % 

vandenilio gaunamas didelis(iki 10:1) ėsdinimo Si/SiO2 selektyvumas. 

Veikiant paviršius halokarbonine plazma, be lakias molekules formuojančių fluoro 

atomų, ant paviršiaus nusėda ir CFx tipo radikalai. Dėl polimerizacijos reakcijų 

paviršiuje stebimas stipriai fluoruotas anglies sluoksnis. Junginiai, sudarantys šį 

sluoksnį vadinami politetrafluoretilenui būdingais junginiais. Politetrafluoretileną 

sudaro (CF2)n polimeras, tačiau dėl įvairių radikalų, (CF3, CF2, CH, CHF, CHF2) 

egzistavimo plazmoje gryno politetrafluoretileno negauname.Priimta ant paviršiaus 

susidarantį (CFx)n polimerą vadinti politetrafluoretileno tipo junginiu (2.3 pav.). C/F 

santykis tokiame sluoksnyje priklauso nuo C/F santykio halogeninėje molekulėje, 

išlydžio galios, slėgio ir jonų energijos, temperatūros, dujų srauto.Pavyzdžiui nustatyta, 

kad CF4 plazmoje, kol išlydžio galia P≤800W, dominuoja CF3 ir F radikalai ir CF3 + 

jonai, t.y. sąlygos, kurioms esant polimerizacijos nebus.Tačiau didinant išlydžio galia 

(P>800W) didėja elektronų energija ir plazmoje gausėja CFx radikalų kuriems x

2.3 pav. Tetrafluoretileninio tipo junginio fragmentas 

atominiais C-C (Ed=605kJ/mol) ryšiais pasižymintys junginiai, vadinasi paviršiuje augs 

anglies sluoksnis, bet nebus polimero. Vykdant profilinį ėsdinimą, kanalo dugne C-F 

ryšių koncentracija bus netolygi ir priklausys nuo formuojamo kanalo pločio bei gylio 

santykio (ėsdinimo gebos). Taip atsitinka dėl jonų atspindžio nuo nuožulnaus kanalo 

šlaito, be to, didėjant kanalo gyliui, ant jo sienelių formuojasi polimerinis sluoksnis, 

kuris proceso metu gali įsielektrinti, jonų srautas bus iškraipomas, ir joninės srovės 

tankis ėsdinamo kanalo dugne tampa netolygiu /11/. 

Norint pašalinti karboninius junginius naudojami halokarboninės plazmos 

mišiniai su deguonimi. Silicio ėsdinimo greitis CF4/O2 plazmoje priklauso nuo 

deguonies koncentracijos. Dėl deguonies reakcijų su anglimi paviršiuje formuojasi 

lakūs CO,CO2 junginiai ir ėsdinimas vyksta visomis kryptimis. Tačiau, jei deguonies 

koncentracija yra didesnė nei 30 %, pradeda konkuruoti oksidacijos ir ėsdinimo 

reakcijos. Jei deguonies yra pakankamai paviršiuje susiformuoja oksidas ir ėsdinimo 

greitis nebepriklauso nuo deguonies koncentracijos plazmoje. Ėsdinant silicį tokioje 

plazmoje paviršiniame sluoksnyje dažniausiai dominuoja SiFxOy tipo junginiai. Toks 

junginys bus inhibitorius fluoro ir chloro radikalams. 

Paviršiaus oksidavimas ir fluoravimas halogeno - deguonies plazmose stebimas 

ėsdinant ir kitas medžiagas. Pavyzdžiui, veikiant titano nitridą CF4/O2 plazma, 

37

paviršiuje dominuoja TiF3, TiO2 ir TiN ryšiai. Nepaisant to, kad deguonies yra tik 10 % 

nelakaus titano oksido paviršiuje didėja ilgėjant proceso trukmei. 

Ėsdinant silicį Cl2 ar kitoje chloro turinčioje plazmoje polimerinė plėvelė 

nesusidaro. Ėsdinimas vyksta dėl paviršiuje susidarančio silicio tetrachlorido, kurio 

virimo temperatūra yra 57,65 o C. Nustatyta, kad chloro atomų adsorbcijos tikimybė 

didėja, augant padėklo temperatūrai be to didėjant temperatūrai, išauga ir SiCl4 

desorbcija, nulemianti ėsdinimo spartą. Todėl silicio ėsdinimas yra galimas ir 

neutraliose Cl2 dujose, jei adsorbcijos metu vyks disociatyvinė Cl2 molekulės sąveika 

su paviršiumi. Jei paviršaus temperatūra pakankama, ėsdinimas gali vykti ir SiCl2 ar 

SiCl3 fragmentų dėka. Tačiau, kad desorbuotų susiformavusi ant paviršiaus lokali SiCl2 

struktūra ji turi gauti 2,7 eV energiją, o SiCl3 desorbcijai užtenka 1,2 eV energijos. 

Tokių fragmentų pašalinimas įmanomas, jei padėklo temperatūra yra 800 o K ir 500K 

atatinkamai Esant žemoms padėklo temperatūroms, šių junginių desorbcija yra 

apsunkinta, todėl jie gali būti pasyvacine plėvele tolimesniam ėsdinimui. Joninis 

bombardavimas galėtų suteikti šiems fragmentams pakankamai energijos jų desorbcijai. 

Nustatyta, kad net nedideles deguonies koncentracijos Cl2 plazmoje sumažina Si 

ėsdinimo greitį, o ant paviršiaus formuojasi SiOxCly sluoksnis. Šio sluoksnio storis 

priklauso nuo deguonies kiekio. Esant 25% deguonies, ėsdinimas sustoja, nes jo yra 

pakankamai, kad išstumti chlorą iš Si-Cl ryšio. 

AIIIBV junginius galima ėsdinti tik chloro plazma, nes trečios grupės elementai 

su fluoru sudaro nelakias,tik aukštoje temperatūroje sublimuojančias, druskas (GAF3, 

AlF3 ir t.t). 

Joninė apšvita inhibitorių gali ne tik nušalinti, bet ir modifikuoti. Modifikacijos 

pasėkoje inhibitorinis sluoksnis gali sutankėti, pasikeisti tarp atominis ryšių tipas ir jo 

pašalinimas JB tampa apsunkintas. Todėl būtina ištirti sąlygas, kurioms esant vyksta 

polimerinio sluoksnio erozija, o kada augimas ar modifikacija. 

38

5. Mikrostruktūrų formavimas 

5.1 Ėsdinimo selektyvumas 

Selektyvumu suprantame kaukės ir plėvelės (ar sluoksnio), kurioje 

formuojama struktūra ėsdinimo greičių santykį. Pageidautina, kad kaukės ir medžiagos 

ant kurios yra plėvelė (pasluoksnio) ėsdinimo greitis būtų mažas, o ėsdinamos plėvelės 

– didelis.Dažniausiai kaukei naudojamos organines kilmės medžiagos –rezistai. 

Begalinį Si ėsdinimo selektyvumą rezisto ir pasluoksnio atžvilgiu galima pasiekti 

naudojant šlapią cheminį ėsdinimą, tačiau piešinys iškraipomas dėl rezisto adhezijos 

prie plėvelės. Plazminis apdirbimas nejautrus kaukės adhezijai, tačiau rezisto erozijos 

greitis gali viršyti Si ir SiO2 ėsdinimo greitį, nes vienas krintantis jonas gali išmušti iki 

100 CFx tipo radikalų. Jei dėl joninio poveikio netenkame apie 20% kaukės storio, 

pradės formuotis izotropinis profilis, nors ėsdinimo procesas ir anizotropinio pobūdžio. 

Kaukės atsparumas erozijai priklauso nuo ją sudarančio polimero struktūros. Pvz., polibuten-sulfono 

erozija 10 kartų didesnė DXH rezisto. 

Veikiant rezistą CF4-xClx , fluoro ar deguonies plazma, vandenilio atomai 

ištraukiami iš rezisto 

CHx + F2 → CF4 + HF (2.15) 

CHx + O2 → CO2 + H2O (2.16) 

Daugiau anglies atomų turinčio rezisto erozija yra sunkesnė, aromatiniai polimerai yra 

stabilesni ir JB ir ultravioletiniam (UV) (200 – 300 nm) spinduliavimui – jie stabilizuoja 

rezistą ,išspinduliuodami perteklinę energiją fluorescencijos metu (C8H8O – santykinė 

erozija 1, C4H8SO2 – 8,2; C5H6O2–4,2) Jei temperatūra viršys kritinę Tkr.prasidės 

polimerų degradacija kuri veda prie monomerų susidarymo. Pvz., C4H8SO2 virs į 

monomerų mišinį prie Tkr>60 0 C, taigi, esant intensyviam JB, padėklą būtina šaldyti. 

Esdikliu naudojant linkusias polimerizuotis dujas (C3F8, CF4 + H2) galima padidinti 

rezisto atsparumą erozijai, arba, pavyzdžiui, vykdant JPE argonu nedidelis CH4 priedas, 

leidžia naudoti rezitą kaip kaukę, nes CH4 lengvai ant jo polimerizuojasi. 

Negatyviniai UV ir elektroniniai rezistai termostabilūs iki 150 0 C ir 

atsparūs plazminiam poveikiui. 

39

Neorganiniai rezistai ir metalinės kaukės patiria žymiai mažesnę eroziją, 

todėl gerai tinka naudojant JPE arba RJRE, tačiau gaminant tokias kaukes yra 

technologinių problemų. 

5.2 Anizotropinis ėsdinimas 

Anizotropiškumas (kryptingumas) nusakomas kaip ėsdinimo gylio h ir paėsdinimo 

po kauke l santykis 

A=h/l (2.17) 

Anizotropiškumą galime nusakyti ir per ėsdinimo greičius 

A= Vg/Vš (2.18), 

kur Vg irVš ėsdinimo greičiai į gylį ir šoną atitinkamai 

Plazmocheminiai ir reaktyvūs joniniai procesai, vykstantys medžiagos paviršiuje bei 

dujinėje aplinkoje, sąlygoja formuojamų struktūrų profilius. Ėsdinimo 

anizotropiškumą galima padidinti: 

1. naudojant jonais stimuliuota cheminį ėsdinimą; 

2. vykdant šoninių struktūros paviršių pasyvaciją nelakiais reakcijų produktais. 

Anizotropinis silicio ėsdinimas fluoro atomais praturtintoje plazmoje dėl spontaninės 

ėsdinimo prigimties yra sudėtingas. Dėl fluoro aktyvumo bei cheminės reakcijos su 

silicio atomu, fluoras atlaisvina kaimyninį Si-Si ryšį, todėl sekantis fluoro atomas 

prisijungs žymiai sparčiau, o pati fluoravimo reakcija vyksta visomis kryptimis. 

Ėsdinant CF4 aplinkoje, esant žemam (keletas Pa ir daugiau) dujų slėgiui, 

nepriklausomai nuo išlydžio galios bei jonų energijos, vyksta izotropinis procesas su 

žymiu paėsdinimu. 

Jei plazmoje ir ant paviršiaus yra CFx radikalų, kurie turi pakankamą dipolinį 

momentą ir gali ilgą laiką gyvuoti Si paviršiuje, laisvas silicio ryšys gali susijungti su 

šiais fragmentais. Norint anizotropiškai ėsdinti silicį CF4 plazmoje, reikia didinti 

krintančių jonų energiją, srauto tankį bei mažinti CFx radikalų gyvavimo trukmę, 

mažinant slėgį kameroje. 

Aktyvių radikalų koncentracija ant paviršiaus sumažėja, sumažinus slėgį 

kameroje (p ≤ 10 -1 Pa), tuomet sumažėja cheminė ėsdinimo dedamoji, sąlygojanti 

ėsdinimo izotropiškumą. Išaugus joninei ėsdinimo dedamajai, galima tikėtis 

anizotropinio struktūros profilio. Anizotropijos koeficientas tampa tiesiog proporcingas 

40

jonų energijai. Įvedus į CF4 vandenilio priemaišų, sukuriamas fluoro deficitas, kuris 

didėja, didinant vandenilio koncentraciją. To pasėkoje išauga CFx radikalų, kurie yra 

aktyvus polimerizacijos centrai, koncentracija. Nusėdę radikalai gali jungtis tarpusavyje 

ir formuoti stabilų inhibitorinį sluoksnį, atsparų tiek cheminiam ėsdinimui halogenais, 

tiek joniniam bombardavimui. 

Vykdant jonais aktyvuotą profilinį ėsdinimą, anizotropiškumą lemia ne tik 

pasyvacijos - polimerizacijos procesas ant kanalo sienelių, bet ir dėl jonų 

bombardavimo metu sukurtų radiacinių defektų kryptingas pasiskirstymas. Suaktyvintas 

paviršiaus atomas greičiau reaguoja su radikalu, o tai lemia ėsdinimo kryptingumą. 

Anizotropiškumas didėja, didinant jonų masę bei energiją. Ėsdinimo anizotropiškumui 

didelę įtaką turi ir halogeno dydžio efektas. Schematinis tokios priklausomybės vaizdas 

parodytas 2.4 pav. 

2.4 pav. Ėsdinimo greičio priklausomybė nuo halogeno dydžio [12]. 

Įvedus į fluoro turinčią plazmą chloro ar bromo atomų, anizotropinis ėsdinimas 

sustiprėja dėl trijų faktorių: dėl dulkėjimo spartos ėsdinimo kryptingumo, dėl 

padidėjusios defektų koncentracijos bei sienelių pasyvacijos CFx ir CClx, CBrx 

fragmentais. Jei ėsdinimą atliekame chloro plazmoje, čia esantys sunkūs Cl jonai 

bombarduodami paviršių efektingai numuša CFx radikalus ir sukuria daugiau defektų, 

41

dėl ko išauga radiacijos skatinama fluoro ir chloro difuzija. Lakūs junginiai arba jų 

fragmentai gali formuotis jau gilesniuose sluoksniuose, o juos atidengus reikės mažiau 

energijos desorbcijai. Radiacinių defektų pasiskirstymas jonų kritimo kryptimi didins 

ėsdinimo anizotropiškumą. Sienelių pasyvaciją lems pagrindinės molekulės disociacijos 

produktai. CF4-xClx molekulė disociacijos metu išlaisvins chloro atomus, kadangi C-Cl 

atomizacijos energija yra 397 kJ/mol, o C-F - 545kJ/mol. Todėl pasyvacinę plėvelę 

formuos CFx radikalai, Cl2 molekulės ir SiClx(x

Aparatūra ir darbo metodas 

2.5 pav. Diodine AD vakuumine sistema. 

Reaktyvinis joninis ėsdinimas CF2Cl2 atliekamas asimetriniame diodiniame 13,6 

MHz dažnio reaktoriuje/ Tokio tipo sistemos trūkumas - mažas našumas, susijęs su 

nedideliu elektronų šoniniu efektu,bei nelakių dalelių sėdimas ant apdirbamo paviršiaus. 

Viršutiniu katodu šioje sistemoje tarnauja kameros gaubtas. Darbinių dujų sumaišymas 

vykdomas atskirame maišiklyje, ir į kamerą paduodamas pilnas mišinys. Dujų 

padavimas kontroliuojamas trimis mažų srautų reguliatoriais. Pavyzdėliai talpinami ant 

apatinio 10 cm diametro elektrodo, prie kurio privesta aukšto dažnio 13,6MHz įtampa. 

Generatoriaus galia kinta nuo 0 iki 300 W. Slėgis kameroje gali būti pasiekiamas iki 

0,1-26,6Pa, Jonų energija kinta nuo 100-600eV. 

Bendra įrenginio schema parodyta 2.5 pav. 

Skenuojančios elektroninės mikroskopijos (SEM) pagalba galime įvertinti 

ėsdinimo anizotropiškumą, selektyvumą “kaukės” atžvilgiu, išėsdintos mikro struktūros 

profilius, kanalo gylius, paviršiaus topografiją. SEM veikimo principas pagrįstas 

elektronų pluošte1io sąveika su bandiniu. Svarbiausia SEM komponentas - elektroninėoptine 

kolona, kurią sudaro elektronine patranka, formuojanti elektroninį spindulį ir 

elektromagnetinių Iinzių, valdančių suformuotą spindulį, sistema. SEM taip pat 

naudojamas elektronų greitintuvas, kurio potencialų skirtumas galį kisti nuo 1 kV iki 50 

kV. Priklausomai nuo greitinančio potencialo skirtumo, elektronų sąveika su medžiaga 

gali būti skirtinga. Kol greitinantis potencialų skirtumas nedidelis, elektronai gali 

43

atsispindėti nuo paviršiaus sąveikaudami su paviršiuje esančiais atomais. Šios sąveikos 

metu nevyksta energijos mainai tarp elektronų ir atomų. Esant didesniems greitinančio 

potencialo skirtumams, elektronai įgyja didesnę kinetinę energijų ir gali jonizuoti 

medžiagos atomus. Tada nuo paviršiaus detektorių patenka ne tik atsispindėję, bet ir 

antriniai elektronai. Šiuo atveju bandinio paviršiaus geometrinis vaizdas gaunamas 

geresnis. 

Paviršiaus topografijos tyrimai bus atliekami Kauno technologijos universitete, 

Fizikinės elektronikos institute JEOL JMS25S modelio skenuojančiu mikroskopu. 

Maksimalus didinimas 100000 kartų, greitinanti įtampa 30kV, mikroskopo didžiausia 

skiriamoji geba 7 nm. Elektronus spinduliuoja standartinis volframo katodas, o vaizdą 

stebime antrinių elektronų pagalba. Paviršiaus topografijos nuotraukos buvo sudaromos 

naudojant įvairius didinimus. 

Darbo eiga 

I) Sistemos paruošimas darbui: 

1) Įjungti sistemos maitinimą: trys kirtikliai įrenginio įtampos skyde. 

2) Paduoti į sistemą vandenį: atsukti tris pagrindinius vandens čiaupus 

laboratorijoje. 

II) Paruošti vakuuminį įrenginį darbui. Pagrindiniai jungikliai parodyti 2.4 pav. 

1) Įjungti 

vakuuminio 

įrenginio 

maitinimą (2.6 

pav. 1). 

2) Įjungti 

mechaninįrotacinį 

siurblį 

(2.6 pav. 2). 

3) Patikrinus 

ar uždaryta 

siurbimo iš 

2.6 pav. 

vakuuminės 

kameros 

vakuuminė 

sklendė (2.7 pav. 1), atidaryti sklendę siurbimui iš difuzinio siurblio (2.7 pav. 2). 

44

2.8 pav. 

2.7 pav. 

6•10 -2 mmHg, arba, jei skalė graduota mA,- iki 25 mA.) 

45 

III) Paruošiame bandinius ir įrenginį 

technologiniam procesui. 

1) Atsukame oro įleidimo į vakuuminę 

kamerą sraigtą “Įleidimas” (2.7 pav. 3). 

2) Pakeliame vakuuminės kameros gaubtą: 

spaudžiame mygtuką “↑” (2.8 pav. 1) 

Pastaba: Gaubtą kelti ne daugiau kaip 

50 cm. 

3) Ant padėklo (2.7 pav. 4) dedame 

bandinius. Dalį bandinio uždengiame kita 

silicio plokštele, kad galėtume stebėti ribą 

tarp paveikto ir neveikto paviršiaus. 

Pastaba: Vieno proceso metu atliksime 

ir silicio, ir silicio oksido, ir 

mikrostruktūros su fotorezistyvine 

“kauke” ėsdinimus. 

4) Nuleidžiame vakuuminį gaubtą: 

spaudžiame mygtuką “↓” (2.8 pav. 2). 

Pastaba: Prieš nuleidžiant gaubtą, patikrinti ar 

niekas nekliudo gaubto nuleidimui bei 

sandarumui. Likus 5 cm., nuleidimą sustabdome 

ir dar kartą patikriname ar kameros gaubtas 

neprispaus guminių žarnų ar elektros laidų. 

5) Užsukame sraigtą “Įleidimas”(2.7 pav. 3), 

uždarome siurbimo iš difuzinio siurblio sklendę 

(2.7 pav. 1), - atidarome siurbimo iš kameros 

vakuuminę sklendę (2.7 pav. 2). 

6) Atsiurbiame vakuuminę kamerą iki 8 Pa ( 

termoporinio – jonizacinio vakuumetro skalėje (I 

Priedo 2 pav.) iki 

Pastaba : Jungikliu, pažymėtu “Daviklis” (2.6 pav. 3), galime keisti daviklius, 

kuriais matuojame slėgį kameroje ir difuziniame siurblyje.

7) Atsargiai atsukame dujų baliono sklendę (I Priedo 3 pav. 1), stebėdami pirmojo 

manometro parodymus (I Priedo 3 pav. 2). 

8) Atsargiai prisukame reduktoriaus sraigtą (I priedas 3 pav. 3), kad antrojo manometro 

(I priedas 3pav. 4) rodyklės parodymai neviršytų1,5 atm. 

Pastaba: Jei reduktorius turi srauto reguliavimo rankenėlę (I priedas 3 pav. 5), ją 

atsukame, kad dujų srautas patektų į gumines žarnas. Jei žarna pradeda pūstis, 

staigiai atsukame dujų srauto padavimo į vakuuminę kamerą rankenėlę (I priedas 

4 pav. 1), kad dujos patektų į kamerą.. 

2.10 pav. 

2.9 pav. 

46 

9) Įsitikinę, kad iš 

baliono paduodamas 

dujų srautas pateko į 

žarnas, atsargiai 

sukdami srauto 

matuoklio rankenėlę (I 

priedas 4 pav. 1), 

nustatome dujų srautą 5 

cm 3 /s 

IV) Plazminio proceso 

paleidimas ir valdymas. 

1) Įjungiame AD generatoriaus (2.10 pav.) 

maitinimą aukštos įtampos skyde (2.9 pav. 1). 

2) Palaukę kelias minutes, kol įkais 

generatoriaus kaitinimo lempa, įjungiame 

aukšto dažnio generavimo lempą (2.10 pav. 

1). 

3) Aukštos įtampos skydę įjungiame jungiklį 

“ A.įtampa” (2.9 pav. 2) 

4) Sukdami generatoriaus 2 ir 3 (2.10 pav.) 

rankenėles, nusistatome 200V įtampą, kurią 

matuojame skaitmeniniu voltmetru. 

5) Užfiksuojame laiką, o procesą atliekame 5 

min. 

V) Proceso pabaiga

1) Praėjus 5 min. išjungiame jungiklį“A.įtampa” (2.7 pav. 2). 

3) Palaukę keletą sekundžių, užsukame dujų srauto matuoklio rankenėlę (I priedas 2.6 

pav. 1), bei keletą minučių palaukiame, kol kamera atsiurbiama. 

4) Uždarome siurbimo iš kameros vakuuminę sklendę (2.5 pav. 1) ir atidarome siurbimo 

iš difuzinio siurblio (2.5 pav. 2) sklendę. 

5) Įleidžiame į kamerą orą (atsukame sraigtą “Įleidimas” (2.5 pav. 1)). 

Po šių operacijų pakeičiame bandinius, atsiurbiame kamerą, paduodame į 

plazmos kamerą tą patį dujų srautą, tą patį priešitampį ir procesą pakartojame, 

prailgindami poveikio trukmę iki 10 ir 20 min. 

Eksperimentą vėl pakartojame esant jonų energijai 400V. 

VI) Darbo pabaiga. 

1) Interferenciniu mikroskopu išmatuojame išėsdinto laiptelio silicyje ir silicio okside 

aukštį bei suskaičiuojame ėsdinimo greičius. 

2) Užsukame dujų balioną bei visas dujų padavimo sklendes reduktoriuje ir įrenginyje. 

3) Išjungiame generatoriaus AD generavimo lempą (2.8 pav. 1) ir maitinimą (2.7 pav. 1) 

4) Atsiurbiame vakuuminę kamerą, uždarome abi vakuumines sklendes. Išjungiame 

rotacinį siurblį (2.4 pav. 2). Tuo pačiu momentu, kai išjungiamas rotacinis siurblys, 

paspausti mygtuką “Oras” (2 pav. 4), kad oras patektų į siurblį. 

5) Išjungiame įrenginio maitinimą (2.4 pav. 1) 

6) Užsukame tris pagrindinius vandens čiaupus, išjungiame vakuuminio įrenginio 

maitinimo įvadą. 

Rezultatų analizė: 

1) Interferenciniu mikroskopu išmatuoti išėsdinto laiptelio gyli, suskaičiuoti Si ir SiO2 

ėsdinimo greičius, bei nubrėžti jų priklausomybes nuo proceso trukmės, jonų 

energijos. Palyginti šiuos rezultatus su joninio spindulinio ėsdinimo metu pasiektais 

greičiais. 

2) Skenuojančiu mikroskopu išmatuoti mikrostruktūros gylį, įvertinti ėsdinimo 

anizotropiškumą ir selektyvumą kaukės atžvilgiu. 

47


Plazminis oksidinimas 

Darbo tikslas 

Susipažinti su oksidacijos plazmoje procesu. Paveikti mono kristalinį silicį 

deguonies plazma. Ištirti oksido sluoksnio storio bei kompleksinio lūžio rodiklio 

priklausomybę nuo proceso trukmės bei jonų energijos. Susipažinti su matavimais 

elipsometru. 


Oksidinimas tai fizikinis – cheminis procesas, kurio metu medžiagos 

paviršiuje sudaroma jį pasyvuojantis ir maskuojantis dielektrinis sluoksnis. 

Dažniausia tai tos pačios medžiagos oksidas pvz. aliuminiui tai Al2O3, tantalui – 

Ta2O5, siliciui – SiO2. 

Procesą aprašančios cheminės reakcijos gana paprastos, pvz. silicio oksidinimui 

sausame deguonyje ar vandens garuose: 

Si(k) + O2 → SiO2(k) (3.1) 

Si(k) + 2H2O → SiO2(k) + 2H2 (3.2), 

kur k – reiškia kietąją medžiagos fazę. 

Oksidinimo esmę sudaro valentinių elektronų pasiskirstymas tarp deguonies ir kito 

elemento (Si,Ta, Al) atomų. 

Trumpai aptarsime silicio oksidinimą. Ryšys deguonis – silicis yra 

kovalentinis. Oksidinant silicį Si – SiO2 riba juda į silicio padėklą, tačiau gautas tūrio 

padidėjimas rodo, kad išorinis SiO2 plėvelės paviršius nesutampa, su pirminiu Si 

paviršiumi. Nustatyta, kad termiškai oksidinant d storio oksido plėvelė išauga 

sunaudodama 0,44d silicio sluoksnį. Eksperimentai rodo, kad oksidas auga oksidantui 

(deguoniui) difunduojant per oksidą prie Si – SiO2 ribos, kur ir vyksta (3.1) reakcija. 

Tačiau iki šiol ginčijamasi, kokia dalelė – įelektrinta ar neutrali difunduoja per oksidą. 

Terminio oksidinimo kinetika aprašo Dilo – Grau (Deal – Grove) modelis, kuris gerai 

48

3.1 pav. Silicio oksidinimo mechanizmas 

tinka 700 – 1300 0 C temperatūrą intervalui ir (0,2 – 1,0) 10 5 Pa parcialiniam deguonies 

slėgiui, bei 30 – 2000 nm storio plėvelėms /14/. Pav. 3.1 parodyta silicio plokštelė, 

kurios paviršius dengia SiO2 sluoksnis, kuris, savo ruožtu, yra veikiamas dujų. 

Deguonis difunduoja iš dujinės fazės prie oksido – dujų ribos. Šį srautą pažymėkime 

F1. Pagal Henrio dėsnį: 

F1 = hG (C0 – Cs) (3.3), 

kur hG – masės pernešimo koeficientas dujinėje fazėje, C0 ir Cs – oksidanto 

koncentracija dujose ir ant paviršiaus. 

Oksidanto srautą per oksidą nusako Fiko lygtis 

dC 

F2 = − D 

(3.4), 

dd 

dC 

kur D – difuzijos koeficientas, - oksidanto koncentracijos gradientas okside. 

dd 

Si – SiO2 riboje reakciją nusakantis srautas: 

F3 = ksCi (3.5), 

kur ks oksidinimo reakcijos (3.1) greičio konstanta. 

Stacionariu atveju: F1 = F2 = F3 ir spręsdami lygčių sistemą gautume Ci ir C0 

reikšmes. 

Nagrinėjant oksido augimo kinetika gauta,, kad ilgiems procesams oksido 

storis aprašomas paraboliniu dėsniu: 

d = Bt 

(3.6), 

kur B –nuo proceso parametrų priklausanti konstanta. 

49

Trumpalaikiam procesui oksido storis aprašomas tiesiniu dėsniu: 

B 

d = ( t + τ ) (3.7), 

A 

čia B/A – tiesinė oksidinimo konstanta, τ - laikas įskaitantis natūralaus 

(dėl sąveikos su atmosferos deguonim) oksido susidarymą. 

Su siliciu reaguoja atominis deguonis, tačiau kas difunduoja per oksidą prie Si 

– SiO2 ribos neaišku. Dilo – Grou modelis gerai sutampa su eksperimentu, bet remiasi 

teiginiu, kad difunduoja deguonies molekulės. Tačiau nagrinėjant elektrinio lauko 

įtaką oksidinimo greičiui gauta, kad dalis oksidanto dalelių yra dukart jonizuoti O 2- 

deguonies atomai. 

Mikroelektronikos technologijoje itin aktualus klausimas – ploni (5-100 nm) 

žemose (kambario) temperatūrose išauginti oksidai. Šiuo atveju temperatūros 

sąlygota difuzija neturi reikšmės, oksidinimą lemia jonizuotų dalelių dreifas 

elektriniame lauke. Procesas vykdomas žėrinčiame deguonies išlydyje, žemų (5- 

500Pa) slėgių diapazone. Pavyzdėlis talpinamas plazmos srityje su tolygia dalelių 

koncentracija (teigiamą plazmos stulpą) suteikiant jam plazmos atžvilgiu potencialą 

Uz. Jonizuotų dujų terpėje patalpinus bandinį aplink jį susidaro nesukompensuotas 

erdvinis krūvis, kurio storis δ priklauso nuo bandinio potencialo Uz plazmos 

potencialo Upl atžvilgiu. Jei bandinys plazmos atžvilgiu turi neigiamą potencialą, 

erdvinį krūvį sudarys teigiamų jonų debesėlis. Joninis srovės tankis į bandinį, 

neįskaitant šiluminio jonų judėjimo plazmoje, bus aprašomas lygtimi: 

2 

j j = 

9π 

3 / 2 

e U 

2 

m δ 

(3.8), 

čia U = Uz - Upl. Esant tam tikroms sąlygoms (U>7-10V) jj nepriklauso nuo U ir bus 

apsprendžiamas plazmos parametrų. Adsorbavę bandinio paviršiuje deguonies jonui 

elektrinio lauko poveikyje juda per oksidą. Jonų srautas, randamas pagal formulę 

Fj=jj/e, yra dominuojantis. Narys nusakomas (3.3) formule šiuo atveju yra 

nereikšmingas. 

Srovė per oksidą aprašoma lygtimi /15/: 

2e 

π ma ∆W 

j = E exp( − 

) 

(3.9) 

2 

πha 

4h 

e E 

50

kur ∆W – draudžiamų energijų juostos plotis, a – oksido gardelės konstanta, h – 

Planko konstanta, E – elektrinio lauko stipris. 

Stacionariu atveju tolydumo sąlyga reikalauja, kad srovė į zondą ir per 

dielektriką būtų lygios. Padarę prielaidą, kad dielektrike E = const. , rasime elektrinio 

lauko stiprio reikšmę dielektrike, užtikrinančią tolydumo sąlygą. Skaičiavimų 

rezultatai pateikti 3.2 pav. 

3.2 pav. Elektrinio lauko stiprio dielektrike priklausomybė nuo jo storio, esant 

skirtingoms U. 

Jei per oksidą juda neigiamai įelektrinti jonai, tai neigiamas zondo potencialas stabdo 

jų judėjimą. Deguonies atomų pasiskirstymą okside rasime spręsdami antrąją Fiko 

lygtį, įstatydami koncentracijos gradientą ir elektrinio lauko poveikį: 

dC 

dt 

čia µ - jonų judrumas. 

Pasinaudoję Einšteino sąryšiu 

D = 

µ 

2 

2 ∂ C ∂ 

= D + µ ( EC) 

, (3.10) 

2 

∂x 

∂x 

e 

kT 

, (3.11) 

pertvarkome (3.10) formulę eliminuodami µ. 

∂ C 

Stacionariam atvejui ( = 0) ir iš (3.10) gausime 

∂t 

51

∂ ⎡∂C( 

x) 

e ⎤ 

⎢ + E( 

x) 

C( 

x) 

⎥ = 0 . (3.12) 

∂x 

⎣ ∂x 

kT ⎦ 

Šios lygties sprendiniai gali būti gauti priėmus kraštines sąlygas kaip pvz., 

C(x) = C0C(x0) = C1. Bet gautus bendrus sprendinius sunku analizuoti, todėl daliniam 

atvejui tikslinga (3. 12) lygtį integruoti. Tuomet gausime: 

∂C( 

x) 

eE( 

x) 

+ C( 

x) 

= const . (3.13) 

∂x 

kT 

Kadangi x didėjant C(x) mažėja, tai išreiškę iš (3.13) lygties E(x) gautume: norint, 

kad didėjant x lauko stipris E(x) neaugtų į begalybę, reikia konstantą prilyginti nuliui. 

Pasinaudoję šia sąlyga ir laikydami, kad paviršiuje deguonies koncentracija C(o) = Cs, 

spręsdami (3.13) esant E = const, gausime: 

eEd 

C( x) 

= Cs 

exp( − ) 

(3.14). 

kT 

Iš (3.14) lygties matome, kad kritinė E reikšmė, atitinkanti stacionarų deguonies 

pasiskirstymą okside, t.y. atvejį, kai oksidas nustoja augti: 

E 

kr 

kT C1 

= ln 

(3.15). 

ed C 

s 

Antra vertus, jei oksidinimo metu E = const, tai kiekvienai E reikšmei gausime 

fiksuotą oksido storį dkr: 

d 

kr 

kT C1 

= ln 

(3.16) 

eE C 

s 

Jei zondo potencialas teigiamas tai elektrinis laukas greitins jonų difuziją ir 

(3.10) neturi stacionaraus sprendinio. Be to, šiuo atveju neutralūs deguonies atomai 

zondo paviršių pasiekia per neigiamo erdvinio krūvio sritį ir gali pagauti elektroną. 

Taigi, neigiamų jonų koncentracija, ypač esant didesniam slėgiui, paviršiuje išauga, o 

tuo pačiu išauga ir oksidinimo greitis. 

Augant bandinio paviršiuje oksidui, įtampa U persiskirsto tarp oksido Uok ir 

erdvinio krūvio Uek.Didėjant oksido storiui, jame krinta vis didesnė įtampos U dalis ir 

srovė į zondą silpnėja. Jei į zondą paduotas pastovus priešįtampis, tai, didėjant oksido 

storiui elektrinio lauko stipris okside mažėja, silpnėja jonų dreifas per oksidą, o tai 

savo ruožtu mažins oksido augimo greitį. Todėl, esant U = const. oksido augimą 

galima suskirstyti į dvi stadijas: pirmoji – greitas kelių dešimčių nm plėvelės 

susidarymas; antroji – lėtas augimas mažėjant srovei, t.y. pirmąją dalį aprašys lygtis 

analogiška (3.7) lygčiai, o antrąją – (3.6). 

52

Matavimo metodika 

Silicio paviršiaus optinių savybių tyrimo eksperimentas atliktas elipsometru 

L117. Pagrindinės šio prietaiso sudėtinės dalys pavaizduotos 3. 3 pav. 

Kaip šviesos šaltinis naudojamas helio-neono lazeris, kurio spinduliuojamos 

šviesos bangos ilgis λ=6328Å, spindulio skersmuo 1 mm. Pirmiausia jau minėto 

lazerio sugeneruota šviesa, perėjusi per depoliarizatorių, patenka į poliarizatorių ir 

tampa tiesiškai poliarizuota. Po to toks šviesos spindulys kerta kompensatorių, kurio 

pagalba tiesiškai poliarizuota šviesa paverčiama į elipsiškai poliarizuotą.Toliau 

spindulys krinta į tiriamąjį bandinį. Kuomet šviesa atsispindi nuo tokio pavyzdėlio, 

jos poliarizacija pakinta priklausomai nuo paviršinio sluoksnio storio bei pagrindo ir 

tos plėvelės optinių savybių. Galiausiai šviesa patenka į analizatorių, o po to į 

fotodaugintuvą. Tarp jų esantis filtras eliminuoja nereikalingą ir matavimo rezultatus 

galinčią įtakoti fono šviesą. Dėl šios priežasties matavimai gali būti atliekami ir esant 

normaliomis kambario apšviestumo sąlygomis. Fotodaugintuvo pagalba šviesos 

impulsas paverčiamas elektriniu signalu, kuris yra sustiprinamas ir patenka į 

elektrinio signalo matuoklį. 

3.3 pav. Elipsometro L117 optinė schema. 

53

Yra tam tikra poliarizatoriaus padėtis, kuomet atsispindėjusi nuo tiriamojo 

bandinio lazerio šviesa tampa tiesiškai poliarizuota. Tada galima nustatyti tokią 

analizatoriaus poziciją, kad į fotodaugintuvą lazerio šviesos spindulys beveik 

nepatektų, o elektrinio signalo matuoklio parodymai būtų minimalūs. Būtent tokios 

yra matavimo sąlygos, kurios leidžia nustatyti analizatoriaus ir poliarizatoriaus būgnų 

padėties vertes. 

Nustatant paviršinio sluoksnio lūžio rodiklį elipsometru L117 yra naudojami tokie 

dydžiai: 

A1- analizatoriaus būgno pirmoji padėtis (nuo 0 iki 90 laipsnių, raudona skalė ). 

A2- analizatoriaus būgno antroji padėtis (180˚-A1). 

P1- poliarizatoriaus būgno pirmoji padėtis (nuo 315 iki 135 laipsnių, raudona skalė ). 

P2- poliarizatoriaus būgno antroji padėtis (90˚+P1). 

n- paviršinės plėvelės lūžio rodiklis. 

d- paviršinės plėvelės storis. 

ω- paviršinės plėvelės storio periodas. 

Φ- lazerio spindulio kritimo kampas (30˚,50˚,70˚). 

ns- pagrindo lūžio rodiklis. 

λ- krintančios į tiriamąjį bandinį šviesos lūžio rodiklis. 

Ψ- dydis apskaičiuotas įvertinus analizatoriaus būgno skalės parodymus. 

∆- dydis apskaičiuotas įvertinus pliarizatoriaus būgno skalės parodymus. 

Dydžiai Ψ, ∆ randami remiantis tokiomis formulėmis: 

180 (A 

Ψ 

2 

− 

o 

= 

R 

tan( Ψ) 

exp( i∆) 

= 

R 

p 

s 

54 

2 − 

A1) 

, 

(3.17) 

∆=360˚-(P1+P2), (3.18) 

Norint rasti tiriamojo bandinio paviršinės plėvelės lūžio rodiklį bei storį 

taikoma fundamentali elipsometrijos formulė: 

= f(Φ, λ, ns, n0, nj, dj) (3.19) 

čia j=1,2,3…, Rp ir Rs atitinkamai p ir s kryptimi poliarizuotos šviesos Fresnelio 

atspindžio koeficientai, n0 aplinkos lūžio rodiklis.

Kaip matyti iš (3.19) formulės tiriamojo bandinio paviršinio sluoksnio lūžio 

rodiklio skaičiavimas yra gana sudėtingas. Dažniausiai šiuos skaičiavimus atlieka 

kompiuterinės programos arba sudaromos specialios lentelės bei grafikai. Būtent 

šiame darbe remiantis apskaičiuotomis Ψ, ∆ reikšmėmis paviršinės plėvelės lūžio 

rodiklis bei storis buvo nustatomi iš specialiame žinyne pateiktų lentelių. Lūžio 

rodiklis skaičiuojamas esant 30˚, 50˚, 70˚ šviesos spindulio kritimo ir atspindžio 

kampui. Reiktų pridurti, kad tiriant plazma paveiktus bandinius sunku nustatyti tikslų 

pakitusio sluoksnio storį, kadangi tarp paviršinio inhibitorinio sluoksnio bei grynojo 

silicio formuojasi mechaninius įtempimus ir defektus turintis interfeisas. Paviršinės 

plėvelės lūžio rodiklio bei storio skaičiavimai atliekami laikant, kad Si padėklo lūžio 

rodiklis yra ns=3,85-0,02i. 

Darbo eiga 

1. Silicio oksidinimui naudojamas tas pats joninio spindulinio ėsdinimo 

įrenginys YBH-72M-2 kaip ir laboratoriniame darbe “ Joninis medžiagų ėsdinimas“. 

Tačiau į padėklą paduodama 100V teigiama įtampa. Deguonies dujų srautas 7 cm 3 /s. 

2. Oksidinimą atliekame 10, 20, 30 min. 

3.Eksperimentą pakartojame, kai teigiamas priešįtampis 200V. 

4. Elipsometru L177 išmatuojame išauginto sluoksnio storį bei lūžio rodiklį. 

Rezultatų analizė 

Nubrėžkite oksido augimo greičio priklausomybes nuo proceso trukmės bei neigiamų 

jonų energijos. Paaiškinkite, kas vyksta silicio paviršiuje veikiant jį deguonies jonais, 

kodėl kinta oksido augimo greitis. Iš apžvalgos optiniu mikroskopu įvertinti 

paviršiaus mikroreljefo pokyčius. 

55

I Priedas 

a) b) 

1 pav. Joninio spindulinio ësdinimo a) ir reaktyvaus joninio ësdinimo b) árenginiai

I Priedas 

2. pav. Termoporinis - jonizacinis vakuumetras 

3. pav. Dujø balionas su reduktoriumi.

I Priedas 

4 pav. Dujø srauto padavimo á kamerà matuokliai.

NAUDOTA LITERATŪRA 

1. M. A. Lieberman, Plasma discharges for materials processing and display application. 

, Advanced technologies on wave and beam generated plasma, edited by H.Shluter 

and A Shivarova, NATO Science Series No.3, Vol 67, Kluwer Academic Publishers, 

1999,p. 1-22. 

2. У. Моро, Микролитография, Ч 2. // Москва, Мир, 1990, ст. 1037 

3. Sigmund P., Sputtering by ion bombardment: theoretical concepts // Sputtering by 

Particle Bombardment. Topic in Appl. Phys./ Ed. R. Behrish, Berlin; Heidelberg; NY; 

Tokyo; Springer, 1980. Vol. 47, P. 9-71. 

4. Иелны Р. Столкновительные тепловие и электроные процессы ионного 

распиления // Ионная имплантация в полупроводниковые и другие материалы / 

Сер. Новости ФТТ., М., 1980, Вып. 10б Ст. 194-235. 

5. Http://www.kinema.com/kinema/katie/DATABAS.html. 

6. П.А.Лидин,Л.Л.Андреева, Спраиочник по неорганической химии.,Москва, 

Химия, 1987, с.320 

7. M.A. Lieberman, A.J. Lichtenberg, Principles of plasma discharges and materials 

processing.// A Wiley-Intrescience Publication, John Wiley & Sons Inc, USA, 1994, 

P.572 

8. Roth. J. Chemical sputtering // Sputtering by Particle Bombardment. Topic in Appl. 

Phys./ Ed. R. Behrish, Berlin; Heidelberg; NY; Tokyo; Springer, 1983. Vol. 52, P. 91- 

146. 

9. Coburn J.W, Winters H.F. , Plasma Etching – A discussion of Mechanisms// J. Vac. 

Sci. Technol. V.16, 1979, P. – 319 

10. S.Samukawa, K Tsuda, New Radical control Method for SiO2 etching with non 

perfluorocompound Gas Chemistry.// Jpn. J. Appl. Phys, Vol. 37, Part 2, No. 10A, 

1998, p. 1095-1097 

11. K. K. Chi, H.S. Shin, W.J. Yoo., Effects of conductivity of poli silicon on profile 

distortion.// Jpn.J.Apl.phys. Vol.35, 1996 Pt. 1., No. 4B, p. 2440-2444. 

59

12. T. D. Mantei, High density sources for plasma etching.// Edited by P.F.Williams 

“Plasma processing of semiconductors” / Kluwer Academic Publishers, Netherland, 

1997, p.137-156. 

13. Grigonis A., Rutkūnienė Ž., Kopustinskas V. Si microstructures. Etching in mixtures 

containing oxygen and hydrogen // Elektronika ir elektrotechnika.- 1996.- N 5.- P. 66- 

68. 

14. Deal B. E., Grove A. S., The mechanisms for Thermal Oxidation of Silicon //J. Appl. 

Phys., 36, 1965, P.3770 

15. Д.В. Зернов., ЖТФ, Т. 15, 1945, С. 447-475, 

60

Plazminiai ir plazmocheminiai procesai - Fizika - Kauno ...

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?